基于新型模块化多电平拓扑结构的无功补偿装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种无功补偿装置，具体设及基于新型模块化多电平换流器的无 功补偿装置，属于高压大功率无功补偿技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着电力换流器及非线性负载的大量应用，在电网中产生了大量的无功及谐波。 利用STATCOM进行无功补偿和谐波抑制，不仅能够满足电网节能、降损的要求，而且还有利 于电网供电质量的改善。
[0003] 目前，常见的多电平拓扑结构主要有S种：二极管错位型、飞跨电容型W及H桥级 联型。二极管错位型和飞跨电容型结构，随着电平数的增加，所需的开关器件和错位电容数 量会大大增加，不利于实现更高电平的变换电路，而且电容电压不易均衡，推广应用受到限 制。H桥级联结构，当S相输出的电流不均衡时，桥臂间不能传递有功能量，难W实现S相模 块间的电容电压平衡。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是为了解决现有技术在高压大功率领域补偿受限W及对环流 的抑制能力不足的问题。
[0005] 本实用新型的技术方案是：基于新型模块化多电平拓扑结构的无功补偿装置，包 括=相交流电源、阻感负载、换流器、控制电路、信号检测电路和驱动电路，所述换流器包括 =个结构相同并联连接的桥臂，每个桥臂包括关于桥臂中点对称且串联连接的上桥臂和下 桥臂，所述上桥臂包括相互串联的电感、若干半桥单元和一个H桥单元，上桥臂的电感与下 桥臂的电感串联连接，换流器=个桥臂的中点通过导线并联接在=相交流电源和阻感负载 之间，信号检测电路的输入端分别连接=相交流电源的输出端、阻感负载的输入端、换流器 的输出端、换流器立个桥臂、换流器的每个半桥单元和H桥单元，信号检测电路的输出端连 接控制电路的输入端，控制电路的输出端通过驱动电路与换流器建立连接。
[0006] 所述控制电路包括载波移相控制器、第一控制单元和第二控制单元，第一控制单 元的输出端和第二控制单元的输出端均与载波移相控制器建立连接，所述第一控制单元包 括第一比较器、第二比较器、第=比较器、第四比较器、第五比较器、第一PI控制器、第二PI 控制器、第=PI控制器、第一坐标转换器、第二坐标转换器、第一电抗器和第二电抗器，第 一比较器、第一PI控制器、第二比较器、第二PI控制器和第=比较器依次串联后接入第一 坐标变换器，第四比较器、第=PI控制器和第五比较器依次串联后接入第一坐标转换器， 第一坐标转换器的输出端连接载波移相控制器，载波移相控制器的输出端连接驱动电路， 所述换流器的输出端连接第二坐标变换器，第二坐标变换器的第一输出端分别连接第二比 较器和第二电抗器，第二电抗器的输出端连接第=比较器，第二坐标变换器的另一输出端 分别连接第四比较器和第一电抗器，第一电抗器的输出端连接第五比较器，采用两个并行 的控制器对换流器的功率模块和全桥模块分别进行控制，提高了系统的控制效率，使系统 运行更加稳定，第一控制单元用于控制换流器的功率模块部分，第一控制单元在控制换流 器负载电流的同时对换流器的功率模块的电容电压进行平衡控制。
[0007] 所述第二控制单元包括第六比较器、第屯比较器、第八比较器、第九比较器、第一 比例控制器、第二比例控制器、第四PI控制器、第五PI控制器和函数模块，第六比较器、 第一比例控制器、第屯比较器、第四PI控制器和第二比例控制器依次串联后接入第九比较 器，第八比较器、第五PI控制器和函数模块依次串联后接入第九比较器，第九比较器的输 出端连接所述载波移相控制器，通过控制全桥模块的输出电压来控制环流，即通过采用合 理的控制策略，在全桥模块中插入适当的电压可W抑制环流，通过独立的控制单元不仅抑 制环流，同时实现了对全桥模块电容电压的均衡控制。
[0008] 所述控制电路包括DSP模块和FPGA模块，DSP模块的输出端连接FPGA模块，FPGA 模块的输出端连接驱动电路，所述第一控制单元和第二控制单元集成在DSP模块内，所述 载波移相控制器集成在FPGA模块内，采用DSP+FPGA的控制方式，DSP作为运算和控制部分， FPGA用来产生PWM波，运样大大提高了控制、运算速度，降低了整个装置的响应时间。
[0009] 所述基于新型模块化多电平拓扑结构的无功补偿装置包括过零检测电路，所述过 零检测电路包括电压传感器、比较电路和光禪，电压传感器的输入端连接=相交流电源的 输出端，电压传感器的输出端连接比较电路的输入端，比较电路的输出端通过光禪接入DSP 模块，使无功补偿装置实现了对电网电压的锁相过程。
[0010] 所述信号检测电路包括电流检测及调理电路，所述电流检测及调理电路包括电流 传感器和光禪忍片，电流传感器的输出端连接光禪忍片，减少电流采样环节引起的滞后和 提高检测信号的抗干扰能力。
[0011] 所述驱动电路包括电平转换电路和驱动忍片，电平转换电路的输入端为驱动电路 的输入端，电平转换电路的输出端连接驱动忍片，驱动忍片的输出端为驱动电路的输出 JLjJU 乂而。
[0012] 所述基于新型模块化多电平拓扑结构的无功补偿装置的控制方法，具体包括：采 用基于瞬时无功功率理论的ip-iq电流检测法对电流进行检测；对半桥单元和全桥单元分 别进行控制，得到PWM控制信号，定义半桥单元为功率模块，全桥单元为全桥模块，所述功 率模块的控制包括对功率模块的电容均压控制和基于前馈解禪的电压电流双闭环控制，全 桥模块的控制包括对全桥模块电容电压均衡和整个无功补偿装置的环流的抑制控制。
[0013] 所述电容均压控制包括相间电压平衡控制和独立电压平衡控制，所述相间电压平 衡控制为：电压外环是使每相2N个功率模块电容电压的平均值C?。:与功率模块电容电压的 给定值UfW作差，经PI调节后与该相的环流作差，经电流环比例调节后作为平均电压控制 的指令信号，定义为Ua，，其中，j=a，b，c，所述氏与环流itu的表达式分别为：
[0016] 独立电容电压平衡控制为：检测每相上、下桥臂功率模块的电容电压1]。，1，将其与 功率模块的电容电压的给定值Uref相比较，经比例调节，再与相应的桥臂电流相乘，经过符 号函数的修正，得到每相上、下桥臂独立电压平衡控制的指令1?,和Uew。采用电容电压分 级控制策略，确保各模块电容电压均衡，实现了良好的无功补偿、稳压、均压W及环流抑制 效果。
[0017] 所述基于前馈解禪的电压电流双闭环控制的前馈解禪控制策略为：
[001引其中，XI，X2为中间变量，Ki、K2为比例系数，T1，Tz为积分系数，id和iq分别为换流 器输出的dq坐标轴的电流分量，i/和i。"^^别为负载中的有功电流分量和无功电流分量；
[0020] 所述电压电流双闭环控制包括：将给定直流电压UfW与换流器直流侧电容电压进 行比较，经电压PI调节，其输出作为有功电流的给定值i/，负载电流经坐标变换、取反处理 得到无功电流给定值iq%将换流器输出的S相电流i3b。经坐标变换得到id和i。，将id和iq 分别与id*、iq*进行比较，经电流环PI调节，得到期望的输出电压Ved、V。。;对Ved、V。巧行逆 变换得到静止坐标系下的=相调制波，将该=相调制波与载波移相控制器产生的=角载波 比较后得到PWM控制信号。
[0021] 所述全桥模块电容电压均衡过程包括：每一相上、下桥臂全桥模块电容电压的给 定值Vh,Uf与全桥模块的实际电容电压进行比较，经PI控制器，其输出乘W该桥臂电流的符 号函数后，将生成的全桥子模块电压给定值Vf,f。:与=角载波比较后得到PWM波，其中，r= P，N，驱动全桥模块中相应的功率开关管，对全桥子模块的电容进行充放电控制，实现全桥 模块电容电压的均衡；
[0022] 所述环流抑制过程包括：将每一相环流分别与环流的参考值进行比较，此时环流 的参考值id。/%得到的结果通过一个比例控制器形成一个全桥模块的电压调整信 号，将运个电压调整信号平均分成2份，分别加在该相上、下桥臂全桥模块的电压信号上。 针对=相间的环流问题，提出了一种增加H桥模块的新型拓扑结构，通过独立的控制单元， 实现对环流的有效抑制。
[0023] 本实用新型与现有技术相比具有W下效果：本实用新型不但能补偿电网无功，解 决系统=相不平衡问题，还有支撑电网电压、抑制环流的作用，所述信号检测单元检测电网 S相电压、负载侧S相电流、换流器输出的S相反馈电流、直流侧各模块的电容电压W及S 相的桥臂电流，然后，将检测到反馈量在控制电路中进行运算和调节，得到PWM控制信号； 最后，将控制信号进行功放W驱动换流器的各个模块中功率开关管，使换流器输出相应的 补偿电流，实现无功补偿。本实用新型设计的新型拓扑中每相上、下桥臂各加入了 1个H桥 单元，运样整个=相系统中的H桥单元共有6个。换流器由半