專利名稱：級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用，涉及級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)及控制方法。
背景技術：
隨著經濟的飛速發(fā)展，現代電力系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經濟運行問題日益突出.作為在電能傳輸和轉換過程中建立電磁場的必要功率，無功功率的補償和平衡問題，得到越來越多的重視和研究。對電力系統(tǒng)進行適當的無功補償，可以穩(wěn)定電網電壓，提高功率因數，提高設備利用率，減小網絡有功功率損耗，提高輸電能力，平衡三相功率，為系統(tǒng)提供電壓支撐，提高系統(tǒng)運行安全性。世界上已投運的大容量無功補償裝置多采用變壓器多重化主電路結構，但是多重化變壓器也帶來了很多問題，如價格昂貴、損耗大、占地面積大、非線性特性導致控制困難等等。鏈式無功補償系統(tǒng)采用多個單相逆變橋直接串聯的結構形式，與基于變壓器多重化逆變器的無功補償系統(tǒng)相比，基于鏈式多電平逆變器的無功補償系統(tǒng)有以下優(yōu)點(I)采用普通變壓器接入系統(tǒng)，避免了多重化變壓器，減小了占地面積，降低了裝置成本；(2)在系統(tǒng)受到擾動時，可以分相進行控制以便更好地提供電壓支撐作用；(3)采用模塊化結構，便于擴展裝置容量； (4)采用冗余功率模塊，提高了裝置可靠性；(5)避免了多重化逆變變壓器激磁回路中剩磁和飽和非線性導致的裝置過電壓和過電流。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)及控制方法，可以實現系統(tǒng)輸出總的有功和無功電流的控制，還可以分別控制各個功率單元吸收的有功功率來控制每個級聯功率單元直流母線電壓的平衡。本發(fā)明為實現上述目的，采用如下技術方案；本發(fā)明提供一種級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)，其特征在于包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由級聯H橋功率單元、濾波電抗器、充電電阻和控制開關組成；檢測回路由第一至第二電流傳感器、第一至第二電壓傳感器、各級聯功率單元直流側電壓傳感器和外部A/D采樣電路組成；控制回路由數字信號處理器、實現脈沖分配的現場可編程門陣列和實現主控與模塊之間通訊的光通訊電路組成；其中級聯H橋功率單元為單相H橋逆變器結構，級聯多電平逆變器的每相由N個功率單元串聯組成，三相組成星形連接，輸出三相經濾波電感串聯后與充電電阻的左端相連，充電電阻右端與三相電網相連，控制開關與充電電阻兩端并聯。第一電流傳感器和第二電流傳感器分別設置于級聯多電平逆變器輸出A、C兩相上，第一至第二電流傳感器的輸出端分別接外部A/D采樣電路的輸入端，第一電壓傳感器和第二電壓傳感器分別設置于三相電網電壓的AB和BC相，第一至第二電壓傳感器的輸出端分別接外部A/D采樣電路的輸入端，各級聯功率單元直流側電壓傳感器分別設置于各個功率單元的直流輸入端上，各級聯功率單元直流側電壓傳感器的輸出端分別接外部A/D采樣電路的輸入端，外部A/D采樣電路的輸出端接數字信號處理器的輸入端，數字信號處理器的輸出端分別接控制開關的控制端和實現脈沖分配的現場可編程門陣列的輸入端，現場可編程門陣列的輸出端接光通訊電路的輸入端，光通訊電路的輸出端接各級聯H橋功率單元的控制端。 本發(fā)明級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)控制方法，其特征在于，包括如下步驟I)根據所測量的電網電壓，利用鎖相環(huán)計算得到電網電壓綜合矢量角度；
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2)利用矩陣變換，將采樣得到的系統(tǒng)輸出相電流變換到兩相旋轉坐標系下有功電流d軸分量和無功電流q軸分量(d軸按電網電壓綜合矢量定向)，并將采樣得到的電網相電壓變換到兩相旋轉坐標系下的d軸電壓分量和q軸電壓分量；3)利用交流電流前饋解耦控制策略得到系統(tǒng)輸出d軸電壓分量和q軸電壓分量，并結合鎖相角度，計算出三相調制波并利用移相SPWM控制策略控制各級聯功率單元的驅動脈沖，從而實現系統(tǒng)輸出總的有功和無功電流的控制；4)根據兩相旋轉坐標系下有功電流d軸分量和無功電流q軸分量計算出電流綜合矢量與電網電壓綜合矢量的夾角，并結合鎖相角計算出與電流矢量同相的單位正弦信號；5)將每相各功率單元直流電壓求和取平均值作為直流電壓參考信號，并與本相各功率單元實際電壓信號做差并進行PI調節(jié)，將PI輸出的信號與步驟4)中的單位正弦信號相乘得到僅控制各功率單元輸出電壓有功電壓矢量的調制波疊加信號；6)將步驟5)中所得到的三相各功率單元調制波疊加信號與步驟3)中的三相調制波信號疊加得到每個功率單元新的調制波信號，控制每個功率單元吸收的有功功率，從而實現每個功率單元直流母線電壓的平衡控制。本發(fā)明所達到的有益效果本發(fā)明的級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)及控制方法，無需增加額外的功率電路，不僅可以實現系統(tǒng)輸出總的有功和無功電流的控制，還可以分別控制各個功率單元吸收的有功功率來控制每個級聯功率單元直流母線電壓的平衡，不僅降低了系統(tǒng)硬件成本，而且大大減少了系統(tǒng)輸出電壓電流的諧波含量，提高了系統(tǒng)的可靠性。


圖I級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)結構圖；圖2坐標系(d, q)、坐標系(a, b, c)及矢量分解圖；圖3級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)控制系統(tǒng)結構圖；圖4A相各功率單元直流母線電壓平衡控制結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細的說明本發(fā)明的級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)如圖I所示，包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由級聯H橋逆變單元、濾波電抗器、充電電阻和控制開關組成；檢測回路由第一至第二電流傳感器、第一至第二電壓傳感器、各級聯功率單元直流側電壓傳感器和外部A/D采樣電路組成；控制回路由數字信號處理器、實現脈沖分配的現場可編程門陣列和實現主控與功率單元之間通訊的光通訊電路組成。本發(fā)明的一種級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)，其特征在于包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由級聯H橋功率單元Mai……Man，Mbi……Mbn，Mx……Mcn、濾波電抗器I、充電電阻2和控制開關3組成；檢測回路由第一至第二電流傳感器10、11、第一至第二電壓傳感器8、9、各級聯功率單元直流側電壓傳感器DCai……DCan，DCbi……DCBN，DCci……DCcn和外部A/D采樣電路7組成；控制回路由數字信號處理器4、實現脈沖分配的現場可編程門陣列5和實現主控與功率單元之間通訊的光通訊電路6組成；其中級聯H橋功率單元Mai……Man, Mbi……Mbn，Mci……Mcn為單相H橋逆變器結構，級聯多電平逆變器的每相由N個功率單元串聯組成，三相組成星形連接，輸出三相經濾波電感I串聯后與充電電阻2的左端相連，充電電阻2的右端與三相電網相連，控制開關3與充電電阻2的兩端并聯；第一電流傳感器9和第二電流傳感器10分別設置于級聯多電平逆變器輸出A、C兩相上，第一至第二電流傳感器9、10的輸出端分別接外部A/D米樣電路7的輸入端,第一電壓傳感器8和第二電壓傳感器9分別設置于三相電網電壓的AB和BC相，第一至第二電壓傳感器8、9的輸出端分別·接外部A/D采樣電路7的輸入端，各級聯功率單元直流側電壓傳感器DCai……DCan, DCbi……DCbn, DCci……DCcm分別設置于各個功率單元的直流輸入端上，各級聯功率單元直流側電壓傳感器DCai……DCan, DCbi……DCbn，DCci……DCcn的輸出端分別接外部A/D采樣電路7的輸入端，外部A/D采樣電路7的輸出端接數字信號處理器4的輸入端，數字信號處理器4的輸出端分別接控制開關的控制端和實現脈沖分配的現場可編程門陣列5的輸入端，現場可編程門陣列5的輸出端接實現主控與功率單元之間通訊的光通訊電路6的輸入端，光通訊電路6的輸出端接各級聯H橋功率單元Mai……Man, Mbi……Mbn，Mci……Mcn的控制端。本發(fā)明的級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)的控制目的主要包括兩個部分，第一部分是實現系統(tǒng)輸出總的有功與無功電流的控制，第二部分是實現各個級聯功率單元直流母線電壓的平衡控制。以A相為例，級聯的功率單元數為N，其控制方法的具體實現步驟如下I)根據所測量的電網電壓，利用鎖相環(huán)計算出電網電壓綜合矢量角度Θ ；2)根據圖2所示的坐標系(d，q)、坐標系(a，b，c)及矢量分解圖，利用矩陣變換，將采樣得到的系統(tǒng)輸出相電流ia、ib、i。變換到兩相旋轉坐標系下的有功電流d軸分量Id和無功電流q軸分量Iq (d軸按電網電壓綜合矢量定向)，并將采樣得到的電網相電壓ea、eb、e。變換到兩相旋轉坐標系下的d軸電壓分量Ed和q軸電壓分量Etl ；3)根據系統(tǒng)在兩相旋轉坐標系d_q下的數學模型，控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示，交流電流控制采用前饋解耦控制方法并利用PI調節(jié)器實現無靜差調節(jié)，得到系統(tǒng)輸出d軸電壓分量Uri和q軸電壓分量u ，結合鎖相角度，計算得到三相調制波UfU1^Uf并利用移相SPWM控制策略控制各級聯功率單元的驅動脈沖，從而對輸出交流電流完成解耦控制，實現系統(tǒng)輸出總的有功與無功電流的控制；4)根據兩相旋轉坐標系下有功電流d軸分量Id和無功電流q軸分量Iq，計算出系統(tǒng)輸出相電流綜合矢量與電網電壓綜合矢量的夾角α，ff = i7ttarHf)，并且結合鎖相角θ計算出與輸出相電流矢量同相的A相、B相、C相的單位正弦信號分別為cos ( α + Θ )、cos(a + 0-12O。)、cos(a + θ+120。);5)將A相各功率單元直流電壓求和取平均值作為直流電壓參考信號，
UdcANref ^dcAl^" ^dcAN^ /N ^dcBNref UfJcBl+ ^dcBN^ ^dcCNref UfJcCl+ ^dcCN )/N),并與本相
各功率單元實際直流電壓信號做差進行PI調節(jié)得到輸出信號U(kANPI()Ut，將PI輸出的信號udcANPl0Ut與步驟4)中的單位正弦信號相乘得到僅控制各功率單元輸出電壓有功電壓矢量的調制波置加 η 可 八 urAN-udcANPl0Ut X cos ( a + Θ ) ( Δ urBN-udcfflPl0Ut X cos ( a + θ -120 )，Δ urCN=udcCNPIoutXcos(a + θ+120° ));6)將步驟5)中所得到的A相各功率單元調制波疊加信號與步驟3)中的三相調制波信號疊加得到每個功率單元新的調制波，urA/ ΔurAN+urA Curm' =AurBN+urB,Urc/ =AurCN+urC),控制每個功率單元吸收的有功功率，從而實現了每個功率單元直流母線電壓的平衡控制?！?br> 權利要求
1.一種級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)，其特征在于包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由級聯H橋功率單元、濾波電抗器(I)、充電電阻(2)和控制開關(3)組成；檢測回路由第一電流傳感器(10)、第二電流傳感器(11)、第一電壓傳感器(8)、第二電壓傳感器(9)、各級聯功率單元直流側電壓傳感器和外部A/D采樣電路(7)組成；控制回路由數字信號處理器(4)、實現脈沖分配的現場可編程門陣列(5)和實現主控與功率單元之間通訊的光通訊電路(6)組成；其中級聯H橋功率單元為單相H橋逆變器結構，級聯多電平逆變器的每相由N個功率單元串聯組成，三相組成星形連接，輸出三相經濾波電感(I)串聯后與充電電阻(2)的左端相連，充電電阻(2)的右端與三相電網相連，控制開關(3)與充電電阻(2)的兩端并聯；第一電流傳感器(9)和第二電流傳感器(10)分別設置于級聯多電平逆變器輸出A、C兩相上，第一至第二電流傳感器(9、10)的輸出端分別接外部A/D采樣電路(7)的輸入端，第一電壓傳感器(8)和第二電壓傳感器(9)分別設置于三相電網電壓的AB和BC相，第一電壓傳感器和第二電壓傳感器的輸出端分別接外部A/D采樣電路(7)的輸入端，各級聯功率單元直流側電壓傳感器分別設置于各個功率單元的直流輸入端上，各級聯功率單元直流側電壓傳感器的輸出端分別接外部A/D采樣電路(7)的輸入端，外部A/D采樣電路(7) 的輸出端接數字信號處理器(4)的輸入端，數字信號處理器(4)的輸出端分別接控制開關的控制端和實現脈沖分配的現場可編程門陣列(5)的輸入端，現場可編程門陣列(5)的輸出端接實現主控與功率單元之間通訊的光通訊電路(6)的輸入端，光通訊電路(6)的輸出端接各級聯H橋功率單元的控制端。
2.根據權利要求I所述的級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)的控制方法，包括兩個部分，第一部分是對系統(tǒng)輸出總的有功與無功電流的控制，第二部分是對各個級聯功率單元直流母線電壓的平衡控制，其特征在于，包括如下步驟 1)根據所測量的電網電壓，利用鎖相環(huán)計算得到電網電壓綜合矢量角度； 2)利用矩陣變換，將采樣得到的系統(tǒng)輸出相電流變換到兩相旋轉坐標系下有功電流d軸分量和無功電流q軸分量，并將采樣得到的電網相電壓變換到兩相旋轉坐標系下的d軸電壓分量和q軸電壓分量； 3)利用交流電流前饋解耦控制策略得到系統(tǒng)輸出d軸電壓分量和q軸電壓分量，并結合鎖相角度，計算出三相調制波并利用移相SPWM控制策略控制各級聯功率單元的驅動脈沖，從而實現系統(tǒng)輸出總的有功與無功電流的控制； 4)根據兩相旋轉坐標系下有功電流d軸分量和無功電流q軸分量計算出電流綜合矢量與電網電壓綜合矢量的夾角，并結合鎖相角計算出與電流矢量同相的單位正弦信號； 5)將每相各功率單元直流電壓求和取平均值作為直流電壓參考信號，并與本相各功率單元實際直流電壓信號做差并進行PI調節(jié)，將PI輸出的信號與步驟4)中的單位正弦信號相乘得到僅控制各功率單元輸出電壓有功電壓矢量的調制波疊加信號； 6)將步驟5)中所得到的三相各功率單元調制波疊加信號與步驟3)中的三相調制波信號疊加得到每個功率單元新的調制波信號，控制每個功率單元吸收的有功功率，從而實現每個功率單元直流母線電壓的平衡控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種級聯多電平逆變器無功補償系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)包括主回路、檢測回路和控制回路，主回路由級聯H橋逆變單元、濾波電抗器、充電電阻和控制開關組成；檢測回路由第一至第二電流傳感器、第一至第二電壓傳感器、各級聯功率單元直流側電壓傳感器和外部A/D采樣電路組成；控制回路由數字信號處理器、實現脈沖分配的現場可編程門陣列和實現主控與功率單元之間通訊的光通訊電路組成。本發(fā)明系統(tǒng)無需增加額外的功率電路不僅可以實現系統(tǒng)輸出總的有功和無功電流的控制，還可以分別控制每個模塊吸收的有功功率從而實現每個級聯功率單元直流母線電壓的平衡控制，不僅降低了系統(tǒng)硬件成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H02J3/18GK102946105SQ20121040839
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權日2012年10月24日
發(fā)明者楊奇, 錢詩寶, 張裕峰, 霍利杰, 李冰, 胡炫 申請人:國電南京自動化股份有限公司