一種基於移相多繞組整流變壓器的串聯多電平svg拓撲結構及其控制方法

2023-04-30 21:58:01 2

專利名稱：一種基於移相多繞組整流變壓器的串聯多電平svg拓撲結構及其控制方法
技術領域：
本發明屬於電網電能質量治理研究領域，特別涉及一種基於移相多繞組整流變壓 器的串聯多電平SVG(Static Var Generator)拓撲結構及其控制方法。
背景技術：
SVG是一種由電壓型逆變橋和進線電感構成功率電路的電力電子裝置，用以治理 配電網絡中存在的諧波電流和無功電流等電能質量問題。由於其優異的動態性能和穩態性 能，SVG得到了越來越廣泛的關注和應用。串聯型多電逆變器採用多個單相H橋電路串聯夠成，通過開關管的不同組合輸出 多個電平，最後再將各個橋的電平疊加起來合成最終的輸出波形。這種逆變器具有模塊化 結構，可以任意擴展到η電平；且相較其他多電平結構在相同電平數時所需器件數最少；此 外，還省去了笨重的變壓。這種結構的逆變器大大減少了單個開關元件的電壓應力，減小了 所需的開關頻率，且顯著提升了輸出波形質量，特別適用於高電壓大容量的用電場合。將這種串聯多電平逆變器結構用於SVG系統中，可以使電能質量治理技術有效地 引入到了高電壓大容量的用電場合，大大拓寬和增強了 SVG的性能和使用範圍。由於SVG主要輸出諧波和無功電流，理論上並不輸出有功電流，逆變器直流側一 般採用大電容維持電壓穩定。但對於串聯多電平結構的SVG，由於不同模塊的並聯損耗、開 關損耗、開關器件的觸發脈衝之間的微小差異等雜散參數以及用電環境的波動都會造成直 流側電容電壓的波動和差異化，威脅系統的安全、有效運行。如何有效地穩定且平衡各模塊 直流側電壓，已經成為能否將串聯多電平結構SVG實際應用的關鍵所在。針對串聯多電平結構SVG直流側電壓的穩定和平衡問題，人們目前主要從軟體控 制角度考慮，其思想是通過軟體微調各開關管動作，以保證有功充電電流的合理分配。這種 方法需要檢測所有直流側電容電壓，建立在高精度的檢測環節、精確的調節器設計和複雜 的控制程序基礎上，系統可靠性差，現階段還無法實際使用在高壓大容量的用電環境中。本 發明則通過添加小容量輔助電路配合簡單的控制程序來實現各直流側動容電壓的恆定，無 需複雜脆弱的電壓環控制。該方法省去了大量高精度檢測元件，簡化了控制程序和調節器 設計，並大大提高了系統的可靠性和易實現性，從而促使串聯多電平SVG可靠的應用於高 壓大容量場合。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於移相多繞組整流變壓器的串聯多電平SVG拓撲 結構和控制方法。該方法僅在添加簡易輔助電路的基礎上稍加修改控制程序，便可完全省 去複雜的電壓環控制，並能夠可靠地控制串聯多電平SVG各單相全橋單元模塊直流側電壓 恆定，確保系統在高壓大容量環境下有效運行。本發明技術方法主要從拓撲結構和控制方法兩個方面進行闡述。
1)拓撲結構a)三相串聯多電平結構逆變器，通過三個進線電感與三相電網相接；逆變器各相 由η個擁有獨立直流側電容的H橋模塊串聯構成，模塊數量η根據電網電壓等級確定，一般 取η > ^/ud。，其中 為電網電壓幅值，Udc為每個H橋模塊的直流側電容電壓期望值；b)3Xn個三相二極體整流橋，將直流側輸出端接於各個獨立的H橋模塊直流側電 容，用以為其充電；c) 一個移相多繞組整流變壓器，其原邊直接接於高壓電網，而3Xn個副邊繞組輸 出端分別與相對應的二極體整流橋交流輸入端相連接；輸出側繞組相互錯開一定角度以減 小對電網的諧波汙染；變壓器變比N由電網電壓等級和所需H橋模塊直流側電壓等級決定， 一般取N > e/ (udc/2. 34)，其中e為電網電壓相電壓有效值，Udc為每個H橋模塊的直流側 電容電壓期望值。2)控制方法a)通過電流傳感器檢測補償對象的三相負載電流；b)在控制電路板中對檢測的負載電流進行瞬時無功變換，得到需要補償的各相電 流成分——無功、諧波、不平衡等；c)通過鎖相環節運算得到三相電網電壓相位信息，將其與預定幅值信息相乘得到 基波有功電流成分(該預設幅值信息定為SVG系統補償容量 3%相對應的基波有功 電流幅值)；d)將以上b)和C)得到的電流成分相疊加作為最終的控制指令，控制三相逆變器 的輸出電流；具體的實現方法是檢測三相逆變器輸出電流，並將它與相應各相的控制指令 做差，差值通過比例積分環節調節後利用載波移相的調製方法產生相應的PWM信號，用以 驅動各自模塊的IGBT開關元件動作。本發明通過小容量附加電路對串聯多電平SVG各直流側電容充電，並通過簡單的 程序控制其電容電壓的穩定和均衡，有效可靠地解決了限制該結構SVG在高電壓大容量場 合實際使用的關鍵問題，並且不會額外增加系統的電能消耗。此外，通過搭建2模塊串聯多 電平SVG仿真模型，對這種控制方法進行了仿真驗證，證實了該方法的正確性和可靠性。仿 真中僅搭建了 2模塊串聯結構，實際中可同理擴展至任意模塊串聯，從而將該系統應用於 更高電壓的用電環境中，具有較為實際的工程應用價值。


圖1為本發明所介紹基於移相多繞組整流變壓器的串聯多電平SVG主電路拓撲結 構示意圖；圖2本發明所介紹系統的控制框圖；圖3採用圖1所示拓撲結構，但不採用圖2中基波控制部分時的H橋模塊直流側 電壓仿真波形；其中，(a)為各模塊直流側電壓平均值的仿真波形；(b)為A相兩個H橋模 塊直流側電壓ud。al和ud。a2的仿真波形；圖4採用本發明介紹的方法，即圖1所示拓撲結構和圖2所示控制思路時H橋模 塊直流側電壓；其中，(a)為各模塊直流側電壓平均值的仿真波形；(b)為A相兩第一個H橋 模塊直流側電壓ud。—al的仿真波形；(c)為A相兩第二個H橋模塊直流側電壓ud。—a2的仿真波形；圖5本發明介紹該方法下整個串聯多電平SVG運行補償效果的仿真波形，圖中(a) 為波形分別為畸變的負載電流(b)為補償後得到的電網電流；
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述參見圖1-5，兩H橋模塊串聯結構，如圖1系統拓撲結構圖所示，根據相同原理，可 將串聯模塊數量擴展至任意個，以適用於更高的電壓等級下。圖中串聯多電平SVG連接在 三相電網Grid和非線性負載NL之間，其主電路結構主要包括3個進線電感La、Lb、Lc ；6 個單相H橋模塊！^ ；1個移相多繞組整流變壓器，其中T1為變壓器原邊繞組，而為各副 邊輸出繞組；6個三相二極體整流橋DRjk ；其中(j = a c，k = 1、2)。進線電感La、Lb、Lc 一端串聯在A、B、C三相逆變器上，一端並聯在三相電網Grid 和非線性負載NL之間，其參數的選擇主要取決於電壓源型PWM變換器的開關頻率；單相H 橋模塊由各自的直流側儲能元件Cak C。k(k = 1,2)和H橋型電壓源逆變器VSIjk(j = a c, k= 1,2)組成，其中直流側儲能元件一般由電力電容器串並聯構成，而H橋型電壓源逆 變器採用全控器件如IGBT、GT0等組成；三相二極體整流橋由電力二極體構成；移相多繞組 整流變壓器原邊接於三相高壓電網，副邊繞組各錯開一定相位，並與相對應的二極體整流 橋交流輸入端連接，變壓器變比由電網電壓等級和所需H橋模塊直流側電壓等級決定。(圖 1中為簡潔明了，變壓器原邊T1被多次繪出)三相電網電壓記為ea、q、e。；三相網側電流記為is，即isa、isb、is。；串聯多電平SVG 的6個單相全橋單元模塊直流側電壓分別記為 Udc_al，Udc_a2，Udc_bl 『 Udc_b2，Udc_cl，Udc_c2 ；串聯多 電平SVG輸出的三相補償電流記為ic，S卩 Μ、 、『 ；三相負載電流記為iy即ila、ilb、ilc。圖2是本發明中的串聯多電平SVG系統控制框圖。圖中包括有功控制部分、指令 計算部分、電流跟蹤控制部分、解耦控制部分、電壓前饋控制部分和PWM調製部分。其中第 一部分為本發明創新重點，而其他部分為常規控制方法，可以看出本發明所介紹的方法只 需對現有程序進行微小修改，簡單易行。現對各控制部分分別進行說明。指令計算部分，主要通過瞬時無功算法計算出三相負載電流中的諧波、無功、不平 衡等電流成分；電流跟蹤控制部分，主要用於控制SVG輸出電流跟蹤指令變化；解耦控制部分，用以消除d軸q軸間的耦合影響，提高控制精度；電壓前饋控制部分，用以消除電網電壓對系統性能的影響，提高系統精度和性 能；PWM調製部分，對於串聯多電平結構變換器，比較可靠使用的方法是採用移相載波 的調製方法得到控制各開關器件的PWM脈衝；有功控制部分，結合本發明拓撲結構的主要創新部分，在指令計算部分得到電流
指令的基礎上，對其d軸分量疊加一預定值常量ζ，該常量反映在SVG輸出電流中表現為
與電網電壓同相的基波有功電流。這使得SVG在輸出諧波、無功等補償電流成分的同時 輸出一定的有功電流成分，用以控制有功電流成分順著「電網——變壓器——二極體整流 橋——逆變器——電網，，的迴路方向流動，使得各H橋模塊直流側電壓穩定且均衡。此外，從有功電流流動迴路可以看出，這種控制思想除補償雜散損耗引起的充電電流外，其餘部 分仍流回電網，不會造成多餘損耗。控制輸出的有功電流可以很小，一般定為系統容量的
3%，所疊加的預定值常量ζ即為與之相對應的基波有功電流幅值。圖3、4、5分別給出了直接將串聯多電平結構用於SVG時，添加圖1中輔助電路但 未採用圖2中控制方法時以及採用圖1結構和圖2控制方法時的仿真波形，圖中分別顯示 了各模塊直流側電壓平均值波形和A相兩個H橋模塊直流側電壓ud。al和ud。a2波形以及採 用本發明方法的系統不暢效果波形。可以看出該方法可以很好地穩定各H橋—模塊直流側電 壓，保證整個串聯多電平SVG有效可靠地運行。本發明中給出了 一種實用的串聯多電平SVG拓撲結構及其控制方法。並利用 MATLAB中的simulink模塊對該控制方法進行了仿真驗證。從仿真結果可以看到，該方法能 夠很好的解決串聯多電平SVG各H橋模塊直流側電壓的穩定和均衡，相比於其他方法，具有 極好的可靠性和易實現性，為該結構SVG在高壓大容量場合的工程應用提供了很好的參考 價值。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施方式
僅限於此，對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫 離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬於本發明由所 提交的權利要求書確定專利保護範圍。
權利要求
1.一種基於移相多繞組整流變壓器的串聯多電平SVG拓撲結構，其特徵在於包括三相串聯多電平結構逆變器、3 Xη個三相二極體整流橋和一個移相多繞組整流變壓器；所述三相串聯多電平結構逆變器通過三個進線電感與三相電網相接；所述三相串聯多 電平結構逆變器的各相由η個擁有獨立直流側電容的H橋模塊串聯構成，H橋模塊數量η根 據電網電壓等級確定，取η > 4/Ud。，其中 為電網電壓幅值，ud。為每個H橋模塊的直流側 電容電壓期望值；所述3 X η個三相二極體整流橋將直流側輸出端接於各個獨立的H橋模塊直流側電容， 用以為其充電；所述移相多繞組整流變壓器的原邊直接接於高壓電網，而移相多繞組整流變壓器的 3Χη個副邊繞組輸出端分別與相對應的二極體整流橋交流輸入端相連接；輸出側繞組相 互錯開一定角度；移相多繞組整流變壓器的變比N由電網電壓等級和所需H橋模塊直流側 電壓等級決定，取N > e/ (udc/2. 34)，其中e為電網電壓相電壓有效值，Udc為每個H橋模塊 的直流側電容電壓期望值。
2.如權利要求1所述一種基於移相多繞組整流變壓器的串聯多電平SVG拓撲結構，其 特徵在於三相串聯多電平結構逆變器並聯連接在三相電網Grid和非線性負載NL之間，三相串 聯多電平結構逆變器主電路結構主要包括3個進線電感La、Lb、Lc ；6個單相H橋模塊Hjk ； 1個移相多繞組整流變壓器，其中T1為變壓器原邊繞組，而Tjk為各副邊輸出繞組；6個三相 二極體整流橋DRjk ；其中j = a c，k = 1、2 ；進線電感La、Lb、Lc 一端串聯在A、B、C三相逆變器上，一端並聯在三相電網Grid和非 線性負載NL之間，其參數的選擇取決於電壓源型PWM變換器的開關頻率；單相H橋模塊由 各自的直流側儲能元件Cak C。k和H橋型電壓源逆變器VSIjk組成，直流側儲能元件Cak Cck中的k = 1、2，H橋型電壓源逆變器VSIjk中的j = a c，k = 1、2，其中直流側儲能元 件由電力電容器串並聯構成，而H橋型電壓源逆變器採用全控器件組成；三相二極體整流 橋由電力二極體構成；移相多繞組整流變壓器原邊接於三相高壓電網，副邊繞組各錯開一 定相位，並與相對應的二極體整流橋交流輸入端連接，變壓器變比由電網電壓等級和所需H 橋模塊直流側電壓等級決定。
3.如權利要求1所述串聯多電平SVG拓撲結構的控制方法，其特徵在於，按照如下步驟(1)通過電流傳感器檢測補償對象的三相負載電流；(2)在控制電路板中對檢測的負載電流進行變換，得到需要補償的各相電流成分；(3)通過鎖相環節運算得到三相電網電壓相位信息，將其與預定幅值信息相乘得到基 波、有功電流成分，該預設幅值信息定為SVG系統補償容量 3%相對應的基波有功電 流幅值；(4)將以上步驟( 和步驟( 得到的電流成分相疊加作為最終的控制指令，控制三相 逆變器的輸出電流。
4 如權利要求3所述串聯多電平SVG拓撲結構的控制方法，其特徵在於所述步驟(2) 中各相電流成分是指無功、諧波或不平衡。
5.如權利要求3所述串聯多電平SVG拓撲結構的控制方法，其特徵在於，所述步驟⑷ 是按照如下步驟檢測三相逆變器輸出電流，並將它與相應各相的控制指令做差，差值通過 比例積分環節調節後利用載波移相的調製方法產生相應的PWM信號，用以驅動各自模塊的 IGBT開關元件動作。
6.如權利要求3所述串聯多電平SVG拓撲結構的控制方法，其特徵在於，所述H橋型電 壓源逆變器採用全控器件IGBT和GTO組成。
全文摘要
本發明公開了一種基於移相多繞組整流變壓器的串聯多電平SVG拓撲結構和控制方法。該方法僅在添加簡易輔助電路的基礎上稍加修改控制程序，便可完全省去複雜的電壓環控制，並能夠可靠地控制串聯多電平SVG各單相全橋單元模塊直流側電壓恆定，確保系統在高壓大容量環境下有效運行。本發明通過小容量附加電路對串聯多電平SVG各直流側電容充電，並通過簡單的程序控制其電容電壓的穩定和均衡，有效可靠地解決了限制該結構SVG在高電壓大容量場合實際使用的關鍵問題，並且不會額外增加系統的電能消耗。該系統可應用於更高電壓的用電環境中，具有較為實際的工程應用價值。
文檔編號H02J3/18GK102136729SQ20111004227
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月22日 優先權日2011年2月22日
發明者卓放, 易皓, 熊連松 申請人:西安交通大學