專利名稱：一種基于移相多繞組整流變壓器的串聯(lián)多電平svg拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電網(wǎng)電能質(zhì)量治理研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于移相多繞組整流變壓 器的串聯(lián)多電平SVG(Static Var Generator)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。
背景技術(shù)：
SVG是一種由電壓型逆變橋和進(jìn)線電感構(gòu)成功率電路的電力電子裝置，用以治理 配電網(wǎng)絡(luò)中存在的諧波電流和無功電流等電能質(zhì)量問題。由于其優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性 能，SVG得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。串聯(lián)型多電逆變器采用多個(gè)單相H橋電路串聯(lián)夠成，通過開關(guān)管的不同組合輸出 多個(gè)電平，最后再將各個(gè)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(jié)構(gòu)，可以任意擴(kuò)展到η電平；且相較其他多電平結(jié)構(gòu)在相同電平數(shù)時(shí)所需器件數(shù)最少；此 外，還省去了笨重的變壓。這種結(jié)構(gòu)的逆變器大大減少了單個(gè)開關(guān)元件的電壓應(yīng)力，減小了 所需的開關(guān)頻率，且顯著提升了輸出波形質(zhì)量，特別適用于高電壓大容量的用電場(chǎng)合。將這種串聯(lián)多電平逆變器結(jié)構(gòu)用于SVG系統(tǒng)中，可以使電能質(zhì)量治理技術(shù)有效地 引入到了高電壓大容量的用電場(chǎng)合，大大拓寬和增強(qiáng)了 SVG的性能和使用范圍。由于SVG主要輸出諧波和無功電流，理論上并不輸出有功電流，逆變器直流側(cè)一 般采用大電容維持電壓穩(wěn)定。但對(duì)于串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的SVG，由于不同模塊的并聯(lián)損耗、開 關(guān)損耗、開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖之間的微小差異等雜散參數(shù)以及用電環(huán)境的波動(dòng)都會(huì)造成直 流側(cè)電容電壓的波動(dòng)和差異化，威脅系統(tǒng)的安全、有效運(yùn)行。如何有效地穩(wěn)定且平衡各模塊 直流側(cè)電壓，已經(jīng)成為能否將串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)SVG實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵所在。針對(duì)串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)SVG直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和平衡問題，人們目前主要從軟件控 制角度考慮，其思想是通過軟件微調(diào)各開關(guān)管動(dòng)作，以保證有功充電電流的合理分配。這種 方法需要檢測(cè)所有直流側(cè)電容電壓，建立在高精度的檢測(cè)環(huán)節(jié)、精確的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)和復(fù)雜 的控制程序基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可靠性差，現(xiàn)階段還無法實(shí)際使用在高壓大容量的用電環(huán)境中。本 發(fā)明則通過添加小容量輔助電路配合簡(jiǎn)單的控制程序來實(shí)現(xiàn)各直流側(cè)動(dòng)容電壓的恒定，無 需復(fù)雜脆弱的電壓環(huán)控制。該方法省去了大量高精度檢測(cè)元件，簡(jiǎn)化了控制程序和調(diào)節(jié)器 設(shè)計(jì)，并大大提高了系統(tǒng)的可靠性和易實(shí)現(xiàn)性，從而促使串聯(lián)多電平SVG可靠的應(yīng)用于高 壓大容量場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于移相多繞組整流變壓器的串聯(lián)多電平SVG拓?fù)?結(jié)構(gòu)和控制方法。該方法僅在添加簡(jiǎn)易輔助電路的基礎(chǔ)上稍加修改控制程序，便可完全省 去復(fù)雜的電壓環(huán)控制，并能夠可靠地控制串聯(lián)多電平SVG各單相全橋單元模塊直流側(cè)電壓 恒定，確保系統(tǒng)在高壓大容量環(huán)境下有效運(yùn)行。本發(fā)明技術(shù)方法主要從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。
1)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)a)三相串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器，通過三個(gè)進(jìn)線電感與三相電網(wǎng)相接；逆變器各相 由η個(gè)擁有獨(dú)立直流側(cè)電容的H橋模塊串聯(lián)構(gòu)成，模塊數(shù)量η根據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)確定，一般 取η > ^/ud。，其中 為電網(wǎng)電壓幅值，Udc為每個(gè)H橋模塊的直流側(cè)電容電壓期望值；b)3Xn個(gè)三相二極管整流橋，將直流側(cè)輸出端接于各個(gè)獨(dú)立的H橋模塊直流側(cè)電 容，用以為其充電；c) 一個(gè)移相多繞組整流變壓器，其原邊直接接于高壓電網(wǎng)，而3Xn個(gè)副邊繞組輸 出端分別與相對(duì)應(yīng)的二極管整流橋交流輸入端相連接；輸出側(cè)繞組相互錯(cuò)開一定角度以減 小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；變壓器變比N由電網(wǎng)電壓等級(jí)和所需H橋模塊直流側(cè)電壓等級(jí)決定， 一般取N > e/ (udc/2. 34)，其中e為電網(wǎng)電壓相電壓有效值，Udc為每個(gè)H橋模塊的直流側(cè) 電容電壓期望值。2)控制方法a)通過電流傳感器檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的三相負(fù)載電流；b)在控制電路板中對(duì)檢測(cè)的負(fù)載電流進(jìn)行瞬時(shí)無功變換，得到需要補(bǔ)償?shù)母飨嚯?流成分——無功、諧波、不平衡等；c)通過鎖相環(huán)節(jié)運(yùn)算得到三相電網(wǎng)電壓相位信息，將其與預(yù)定幅值信息相乘得到 基波有功電流成分(該預(yù)設(shè)幅值信息定為SVG系統(tǒng)補(bǔ)償容量 3%相對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)方法是檢測(cè)三相逆變器輸出電流，并將它與相應(yīng)各相的控制指令 做差，差值通過比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后利用載波移相的調(diào)制方法產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)，用以 驅(qū)動(dòng)各自模塊的IGBT開關(guān)元件動(dòng)作。本發(fā)明通過小容量附加電路對(duì)串聯(lián)多電平SVG各直流側(cè)電容充電，并通過簡(jiǎn)單的 程序控制其電容電壓的穩(wěn)定和均衡，有效可靠地解決了限制該結(jié)構(gòu)SVG在高電壓大容量場(chǎng) 合實(shí)際使用的關(guān)鍵問題，并且不會(huì)額外增加系統(tǒng)的電能消耗。此外，通過搭建2模塊串聯(lián)多 電平SVG仿真模型，對(duì)這種控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證實(shí)了該方法的正確性和可靠性。仿 真中僅搭建了 2模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)際中可同理擴(kuò)展至任意模塊串聯(lián)，從而將該系統(tǒng)應(yīng)用于 更高電壓的用電環(huán)境中，具有較為實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明所介紹基于移相多繞組整流變壓器的串聯(lián)多電平SVG主電路拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明所介紹系統(tǒng)的控制框圖；圖3采用圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但不采用圖2中基波控制部分時(shí)的H橋模塊直流側(cè) 電壓仿真波形；其中，(a)為各模塊直流側(cè)電壓平均值的仿真波形；(b)為A相兩個(gè)H橋模 塊直流側(cè)電壓ud。al和ud。a2的仿真波形；圖4采用本發(fā)明介紹的方法，即圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和圖2所示控制思路時(shí)H橋模 塊直流側(cè)電壓；其中，(a)為各模塊直流側(cè)電壓平均值的仿真波形；(b)為A相兩第一個(gè)H橋 模塊直流側(cè)電壓ud?！猘l的仿真波形；(c)為A相兩第二個(gè)H橋模塊直流側(cè)電壓ud?！猘2的仿真波形；圖5本發(fā)明介紹該方法下整個(gè)串聯(lián)多電平SVG運(yùn)行補(bǔ)償效果的仿真波形，圖中(a) 為波形分別為畸變的負(fù)載電流(b)為補(bǔ)償后得到的電網(wǎng)電流；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述參見圖1-5，兩H橋模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖所示，根據(jù)相同原理，可 將串聯(lián)模塊數(shù)量擴(kuò)展至任意個(gè)，以適用于更高的電壓等級(jí)下。圖中串聯(lián)多電平SVG連接在 三相電網(wǎng)Grid和非線性負(fù)載NL之間，其主電路結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)進(jìn)線電感La、Lb、Lc ；6 個(gè)單相H橋模塊！^ ；1個(gè)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(gè)三相二極管整流橋DRjk ；其中(j = a c，k = 1、2)。進(jìn)線電感La、Lb、Lc 一端串聯(lián)在A、B、C三相逆變器上，一端并聯(lián)在三相電網(wǎng)Grid 和非線性負(fù)載NL之間，其參數(shù)的選擇主要取決于電壓源型PWM變換器的開關(guān)頻率；單相H 橋模塊由各自的直流側(cè)儲(chǔ)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(cè)儲(chǔ)能元件一般由電力電容器串并聯(lián)構(gòu)成，而H橋型電壓源逆 變器采用全控器件如IGBT、GT0等組成；三相二極管整流橋由電力二極管構(gòu)成；移相多繞組 整流變壓器原邊接于三相高壓電網(wǎng)，副邊繞組各錯(cuò)開一定相位，并與相對(duì)應(yīng)的二極管整流 橋交流輸入端連接，變壓器變比由電網(wǎng)電壓等級(jí)和所需H橋模塊直流側(cè)電壓等級(jí)決定。(圖 1中為簡(jiǎn)潔明了，變壓器原邊T1被多次繪出)三相電網(wǎng)電壓記為ea、q、e。；三相網(wǎng)側(cè)電流記為is，即isa、isb、is。；串聯(lián)多電平SVG 的6個(gè)單相全橋單元模塊直流側(cè)電壓分別記為 Udc_al，Udc_a2，Udc_bl ‘ Udc_b2，Udc_cl，Udc_c2 ；串聯(lián)多 電平SVG輸出的三相補(bǔ)償電流記為ic，S卩 Μ、 、‘ ；三相負(fù)載電流記為iy即ila、ilb、ilc。圖2是本發(fā)明中的串聯(lián)多電平SVG系統(tǒng)控制框圖。圖中包括有功控制部分、指令 計(jì)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(diào)制部分。其中第 一部分為本發(fā)明創(chuàng)新重點(diǎn)，而其他部分為常規(guī)控制方法，可以看出本發(fā)明所介紹的方法只 需對(duì)現(xiàn)有程序進(jìn)行微小修改，簡(jiǎn)單易行?，F(xiàn)對(duì)各控制部分分別進(jìn)行說明。指令計(jì)算部分，主要通過瞬時(shí)無功算法計(jì)算出三相負(fù)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，主要用于控制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(wǎng)電壓對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高系統(tǒng)精度和性 能；PWM調(diào)制部分，對(duì)于串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)變換器，比較可靠使用的方法是采用移相載波 的調(diào)制方法得到控制各開關(guān)器件的PWM脈沖；有功控制部分，結(jié)合本發(fā)明拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)?chuàng)新部分，在指令計(jì)算部分得到電流
指令的基礎(chǔ)上，對(duì)其d軸分量疊加一預(yù)定值常量ζ，該常量反映在SVG輸出電流中表現(xiàn)為
與電網(wǎng)電壓同相的基波有功電流。這使得SVG在輸出諧波、無功等補(bǔ)償電流成分的同時(shí) 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(wǎng)——變壓器——二極管整流 橋——逆變器——電網(wǎng)，，的回路方向流動(dòng)，使得各H橋模塊直流側(cè)電壓穩(wěn)定且均衡。此外，從有功電流流動(dòng)回路可以看出，這種控制思想除補(bǔ)償雜散損耗引起的充電電流外，其余部 分仍流回電網(wǎng)，不會(huì)造成多余損耗?？刂戚敵龅挠泄﹄娏骺梢院苄。话愣橄到y(tǒng)容量的
3%，所疊加的預(yù)定值常量ζ即為與之相對(duì)應(yīng)的基波有功電流幅值。圖3、4、5分別給出了直接將串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)用于SVG時(shí)，添加圖1中輔助電路但 未采用圖2中控制方法時(shí)以及采用圖1結(jié)構(gòu)和圖2控制方法時(shí)的仿真波形，圖中分別顯示 了各模塊直流側(cè)電壓平均值波形和A相兩個(gè)H橋模塊直流側(cè)電壓ud。al和ud。a2波形以及采 用本發(fā)明方法的系統(tǒng)不暢效果波形?？梢钥闯鲈摲椒梢院芎玫胤€(wěn)定各H橋—模塊直流側(cè)電 壓，保證整個(gè)串聯(lián)多電平SVG有效可靠地運(yùn)行。本發(fā)明中給出了 一種實(shí)用的串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法。并利用 MATLAB中的simulink模塊對(duì)該控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果可以看到，該方法能 夠很好的解決串聯(lián)多電平SVG各H橋模塊直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和均衡，相比于其他方法，具有 極好的可靠性和易實(shí)現(xiàn)性，為該結(jié)構(gòu)SVG在高壓大容量場(chǎng)合的工程應(yīng)用提供了很好的參考 價(jià)值。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施方式
僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫 離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于移相多繞組整流變壓器的串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于包括三相串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器、3 Xη個(gè)三相二極管整流橋和一個(gè)移相多繞組整流變壓器；所述三相串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器通過三個(gè)進(jìn)線電感與三相電網(wǎng)相接；所述三相串聯(lián)多 電平結(jié)構(gòu)逆變器的各相由η個(gè)擁有獨(dú)立直流側(cè)電容的H橋模塊串聯(lián)構(gòu)成，H橋模塊數(shù)量η根 據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)確定，取η > 4/Ud。，其中 為電網(wǎng)電壓幅值，ud。為每個(gè)H橋模塊的直流側(cè) 電容電壓期望值；所述3 X η個(gè)三相二極管整流橋?qū)⒅绷鱾?cè)輸出端接于各個(gè)獨(dú)立的H橋模塊直流側(cè)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于高壓電網(wǎng)，而移相多繞組整流變壓器的 3Χη個(gè)副邊繞組輸出端分別與相對(duì)應(yīng)的二極管整流橋交流輸入端相連接；輸出側(cè)繞組相 互錯(cuò)開一定角度；移相多繞組整流變壓器的變比N由電網(wǎng)電壓等級(jí)和所需H橋模塊直流側(cè) 電壓等級(jí)決定，取N > e/ (udc/2. 34)，其中e為電網(wǎng)電壓相電壓有效值，Udc為每個(gè)H橋模塊 的直流側(cè)電容電壓期望值。
2.如權(quán)利要求1所述一種基于移相多繞組整流變壓器的串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其 特征在于三相串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器并聯(lián)連接在三相電網(wǎng)Grid和非線性負(fù)載NL之間，三相串 聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逆變器主電路結(jié)構(gòu)主要包括3個(gè)進(jìn)線電感La、Lb、Lc ；6個(gè)單相H橋模塊Hjk ； 1個(gè)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(gè)三相 二極管整流橋DRjk ；其中j = a c，k = 1、2 ；進(jìn)線電感La、Lb、Lc 一端串聯(lián)在A、B、C三相逆變器上，一端并聯(lián)在三相電網(wǎng)Grid和非 線性負(fù)載NL之間，其參數(shù)的選擇取決于電壓源型PWM變換器的開關(guān)頻率；單相H橋模塊由 各自的直流側(cè)儲(chǔ)能元件Cak C。k和H橋型電壓源逆變器VSIjk組成，直流側(cè)儲(chǔ)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(cè)儲(chǔ)能元 件由電力電容器串并聯(lián)構(gòu)成，而H橋型電壓源逆變器采用全控器件組成；三相二極管整流 橋由電力二極管構(gòu)成；移相多繞組整流變壓器原邊接于三相高壓電網(wǎng)，副邊繞組各錯(cuò)開一 定相位，并與相對(duì)應(yīng)的二極管整流橋交流輸入端連接，變壓器變比由電網(wǎng)電壓等級(jí)和所需H 橋模塊直流側(cè)電壓等級(jí)決定。
3.如權(quán)利要求1所述串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，按照如下步驟(1)通過電流傳感器檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的三相負(fù)載電流；(2)在控制電路板中對(duì)檢測(cè)的負(fù)載電流進(jìn)行變換，得到需要補(bǔ)償?shù)母飨嚯娏鞒煞郑?3)通過鎖相環(huán)節(jié)運(yùn)算得到三相電網(wǎng)電壓相位信息，將其與預(yù)定幅值信息相乘得到基 波、有功電流成分，該預(yù)設(shè)幅值信息定為SVG系統(tǒng)補(bǔ)償容量 3%相對(duì)應(yīng)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(quán)利要求3所述串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于所述步驟(2) 中各相電流成分是指無功、諧波或不平衡。
5.如權(quán)利要求3所述串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，所述步驟⑷ 是按照如下步驟檢測(cè)三相逆變器輸出電流，并將它與相應(yīng)各相的控制指令做差，差值通過 比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后利用載波移相的調(diào)制方法產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)各自模塊的 IGBT開關(guān)元件動(dòng)作。
6.如權(quán)利要求3所述串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，所述H橋型電 壓源逆變器采用全控器件IGBT和GTO組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于移相多繞組整流變壓器的串聯(lián)多電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。該方法僅在添加簡(jiǎn)易輔助電路的基礎(chǔ)上稍加修改控制程序，便可完全省去復(fù)雜的電壓環(huán)控制，并能夠可靠地控制串聯(lián)多電平SVG各單相全橋單元模塊直流側(cè)電壓恒定，確保系統(tǒng)在高壓大容量環(huán)境下有效運(yùn)行。本發(fā)明通過小容量附加電路對(duì)串聯(lián)多電平SVG各直流側(cè)電容充電，并通過簡(jiǎn)單的程序控制其電容電壓的穩(wěn)定和均衡，有效可靠地解決了限制該結(jié)構(gòu)SVG在高電壓大容量場(chǎng)合實(shí)際使用的關(guān)鍵問題，并且不會(huì)額外增加系統(tǒng)的電能消耗。該系統(tǒng)可應(yīng)用于更高電壓的用電環(huán)境中，具有較為實(shí)際的工程應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)H02J3/18GK102136729SQ20111004227
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者卓放, 易皓, 熊連松 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)