基于新型模塊化多電平拓撲結構的無功補償裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及一種無功補償裝置，具體設及基于新型模塊化多電平換流器的無 功補償裝置，屬于高壓大功率無功補償技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著電力換流器及非線性負載的大量應用，在電網中產生了大量的無功及諧波。 利用STATCOM進行無功補償和諧波抑制，不僅能夠滿足電網節能、降損的要求，而且還有利 于電網供電質量的改善。
[0003] 目前，常見的多電平拓撲結構主要有S種：二極管錯位型、飛跨電容型W及H橋級 聯型。二極管錯位型和飛跨電容型結構，隨著電平數的增加，所需的開關器件和錯位電容數 量會大大增加，不利于實現更高電平的變換電路，而且電容電壓不易均衡，推廣應用受到限 制。H橋級聯結構，當S相輸出的電流不均衡時，橋臂間不能傳遞有功能量，難W實現S相模 塊間的電容電壓平衡。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的是為了解決現有技術在高壓大功率領域補償受限W及對環流 的抑制能力不足的問題。
[0005] 本實用新型的技術方案是：基于新型模塊化多電平拓撲結構的無功補償裝置，包 括=相交流電源、阻感負載、換流器、控制電路、信號檢測電路和驅動電路，所述換流器包括 =個結構相同并聯連接的橋臂，每個橋臂包括關于橋臂中點對稱且串聯連接的上橋臂和下 橋臂，所述上橋臂包括相互串聯的電感、若干半橋單元和一個H橋單元，上橋臂的電感與下 橋臂的電感串聯連接，換流器=個橋臂的中點通過導線并聯接在=相交流電源和阻感負載 之間，信號檢測電路的輸入端分別連接=相交流電源的輸出端、阻感負載的輸入端、換流器 的輸出端、換流器立個橋臂、換流器的每個半橋單元和H橋單元，信號檢測電路的輸出端連 接控制電路的輸入端，控制電路的輸出端通過驅動電路與換流器建立連接。
[0006] 所述控制電路包括載波移相控制器、第一控制單元和第二控制單元，第一控制單 元的輸出端和第二控制單元的輸出端均與載波移相控制器建立連接，所述第一控制單元包 括第一比較器、第二比較器、第=比較器、第四比較器、第五比較器、第一PI控制器、第二PI 控制器、第=PI控制器、第一坐標轉換器、第二坐標轉換器、第一電抗器和第二電抗器，第 一比較器、第一PI控制器、第二比較器、第二PI控制器和第=比較器依次串聯后接入第一 坐標變換器，第四比較器、第=PI控制器和第五比較器依次串聯后接入第一坐標轉換器， 第一坐標轉換器的輸出端連接載波移相控制器，載波移相控制器的輸出端連接驅動電路， 所述換流器的輸出端連接第二坐標變換器，第二坐標變換器的第一輸出端分別連接第二比 較器和第二電抗器，第二電抗器的輸出端連接第=比較器，第二坐標變換器的另一輸出端 分別連接第四比較器和第一電抗器，第一電抗器的輸出端連接第五比較器，采用兩個并行 的控制器對換流器的功率模塊和全橋模塊分別進行控制，提高了系統的控制效率，使系統 運行更加穩定，第一控制單元用于控制換流器的功率模塊部分，第一控制單元在控制換流 器負載電流的同時對換流器的功率模塊的電容電壓進行平衡控制。
[0007] 所述第二控制單元包括第六比較器、第屯比較器、第八比較器、第九比較器、第一 比例控制器、第二比例控制器、第四PI控制器、第五PI控制器和函數模塊，第六比較器、 第一比例控制器、第屯比較器、第四PI控制器和第二比例控制器依次串聯后接入第九比較 器，第八比較器、第五PI控制器和函數模塊依次串聯后接入第九比較器，第九比較器的輸 出端連接所述載波移相控制器，通過控制全橋模塊的輸出電壓來控制環流，即通過采用合 理的控制策略，在全橋模塊中插入適當的電壓可W抑制環流，通過獨立的控制單元不僅抑 制環流，同時實現了對全橋模塊電容電壓的均衡控制。
[0008] 所述控制電路包括DSP模塊和FPGA模塊，DSP模塊的輸出端連接FPGA模塊，FPGA 模塊的輸出端連接驅動電路，所述第一控制單元和第二控制單元集成在DSP模塊內，所述 載波移相控制器集成在FPGA模塊內，采用DSP+FPGA的控制方式，DSP作為運算和控制部分， FPGA用來產生PWM波，運樣大大提高了控制、運算速度，降低了整個裝置的響應時間。
[0009] 所述基于新型模塊化多電平拓撲結構的無功補償裝置包括過零檢測電路，所述過 零檢測電路包括電壓傳感器、比較電路和光禪，電壓傳感器的輸入端連接=相交流電源的 輸出端，電壓傳感器的輸出端連接比較電路的輸入端，比較電路的輸出端通過光禪接入DSP 模塊，使無功補償裝置實現了對電網電壓的鎖相過程。
[0010] 所述信號檢測電路包括電流檢測及調理電路，所述電流檢測及調理電路包括電流 傳感器和光禪忍片，電流傳感器的輸出端連接光禪忍片，減少電流采樣環節引起的滯后和 提高檢測信號的抗干擾能力。
[0011] 所述驅動電路包括電平轉換電路和驅動忍片，電平轉換電路的輸入端為驅動電路 的輸入端，電平轉換電路的輸出端連接驅動忍片，驅動忍片的輸出端為驅動電路的輸出 JLjJU 乂而。
[0012] 所述基于新型模塊化多電平拓撲結構的無功補償裝置的控制方法，具體包括：采 用基于瞬時無功功率理論的ip-iq電流檢測法對電流進行檢測；對半橋單元和全橋單元分 別進行控制，得到PWM控制信號，定義半橋單元為功率模塊，全橋單元為全橋模塊，所述功 率模塊的控制包括對功率模塊的電容均壓控制和基于前饋解禪的電壓電流雙閉環控制，全 橋模塊的控制包括對全橋模塊電容電壓均衡和整個無功補償裝置的環流的抑制控制。
[0013] 所述電容均壓控制包括相間電壓平衡控制和獨立電壓平衡控制，所述相間電壓平 衡控制為：電壓外環是使每相2N個功率模塊電容電壓的平均值C?。:與功率模塊電容電壓的 給定值UfW作差，經PI調節后與該相的環流作差，經電流環比例調節后作為平均電壓控制 的指令信號，定義為Ua，，其中，j=a，b，c，所述氏與環流itu的表達式分別為：
[0016] 獨立電容電壓平衡控制為：檢測每相上、下橋臂功率模塊的電容電壓1]。，1，將其與 功率模塊的電容電壓的給定值Uref相比較，經比例調節，再與相應的橋臂電流相乘，經過符 號函數的修正，得到每相上、下橋臂獨立電壓平衡控制的指令1?,和Uew。采用電容電壓分 級控制策略，確保各模塊電容電壓均衡，實現了良好的無功補償、穩壓、均壓W及環流抑制 效果。
[0017] 所述基于前饋解禪的電壓電流雙閉環控制的前饋解禪控制策略為：
[001引其中，XI，X2為中間變量，Ki、K2為比例系數，T1，Tz為積分系數，id和iq分別為換流 器輸出的dq坐標軸的電流分量，i/和i。"^^別為負載中的有功電流分量和無功電流分量；
[0020] 所述電壓電流雙閉環控制包括：將給定直流電壓UfW與換流器直流側電容電壓進 行比較，經電壓PI調節，其輸出作為有功電流的給定值i/，負載電流經坐標變換、取反處理 得到無功電流給定值iq%將換流器輸出的S相電流i3b。經坐標變換得到id和i。，將id和iq 分別與id*、iq*進行比較，經電流環PI調節，得到期望的輸出電壓Ved、V。。;對Ved、V。巧行逆 變換得到靜止坐標系下的=相調制波，將該=相調制波與載波移相控制器產生的=角載波 比較后得到PWM控制信號。
[0021] 所述全橋模塊電容電壓均衡過程包括：每一相上、下橋臂全橋模塊電容電壓的給 定值Vh,Uf與全橋模塊的實際電容電壓進行比較，經PI控制器，其輸出乘W該橋臂電流的符 號函數后，將生成的全橋子模塊電壓給定值Vf,f。:與=角載波比較后得到PWM波，其中，r= P，N，驅動全橋模塊中相應的功率開關管，對全橋子模塊的電容進行充放電控制，實現全橋 模塊電容電壓的均衡；
[0022] 所述環流抑制過程包括：將每一相環流分別與環流的參考值進行比較，此時環流 的參考值id。/%得到的結果通過一個比例控制器形成一個全橋模塊的電壓調整信 號，將運個電壓調整信號平均分成2份，分別加在該相上、下橋臂全橋模塊的電壓信號上。 針對=相間的環流問題，提出了一種增加H橋模塊的新型拓撲結構，通過獨立的控制單元， 實現對環流的有效抑制。
[0023] 本實用新型與現有技術相比具有W下效果：本實用新型不但能補償電網無功，解 決系統=相不平衡問題，還有支撐電網電壓、抑制環流的作用，所述信號檢測單元檢測電網 S相電壓、負載側S相電流、換流器輸出的S相反饋電流、直流側各模塊的電容電壓W及S 相的橋臂電流，然后，將檢測到反饋量在控制電路中進行運算和調節，得到PWM控制信號； 最后，將控制信號進行功放W驅動換流器的各個模塊中功率開關管，使換流器輸出相應的 補償電流，實現無功補償。本實用新型設計的新型拓撲中每相上、下橋臂各加入了 1個H橋 單元，運樣整個=相系統中的H橋單元共有6個。換流器由半