星形级联H桥STATCOM关键技术研究

发布时间：2020-09-03 14:12

　　随着科技与现代工业的不断发展,越来越多的非线性、冲击性以及不平衡负荷接入电网,引起了电网电压波动、闪变、不平衡甚至剧烈振荡导致系统崩溃。为了提高电网电能质量与电力系统的稳定性,级联H桥变换器因其具有结构模块化、器件少、易于扩展、输出谐波特性好以及冗余程度高等优点被应用到中高压STATCOM中。为了提高级联H桥STATCOM装置的补偿性能,本文针对星形连接结构的级联H桥STATCOM若干关键技术进行深入的研究,具体如下:首先,为了探索基于负序或零序电压注入的相间直流电压均衡控制,建立级联H桥STATCOM输入有功功率模型。传统的有功功率模型基于正负序分量分离建立在abc或dq0坐标系上,然而功率模型中含有大量的三角函数,不够直观且为非线性,很难探索出负序电压或零序电压的调节策略。为了消除三角函数,提出了完全在dq坐标系上建立功率模型。不仅将正序与负序分量转换到dq坐标系上,而且通过引入滞后90~°的零序分量,结合Park变换,将零序电压也转换到dq坐标系上。由此得到了直流形式且线性直观的有功功率模型。不仅如此,还根据建立的有功功率模型,揭示了在无相间直流电压均衡控制的基础上相间直流电压的自稳定特性,并进一步分析自稳定后三相直流电压的偏差值与电流环带宽的关系。通过仿真与实验验证了星形级联H桥STATCOM相间直流电压的自稳定特性。然后,为了简化传统的相间直流电压均衡控制算法,本文利用各变量在dq坐标系上的直流表达形式与线性的有功功率模型,提出了直接通过PI调节器根据相间直流电压的偏差值自动调节出所需的控制量,即负序电压或零序电压。该控制方法无需利用三相不平衡的有功功率间接计算控制量,避免了复杂的反三角函数运算与开根号运算,大大地节约了控制器的计算资源。不仅如此,依据线性有功功率模型,还提出了电网电压不平衡下相间直流电压的前馈控制,提高动态性能。进一步,为了保证STATCOM在电网电压不平衡下安全工作,基于前馈控制,通过建立电网负序电压与STATCOM输出最大电压的关系,得到了STATCOM工作在线性调制前提下电网负序电压的范围。通过仿真与实验验证了相间直流电压均衡控制算法与适用范围。其次,为了解决电网电压不平衡下存在负序电流的问题,本文在保持三相调制电压平衡且调制比不变的基础上,提出三相直流电压偏离的方法来应对不平衡的电网电压。通过对STATCOM输出电压正负序分离发现,电网电压的正序分量取决于三相直流电压的平均值,电网电压的负序分量取决于三相直流电压的偏差值。由此,可以推导出三相直流电压。为了保持三相直流电压的稳定,提取出由三相直流电压偏差所产生的零序电压。根据有功功率分配分析,发现级联H桥STATCOM输出的负序电压与零序电压分别与输出正序电流作用产生的有功功率相互抵消,这意味着三相直流电压具有自然稳定的特性,故无需额外增加负序电流重新分配三相有功功率。为了控制三相直流电压在安全范围之内,推导了不平衡电网电压与三相直流电压的关系,据此提出三相直流电压的限制算法。通过仿真与实验验证了所提出的电网电压不平衡下相间直流电压偏离控制策略的有效性。最后,在STATCOM补偿负序电流时,本文利用零序电压在dq坐标系上的直流表达形式,提出了一种简便的相间直流电压均衡策略,该策略无需复杂的三角函数运算与开根号运算,可大大的节省控制器的资源。借助于各变量在dq坐标系上的直流表达形式,建立了负序电流与STATCOM输出最大电压的关系,由此得到了负序电流的精确补偿范围。同时提出了负序电流的限制算法可快速的减小位于补偿范围之外的负序电流,使其位于补偿范围之内且靠近补偿范围边界,不仅保证系统的稳定性,而且尽量多的补偿不平衡负载。通过仿真与实验验证了所提出的星形级联H桥STATCOM负序电流补偿控制策略的有效性。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM46
【部分图文】：

框图,框图,接入电网,电能质量

着科学技术不断发展的同时产生电能质量问题[1]。在配电系冲击性负荷（如电力机车、大型轧钢机与电弧炼钢炉等），向电流，造成了电网电压偏差、电压波动与闪变、三相电压与为了克服能源短缺问题与保护生态环境，越来越多的绿色能以分布式电源的形式接入电网，使得电网结构变得更加复杂峻的挑战[3]。同时，在自动化生产线、计算机系统、医疗行备的广泛使用对电能质量提出了更高的要求[4]。因此，提供经济发展具有重要意义[5]。者 N. G. Hingorani 提出了柔性交流输电系统（FACTS）的概关键节点处安装电力电子装置，对电力系统中电网电压幅值灵活的调节，合理地分配与输送有功或无功功率，降低输电统的安全性、可靠性与灵活性。近年来，随着电力电子技术快速发展与日益成熟，FACTS 装置的可靠性不断地提高，成本面发挥着重要的作用。FACTS 的装置按照接入电网中的方式装置以及综合补偿装置，具体分类如图 1.1 所示。

波形,功率开关器件,串联技术,技术功

多个功率开关器件串联在一ABB 公司于 1999 年在瑞典该装置采用基于 IGBT 串联基于 IGBT 串联技术的中高一致性，导致各器件在静态题，要求各器件的驱动信号保获得高质量的电压电流波形而且增加了系统的成本[21]。过移相变压器将多个方波逆压波形的质量，降低了滤波构。1980 年日本三菱电机公 77kV/±20Mvar STATCOM[出通过移相变压器合成具有研发并投运了 161kV/±100M

拓扑结构图,多电平变换器,电平,拓扑结构

975 年被美国麻省理工学者 R.H.Bak988 年意大利学者 M.Marchesoni 等人一个 H 桥变换器为一个基本单元，将电压的叠加[32]。五电平级联 H 桥变换器件与 2 个直流电容。据此可推断，分别为 2(n-1)与(n-1)/2。相比于 NPC管与飞跨电容，需要更少的器件。然母线传递有功功率，需要配备很多个电容器支撑直流电压与承受无功功率

【参考文献】