一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，包括直接通過連接電感并聯(lián)在公共節(jié)點的STATCOM系統(tǒng)，所述STATCOM系統(tǒng)包括橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C和橋臂相D；本發(fā)明專利技術(shù)基于MMC拓撲，但消除了MMC的直流母線電壓，消除了直流側(cè)公共母線短路的隱患，提高了裝置的安全性；使用低壓小容量電容抑制了橋臂相上、下橋臂電容電壓的低頻脈動，從而促成使用更小的子模塊電容，降低了系統(tǒng)成本且減小了裝置體積；由緩沖電感替代開關(guān)器件橋臂相，電容和開關(guān)器件數(shù)目降為常規(guī)結(jié)構(gòu)的3/4，從而顯著減低裝置成本和體積，降低了系統(tǒng)損耗；且本發(fā)明專利技術(shù)的相橋臂的應(yīng)用不僅僅局限于無功補償?shù)膽?yīng)用場合，能夠替代現(xiàn)有采用級聯(lián)H橋多電平拓撲裝置的相橋臂。

A STATCOM device based on modular multilevel capacitor voltage ripple suppression

The invention provides a STATCOM device based on modular multilevel voltage ripple suppression capacitors, including direct connected parallel inductor in STATCOM system by the common node, the STATCOM system includes bridge arm phase A, phase B, bridge arm bridge arm bridge arm phase C and phase D; the invention is based on the MMC topology, but the elimination of the DC bus voltage of MMC, to eliminate the short circuit common bus DC potential, improve the security device; using low voltage small capacitor suppressed low-frequency pulse bridge arm upper and lower bridge arm voltage, which led to the use of smaller sub module capacitance, reduces system cost and reduces the volume of the device by the inductive switch device; buffer replacement bridge phase, capacitor and switch device number dropped to 3/4 of the conventional structure, thereby significantly reducing device cost and volume, reduces the power consumption of the system; and the invention of the bridge The application of arm is not limited to the application of reactive power compensation. It can replace the existing phase bridge arm with cascaded H bridge multilevel topology device.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置
本專利技術(shù)涉及電力電子柔性輸電設(shè)備
，具體涉及一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置。
技術(shù)介紹
工業(yè)交流電弧爐、電氣化鐵路等大量不平衡工業(yè)負荷與單相大容量負荷的存在，以及電力電子裝置的廣泛使用，給電力系統(tǒng)帶來了大量的無功電流和負序電流，不僅增加了損耗，而且危害電力設(shè)備。在此背景下，由于電力電子技術(shù)能夠參與維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行及潮流分布，日益成為電力系統(tǒng)補償和調(diào)節(jié)的重要技術(shù)手段。靜止同步補償器(StaticSynchronousCompensator:STATCOM)是電力電子裝置參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)的主要應(yīng)用之一。STATCOM可被看作一個可控獨立電壓源，視應(yīng)用場合可以進行無功功率補償、接入點電壓調(diào)節(jié)、諧波抑制等，以提高公共接入點(PCC)的電能質(zhì)量，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著用戶對電能質(zhì)量要求的逐步提高，STATCOM開始受到越來越多的關(guān)注和研究。基于傳統(tǒng)兩電平PWM工作方式的STATCOM系統(tǒng)，受單個功率器件耐壓的限制無法應(yīng)用到中高壓領(lǐng)域，受單個器件開關(guān)頻率的限制，其輸出端一般需要笨重的無源濾波器才能接入電網(wǎng)。而模塊化多電平是用低壓功率器件實現(xiàn)高壓大功率變換的技術(shù)，它的模塊化設(shè)計、使用低壓開關(guān)器件、輸出波形質(zhì)量好等眾多優(yōu)點被認為非常適合應(yīng)用在中、高壓大功率的電能質(zhì)量調(diào)控的場合。其基本原理是使用多個相同結(jié)構(gòu)的基本變換器單元串聯(lián)，實現(xiàn)等數(shù)目電平的階梯輸出電壓來逼近正弦電壓波形，并已在工業(yè)領(lǐng)域成功應(yīng)用。基于模塊化多電平(簡稱“MMC”)的STATCOM在學術(shù)界已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和研究，且授權(quán)公告號CN201774259U一種基于MMC的無變壓器STATCOM拓撲結(jié)構(gòu)，以及基于模塊化多電平變流器的無功補償(MMC-STATCOM)方法，在申請公告號為CN105226687A中提供一種適用于大規(guī)模光伏發(fā)電的儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制策略，該拓撲結(jié)構(gòu)包括相連的補償裝置和A、B、C三相電網(wǎng)電路；所述補償裝置為將STATCOM功能與儲能系統(tǒng)功能相結(jié)合的裝置。該拓撲結(jié)構(gòu)易于向高壓大功率領(lǐng)域擴展，同時由于其開關(guān)頻率低、損耗小，與儲能裝置結(jié)合可以減小儲能系統(tǒng)的容量，從而減小裝置的成本和體積。但是，基于模塊化多電平的STATCOM仍存在一些固有問題需要界關(guān)注和給予解決，首先，基于MMC的STATCOM中公共直流母線存在電網(wǎng)等級的高電壓，一旦直流側(cè)短路，將引起巨大的短路電流，燒毀器件；其次，工程經(jīng)驗表明，MMC中大量的子模塊電容占據(jù)了裝置的大量空間，從而增加了裝置的體積，同時也增加了系統(tǒng)成本，減少子模塊電容器的電容值能大大縮減電容器的電容，從而顯著減少裝置的體積，減低裝置成本；另外，當STATCOM用于有中性點系統(tǒng)的不平衡系統(tǒng)，并且需要償不平衡電流時，額外的零序通道使MMC的增加一個橋臂，裝置的成本和體積也成比例的增加。
技術(shù)實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)針對基于MMC的STATCOMM系統(tǒng)，為減少MMC子模塊電容體積、消除高壓直流側(cè)電壓、減少補償不平衡電流時多增加的器件數(shù)量，本專利技術(shù)提供了一種新的無功補償裝置，本專利技術(shù)采用新的橋臂相來消除直流母線電壓，通過在上下橋臂間增加連接電容來形成能量通道以抑制子模塊電容電壓的低頻脈動，采用兩個低電壓等級的緩沖電感及一個無源諧振電路來構(gòu)成零序電流通道。為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)所采取的技術(shù)方案是：一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，包括直接通過連接電感并聯(lián)在公共節(jié)點的STATCOM系統(tǒng)，所述STATCOM系統(tǒng)包括橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C和橋臂相D；所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C由開關(guān)器件構(gòu)成，分別與電網(wǎng)的A、B、C相連接，形成無功電流和負序電流的補償通道，所述橋臂相D由兩個電感組成，與電網(wǎng)的中性點連接，形成零序電流補償通道，以實現(xiàn)電網(wǎng)或負載不平衡下的全電流補償。所述STATCOM系統(tǒng)，根據(jù)ip-iq方法計算所需補償?shù)臒o功電流、負序電流和零序電流的指令值，再計算MMC按指令電流輸出補償電流所對應(yīng)的變換器端口電壓，采用載波移相調(diào)制策略合成所要求的端口輸出電壓。所述STATCOM系統(tǒng)的直流側(cè)不包含儲能支撐電容。所述STATCOM系統(tǒng)中的所述橋臂相A、所述橋臂相B和所述橋臂相C的結(jié)構(gòu)相同，且橋臂相A、橋臂相B和橋臂相C均由上橋臂和下橋臂串聯(lián)組成；所述上橋臂由多個半橋子模塊依次首尾串聯(lián)形成上、下兩端口電路，所述下橋臂和所述上橋臂的結(jié)構(gòu)相同，且所述下橋臂的下端口連接所述上橋臂的下端口共同組成一個橋臂相，即，所述上橋臂的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180度作為下橋臂與上橋臂順接。所述上橋臂和下橋臂分別包含2N個子模塊。所述上橋臂和下橋臂的連接點兩邊各串聯(lián)一個相同的緩沖電感。所述半橋子模塊由兩個全控開關(guān)器件串聯(lián)，串聯(lián)后形成的兩端電路與電容并聯(lián)，兩個全控器件分別反并聯(lián)一個二極管。所述橋臂相D由兩個緩沖電感串聯(lián)形成兩端口電路，緩沖電感與橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C中的緩沖電感相同。所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C、橋臂相D一端通過正的公共直流母線P連接，其另一端通過負的公共直流母線N連接。所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C的中點引出端與電網(wǎng)連接，作為補償電流的通道，橋臂相D的中點通過一個交流通道與電網(wǎng)中性點連接。所述交流通道由無源元件組成。所述STATCOM系統(tǒng)的公共直流母線P和公共直流母線N間的電勢差為零，所述STATCOM系統(tǒng)中公共直流母線P和公共直流母線N間的電勢差為零的原理如下：每個橋臂相的上橋臂和下橋臂合成電壓表示為：其中，VC為一個橋臂的所有子模塊電容電壓之和，ω0是工頻角頻率，則公共直流母線P和N的電壓為uPN：uPN＝uU+uL＝0(3)其中，uU、uL分別為上橋臂和下橋臂的合成電壓。所述橋臂被等分為上、下兩個子橋臂，每個子橋臂包含N個子模塊，橋臂相的上橋臂中上、下子橋臂中點與下橋臂的上、下子橋臂中點通過連接電容連接，形成能量通道。所述連接電容僅承受高頻電壓，不承受電網(wǎng)等級的直流電壓和工頻電壓，即，電壓等級及容量較小。所述連接電容的橋臂相能實現(xiàn)子模塊電容電壓的脈動抑制，其抑制原理如下：一個橋臂相的等效電路如圖2所示，省略工頻成分和直流成分，一個橋臂相的等效電路等效為圖3，在圖3中，僅僅保留能夠生成有功功率的量，則圖3進一步簡化為圖4，圖4中高頻分量的電壓、電流表示成uU1＝ue+Uhcos(ωt)uU2＝-ue-Uhcos(ωt)uL1＝-ue+Uhcos(ωt)uL2＝+ue-Uhcos(ωt)(4)其中，uU1是上橋臂的上子橋臂合成電壓，uU2是上橋臂的下子橋臂合成電壓；uL1是下橋臂的上子橋臂合成電壓，uL2是下橋臂的下子橋臂合成電壓；ue是ih的激勵，ue為高頻量，其角頻率為ω。每個橋臂相的4個子橋臂電流為iU1＝Ihcos(ωt)iU2＝-Ihcos(ωt)iL1＝-Ihcos(ωt)iL2＝Ihcos(ωt)(5)其中，iU1是上橋臂的上子橋臂的電流，iU2是上橋臂的下子橋臂的電流；iL1是下橋臂的上子橋臂的電流，iL2是下橋臂的下子橋臂的電流；則各個子橋臂的功率為：每式中的前三項為交流量，不產(chǎn)生有功，每式的最后一項為有功項，并且，上橋臂的有功與下橋臂的有功方向相反，用以抑制上下橋臂電容中方向相反的低本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：包括直接通過連接電感并聯(lián)在公共節(jié)點的STATCOM系統(tǒng)，所述STATCOM系統(tǒng)包括橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C和橋臂相D；所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C由開關(guān)器件構(gòu)成，分別與電網(wǎng)的A、B、C相連接，形成無功電流和負序電流的補償通道；所述橋臂相D由兩個電感組成，與電網(wǎng)的中性點連接，形成零序電流補償通道，以實現(xiàn)電網(wǎng)或負載不平衡下的全電流補償；所述STATCOM系統(tǒng)，根據(jù)ip?iq方法計算所需補償?shù)臒o功電流、負序電流和零序電流的指令值，再計算MMC按指令電流輸出補償電流所對應(yīng)的變換器端口電壓，采用載波移相調(diào)制策略合成所要求的端口輸出電壓。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：包括直接通過連接電感并聯(lián)在公共節(jié)點的STATCOM系統(tǒng)，所述STATCOM系統(tǒng)包括橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C和橋臂相D；所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C由開關(guān)器件構(gòu)成，分別與電網(wǎng)的A、B、C相連接，形成無功電流和負序電流的補償通道；所述橋臂相D由兩個電感組成，與電網(wǎng)的中性點連接，形成零序電流補償通道，以實現(xiàn)電網(wǎng)或負載不平衡下的全電流補償；所述STATCOM系統(tǒng)，根據(jù)ip-iq方法計算所需補償?shù)臒o功電流、負序電流和零序電流的指令值，再計算MMC按指令電流輸出補償電流所對應(yīng)的變換器端口電壓，采用載波移相調(diào)制策略合成所要求的端口輸出電壓。2.如權(quán)利要求1所述的基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：所述STATCOM系統(tǒng)的直流側(cè)不包含儲能支撐電容。3.如權(quán)利要求1所述的基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：所述STATCOM系統(tǒng)中的所述橋臂相A、所述橋臂相B和所述橋臂相C的結(jié)構(gòu)相同，且橋臂相A、橋臂相B和橋臂相C均由上橋臂和下橋臂串聯(lián)組成。4.如權(quán)利要求3所述的基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：所述上橋臂由多個半橋子模塊依次首尾串聯(lián)形成上、下兩端口電路，所述下橋臂和所述上橋臂的結(jié)構(gòu)相同，且所述下橋臂的下端口連接所述上橋臂的下端口共同組成一個橋臂相，即，所述上橋臂的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180度作為下橋臂與上橋臂順接。5.如權(quán)利要求4所述的基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：所述上橋臂和下橋臂分別包含2N個子模塊，N為非負整數(shù)；所述上橋臂和下橋臂的連接點兩邊各串聯(lián)一個相同的緩沖電感。6.如權(quán)利要求4所述的基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：所述半橋子模塊由兩個全控開關(guān)器件串聯(lián)，串聯(lián)后形成的兩端電路與電容并聯(lián)，兩個全控器件分別反并聯(lián)一個二極管。7.如權(quán)利要求5所述的基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：所述橋臂相D由兩個緩沖電感串聯(lián)形成兩端口電路，緩沖電感與橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C中的緩沖電感相同。8.如權(quán)利要求1所述的基于模塊化多電平抑制電容電壓脈動的STATCOM裝置，其特征在于：所述橋臂相A、橋臂相B、橋臂相C、橋臂相D一端通過正的公共直流母線P連接，其另一端通過負的公共直流母線N連接；所述橋臂相...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉萬勛，魏勝民，余曉鵬，田春箏，毛玉賓，劉永民，黃景慧，王洋，于琳琳，張麗華，司瑞華，馬杰，李甜甜，王世謙，程昱明，孫思培，袁鵬，杜習超，王圓圓，賈鵬，苗福豐，
申請(專利權(quán))人：國家電網(wǎng)公司，國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11