基于模塊化多電平換流器的無功補(bǔ)償裝置及無功補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于模塊化多電平換流器的無功補(bǔ)償裝置及無功補(bǔ)償方法。屬于電網(wǎng) 諧波治理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，非線性負(fù)載日益增加，引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)，產(chǎn)生大 量的無功和諧波，為了使電力系統(tǒng)高效、綠色、穩(wěn)定的運(yùn)行，無功補(bǔ)償及諧波抑制技術(shù)的提 出為電網(wǎng)治理提供了一種有效的手段，考慮到耐壓等級(jí)、開關(guān)頻率W及穩(wěn)定性等因素，高電 壓、大容量的模塊化靜止無功補(bǔ)償器應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 常見的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：二極管錯(cuò)位型、飛跨電容型、及H橋級(jí)聯(lián)型W及模 塊化多電平換流器。隨著電平數(shù)的增加，二極管錯(cuò)位型和飛跨電容型結(jié)構(gòu)所需的開關(guān)器件 和錯(cuò)位電容數(shù)量大大增加，給實(shí)際推廣應(yīng)用帶來很大困難;而H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)不能對(duì)配電網(wǎng)系 統(tǒng)的無功功率、諧波W及不平衡狀況進(jìn)行綜合治理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的用于電網(wǎng)的補(bǔ)償裝置缺少對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的無功功率、諧波 W及電壓的不平衡進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性差的問題?，F(xiàn)提供基于模塊化多 電平換流器的無功補(bǔ)償裝置及無功補(bǔ)償方法。
[0005] 基于模塊化多電平換流器的無功補(bǔ)償裝置，它包括檢測(cè)單元、DSP控制器、驅(qū)動(dòng)單 元和MMC換流器，
[0006] DSP控制器采用型號(hào)為TMS320F2812的忍片實(shí)現(xiàn)，
[0007] 檢測(cè)單元包括=個(gè)電流檢測(cè)電路和電壓檢測(cè)電路，
[000引 S個(gè)電流檢測(cè)電路，用于采集阻感負(fù)載上的S相負(fù)載電流信號(hào)ia、ib和ic，
[0009] 電壓檢測(cè)電路，用于采集MMC換流器直流側(cè)的電壓信號(hào)，
[0010] DSP控制器，用于接收S相負(fù)載電流信號(hào)ia、ib和i。，進(jìn)行Clarke變換和化rk變換， 得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下負(fù)載電流的d和q分量id和iq，將d軸分量id進(jìn)行經(jīng)化rk反變換和Clarke反 變換后與ia、ib和i。作差，獲得無功電流iq，同時(shí)，接收電壓信號(hào)利用電壓排序法將電壓大小 進(jìn)行排序，維持直流電壓穩(wěn)定，根據(jù)電壓大小的排序和無功電流iq，獲得調(diào)制波和載波，通 過調(diào)制波和載波生成兩路PWM信號(hào)，
[0011] 驅(qū)動(dòng)單元，用于接收兩路PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大后驅(qū)動(dòng)MMC換流器，
[001^ MMC換流器，用于接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制SM模塊中IGBT的通斷，輸出補(bǔ)償電流ifa、ifb 和if。補(bǔ)償=相交流電源中的無功和諧波。
[0013] 基于模塊化多電平換流器的無功補(bǔ)償方法，它包括W下步驟：
[0014] 用于采集阻感負(fù)載上的S相負(fù)載電流信號(hào)ia、ib和i。的步驟；
[0015] 用于采集MMC換流器直流側(cè)的電壓信號(hào)的步驟；
[0016] 用于接收S相負(fù)載電流信號(hào)ia、ib和i。，進(jìn)行Clarke變換和化rk變換，得到旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系下負(fù)載電流的d和q分量id和iq，將巧由分量id進(jìn)行經(jīng)化rk反變換和Clarke反變換后與 ia、ib和i。作差，獲得無功電流iq，同時(shí)，接收電壓信號(hào)利用電壓排序法將電壓大小進(jìn)行排 序，維持直流電壓穩(wěn)定，根據(jù)電壓大小的排序和無功電流iq，獲得調(diào)制波和載波，通過調(diào)制 波和載波生成兩路PWM信號(hào)的步驟；
[0017]用于接收兩路PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大后驅(qū)動(dòng)MMC換流器的步驟；
[001引用于接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制SM模塊中IGBT的通斷，輸出補(bǔ)償電流ifa、ifb和ifc補(bǔ)償S 相交流電源中的無功和諧波的步驟。
[0019] 本發(fā)明的有益效果為：電流檢測(cè)電路采樣負(fù)載側(cè)電流，得到有功電流id和無功電 流iq;電壓檢測(cè)電路對(duì)直流側(cè)電容電壓采樣，利用電壓排序法將電容電壓大小進(jìn)行排序，決 定SM模塊單元開關(guān)管的通斷;DSP將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)算后得到一組PWM控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng) 電路控制SM模塊中IGBT通斷，輸出的補(bǔ)償電流可補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功和諧波，采用該裝置可 提高電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0020] 圖1為【具體實(shí)施方式】一所述的基于模塊化多電平換流器的無功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)原 理圖；
[0021 ]圖2為MMC換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖3為MMC換流器中每個(gè)SM模塊單元的原理圖；
[0023] 圖4為無功及諧波電流檢測(cè)原理圖；
[0024] 圖5為載波移相調(diào)制圖；
[0025] 圖6為改進(jìn)電壓排序流程圖；
[00%]圖7為電流檢測(cè)電路原理圖；
[0027]圖8為直流電壓檢測(cè)電路原理圖 [002引圖9為驅(qū)動(dòng)單元原理圖；
[0029] 圖10為欠過壓保護(hù)電路原理圖；
[0030] 圖11為過流保護(hù)電路原理圖；
[0031] 圖12為MMC的子模塊中，Ti(Dl)開通、T2(D2)關(guān)斷，投入狀態(tài)下，子模塊電容電壓的 充、放電狀態(tài)與電流的流向關(guān)系圖；
[0032] 圖13為MMC的子模塊中，Ti(Dl)開通、T2(D2)關(guān)斷，投入狀態(tài)下，子模塊電容電壓的 充、放電狀態(tài)與電流的流向的關(guān)系圖；
[0033] 圖14為Ti(Dl)關(guān)斷、T2(D2)開通，切除狀態(tài)下，電流流向與子模塊電容電壓的關(guān)系 圖；
[0034] 圖15為Ti(Dl)關(guān)斷、T2(D2)開通，切除狀態(tài)下，電流流向與子模塊電容電壓的關(guān)系 圖；
[0035] 圖16為Tl和T2均關(guān)斷，閉鎖狀態(tài)下，電流的流向與子模塊電容電壓充電關(guān)系圖；
[0036] 圖17為Tl和T2均關(guān)斷，閉鎖狀態(tài)下，電流的流向與子模塊電容電壓充電關(guān)系圖；
[0037] 圖18為環(huán)流抑制器結(jié)構(gòu)圖；
[0038] 圖19為主程序流程圖；
[0039] 圖20為A/D轉(zhuǎn)換與故障保護(hù)程序狂徒；
[0040]圖21為捕獲中斷流程圖；
[0041 ] 圖22為移相式PWM流程圖；
[0042] 圖23為補(bǔ)償前a相電壓電流的曲線圖；
[0043] 圖24為補(bǔ)償后a相電壓電流的曲線圖；
[0044] 圖25為MMC模塊A相輸出總電壓波形圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0045] 一：參照?qǐng)D1至圖6具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于模 塊化多電平換流器的無功補(bǔ)償裝置，它包括檢測(cè)單元1、DSP控制器2、驅(qū)動(dòng)單元3和MMC換流 器4，
[0046] DSP控制器2采用型號(hào)為TMS320F2812的忍片實(shí)現(xiàn)，
[0047] 檢測(cè)單元1包括=個(gè)電流檢測(cè)電路11和電壓檢測(cè)電路12，
[004引 S個(gè)電流檢測(cè)電路11，用于采集阻感負(fù)載上的S相負(fù)載電流信號(hào)ia、ib和ic，
[0049]電壓檢測(cè)電路12,用于采集MMC換流器4直流側(cè)的電壓信號(hào)，
[(K)加]DSP控制器2,用于接收S相負(fù)載電流信號(hào)ia、ib和i。，進(jìn)行Clarke變換和化rk變換， 得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下負(fù)載電流的d和q分量id和iq，將d軸分量id進(jìn)行經(jīng)化rk反變換和Clarke反 變換后與ia、ib和i。作差，獲得無功電流iq，同時(shí)，接收電壓信號(hào)利用電壓排序法將電壓大小 進(jìn)行排序，維持直流電壓穩(wěn)定，根據(jù)電壓大小的排序和無功電流iq，獲得調(diào)制波和載波，通 過調(diào)制波和載波生成兩路PWM信號(hào)，
[0051 ]驅(qū)動(dòng)單元3，用于接收兩路PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大后驅(qū)動(dòng)MMC換流器4，
[0052] MMC換流器4,用于接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制SM模塊中IGBT的通斷，輸出補(bǔ)償電流ifa、ifb 和if。補(bǔ)償=相交流電源中的無功和諧波。
[0053] 本實(shí)施方式中，控制單元WTMS320F2812為控制核屯、實(shí)現(xiàn)電流電壓雙閉環(huán)控制、 CPS-SP麗調(diào)制技術(shù)、電容電壓排序和環(huán)流抑制等功能；驅(qū)動(dòng)單元將DSP生成的P麗波進(jìn)行隔 離、放大驅(qū)動(dòng)IGBT，如圖1所示。
[0054] MMC的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示，每一相的上、下橋臂都由3個(gè)SM模塊單元 和電抗器L串聯(lián)而成，其中電抗器L起緩沖作用，用于抑制高頻環(huán)流。子模塊SM是半橋結(jié)構(gòu)， 由兩個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的IGBT和一個(gè)儲(chǔ)能電容組成，輸出電壓為0和Vd兩種狀態(tài)。匪C換 流器的特點(diǎn)在于輸出電壓為多電平，接近正弦波，諧波含量小，功率管的開關(guān)頻率小，開關(guān) 損耗低。
[0055] 電流檢測(cè)原理如圖4所示，采用瞬時(shí)無功功率理論檢測(cè)無功電流。具體實(shí)現(xiàn)方法 是，S相負(fù)載電流ia、ib、ic經(jīng)Clarke、化rk變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下負(fù)載電流的d、q分量，將d 軸分量經(jīng)肚rk、Clarke反變換后與ia、ib、ic作差，即可得到無功電流iq。
[0056] MMC的每一相上、下兩橋臂的調(diào)制波反相，保證在任意時(shí)刻的工作狀態(tài)是互補(bǔ)的， 每一時(shí)刻投入的子模塊數(shù)都是3。每相上橋臂S角載波的移相角度為:0、231/3、仙/3，下橋臂 S個(gè)模塊的載波移相角度為:^3、331/3、531/3。載波移相調(diào)制圖如圖5所示。
[0057] 如圖6所示為改進(jìn)電壓排序流程圖。計(jì)算某一橋臂在該時(shí)刻需要投入的子模塊數(shù)， 與上一時(shí)刻子模塊數(shù)作差，記為An。。。將電容電壓排序后，根據(jù)電流的極性和An。。確定投 入的子模塊單元，從而控制開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。
[0058] 環(huán)流抑制如圖18所示。MMC每相上下橋臂電流分別為iw和iw，兩個(gè)量的平均值即 為MMC的內(nèi)部環(huán)流，經(jīng)二倍頻負(fù)序坐標(biāo)變換和比例積分控制器后得到抑制環(huán)流的電壓信號(hào) Uref，作為給定電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)抑制環(huán)流的目的。
[0059] 基于二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的環(huán)流抑制器抑制MMC內(nèi)部環(huán)流，環(huán)流抑制控制策略
[0060] 環(huán)流的實(shí)質(zhì)是MMC每相內(nèi)等效的交流電壓源產(chǎn)生的二倍頻負(fù)序交流電流，基于二 倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的環(huán)流抑制器結(jié)構(gòu)如圖6所示，首先，由MMC每相上下橋臂電流ijP和 ijN，求得MMC的內(nèi)部環(huán)流其次，