[发明专利]级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术在电力系统中的应用，涉及级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，现代电力系统的规模不断扩大，电力系统的安全、稳定和经济运行问题日益突出．作为在电能传输和转换过程中建立电磁场的必要功率，无功功率的补偿和平衡问题，得到越来越多的重视和研究。对电力系统进行适当的无功补偿，可以稳定电网电压，提高功率因数，提高设备利用率，减小网络有功功率损耗，提高输电能力，平衡三相功率，为系统提供电压支撑，提高系统运行安全性。世界上已投运的大容量无功补偿装置多采用变压器多重化主电路结构，但是多重化变压器也带来了很多问题，如价格昂贵、损耗大、占地面积大、非线性特性导致控制困难等等。链式无功补偿系统采用多个单相逆变桥直接串联的结构形式，与基于变压器多重化逆变器的无功补偿系统相比，基于链式多电平逆变器的无功补偿系统有以下优点：

（1）采用普通变压器接入系统，避免了多重化变压器，减小了占地面积，降低了装置成本；

（2）在系统受到扰动时，可以分相进行控制以便更好地提供电压支撑作用；

（3）采用模块化结构，便于扩展装置容量；

（4）采用冗余功率模块，提高了装置可靠性；

（5）避免了多重化逆变变压器激磁回路中剩磁和饱和非线性导致的装置过电压和过电流。

发明内容

本发明的目的是提出一种级联多电平逆变器无功补偿系统及控制方法，可以实现系统输出总的有功和无功电流的控制，还可以分别控制各个功率单元吸收的有功功率来控制每个级联功率单元直流母线电压的平衡。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案；

本发明提供一种级联多电平逆变器无功补偿系统，其特征在于：包括主回路、检测回路和控制回路，主回路由级联H桥功率单元、滤波电抗器、充电电阻和控制开关组成；检测回路由第一至第二电流传感器、第一至第二电压传感器、各级联功率单元直流侧电压传感器和外部A/D采样电路组成；控制回路由数字信号处理器、实现脉冲分配的现场可编程门阵列和实现主控与模块之间通讯的光通讯电路组成；其中级联H桥功率单元为单相H桥逆变器结构，级联多电平逆变器的每相由N个功率单元串联组成，三相组成星形连接，输出三相经滤波电感串联后与充电电阻的左端相连，充电电阻右端与三相电网相连，控制开关与充电电阻两端并联。第一电流传感器和第二电流传感器分别设置于级联多电平逆变器输出A、C两相上，第一至第二电流传感器的输出端分别接外部A/D采样电路的输入端，第一电压传感器和第二电压传感器分别设置于三相电网电压的AB和BC相，第一至第二电压传感器的输出端分别接外部A/D采样电路的输入端，各级联功率单元直流侧电压传感器分别设置于各个功率单元的直流输入端上，各级联功率单元直流侧电压传感器的输出端分别接外部A/D采样电路的输入端，外部A/D采样电路的输出端接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端分别接控制开关的控制端和实现脉冲分配的现场可编程门阵列的输入端，现场可编程门阵列的输出端接光通讯电路的输入端，光通讯电路的输出端接各级联H桥功率单元的控制端。

本发明级联多电平逆变器无功补偿系统控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据所测量的电网电压，利用锁相环计算得到电网电压综合矢量角度；

2）利用矩阵变换，将采样得到的系统输出相电流变换到两相旋转坐标系下有功电流d轴分量和无功电流q轴分量（d轴按电网电压综合矢量定向），并将采样得到的电网相电压变换到两相旋转坐标系下的d轴电压分量和q轴电压分量；

3）利用交流电流前馈解耦控制策略得到系统输出d轴电压分量和q轴电压分量，并结合锁相角度，计算出三相调制波并利用移相SPWM控制策略控制各级联功率单元的驱动脉冲，从而实现系统输出总的有功和无功电流的控制；

4）根据两相旋转坐标系下有功电流d轴分量和无功电流q轴分量计算出电流综合矢量与电网电压综合矢量的夹角，并结合锁相角计算出与电流矢量同相的单位正弦信号；

5）将每相各功率单元直流电压求和取平均值作为直流电压参考信号，并与本相各功率单元实际电压信号做差并进行PI调节，将PI输出的信号与步骤4）中的单位正弦信号相乘得到仅控制各功率单元输出电压有功电压矢量的调制波叠加信号；

6）将步骤5）中所得到的三相各功率单元调制波叠加信号与步骤3）中的三相调制波信号叠加得到每个功率单元新的调制波信号，控制每个功率单元吸收的有功功率，从而实现每个功率单元直流母线电压的平衡控制。