[发明专利]一种基于模块化多电平抑制电容电压脉动的STATCOM装置

说明书

本发明提供一种基于模块化多电平抑制电容电压脉动的STATCOM装置，包括直接通过连接电感并联在公共节点的STATCOM系统，所述STATCOM系统包括桥臂相A、桥臂相B、桥臂相C和桥臂相D；本发明基于MMC拓扑，但消除了MMC的直流母线电压，消除了直流侧公共母线短路的隐患，提高了装置的安全性；使用低压小容量电容抑制了桥臂相上、下桥臂电容电压的低频脉动，从而促成使用更小的子模块电容，降低了系统成本且减小了装置体积；由缓冲电感替代开关器件桥臂相，电容和开关器件数目降为常规结构的3/4，从而显著减低装置成本和体积，降低了系统损耗；且本发明的相桥臂的应用不仅仅局限于无功补偿的应用场合，能够替代现有采用级联H桥多电平拓扑装置的相桥臂。

技术领域

本发明涉及电力电子柔性输电设备技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平抑制电容电压脉动的STATCOM装置。

背景技术

工业交流电弧炉、电气化铁路等大量不平衡工业负荷与单相大容量负荷的存在，以及电力电子装置的广泛使用，给电力系统带来了大量的无功电流和负序电流，不仅增加了损耗，而且危害电力设备。在此背景下，由于电力电子技术能够参与维持电力系统稳定运行及潮流分布，日益成为电力系统补偿和调节的重要技术手段。

静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator: STATCOM)是电力电子装置参与电网调节的主要应用之一。STATCOM可被看作一个可控独立电压源，视应用场合可以进行无功功率补偿、接入点电压调节、谐波抑制等，以提高公共接入点(PCC)的电能质量，改善系统的稳定性。随着用户对电能质量要求的逐步提高，STATCOM 开始受到越来越多的关注和研究。

基于传统两电平PWM工作方式的STATCOM系统，受单个功率器件耐压的限制无法应用到中高压领域，受单个器件开关频率的限制，其输出端一般需要笨重的无源滤波器才能接入电网。而模块化多电平是用低压功率器件实现高压大功率变换的技术，它的模块化设计、使用低压开关器件、输出波形质量好等众多优点被认为非常适合应用在中、高压大功率的电能质量调控的场合。其基本原理是使用多个相同结构的基本变换器单元串联，实现等数目电平的阶梯输出电压来逼近正弦电压波形，并已在工业领域成功应用。

基于模块化多电平(简称“MMC”)的STATCOM在学术界已经得到了广泛的关注和研究，且授权公告号CN201774259U一种基于MMC 的无变压器STATCOM拓扑结构，以及基于模块化多电平变流器的无功补偿(MMC-STATCOM)方法，在申请公告号为CN 105226687 A中提供一种适用于大规模光伏发电的储能系统拓扑结构及其控制策略，该拓扑结构包括相连的补偿装置和A、B、C三相电网电路；所述补偿装置为将STATCOM功能与储能系统功能相结合的装置。该拓扑结构易于向高压大功率领域扩展，同时由于其开关频率低、损耗小，与储能装置结合可以减小储能系统的容量，从而减小装置的成本和体积。但是，基于模块化多电平的STATCOM仍存在一些固有问题需要界关注和给予解决，首先，基于MMC的STATCOM中公共直流母线存在电网等级的高电压，一旦直流侧短路，将引起巨大的短路电流，烧毁器件；其次，工程经验表明，MMC中大量的子模块电容占据了装置的大量空间，从而增加了装置的体积，同时也增加了系统成本，减少子模块电容器的电容值能大大缩减电容器的电容，从而显著减少装置的体积，减低装置成本；另外，当STATCOM用于有中性点系统的不平衡系统，并且需要偿不平衡电流时，额外的零序通道使MMC的增加一个桥臂，装置的成本和体积也成比例的增加。

发明内容

有鉴于此，本发明针对基于MMC的STATCOMM系统，为减少MMC子模块电容体积、消除高压直流侧电压、减少补偿不平衡电流时多增加的器件数量，本发明提供了一种新的无功补偿装置，本发明采用新的桥臂相来消除直流母线电压，通过在上下桥臂间增加连接电容来形成能量通道以抑制子模块电容电压的低频脉动，采用两个低电压等级的缓冲电感及一个无源谐振电路来构成零序电流通道。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：