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基于模块化级联多电平变换器的STATCOM研究1
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rise_ming
发表于 2013-8-28 21:21
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基于模块化级联多电平变换器的STATCOM研究1
工作原理
,
控制器
,
补偿器
,
平均值
,
技术
摘要:
研究了基于模块化级联多电平变换器(MMCC)的静止同步补偿器(STATCOM),对其主电路拓扑、工作原理、调制技术和控制策略进行了研究。采用功率解耦控制算法对交流侧无功功率补偿进行控制,并根据功率守恒原理,分析了直流侧电压不平衡因素,引入了分布式直流侧电压控制算法。直流侧控制算法分为上、下层控制部分,其中上层控制部分对所有模块直流侧电压的平均值平衡进行控制,下层控制部分则对各个子模块单元的直流侧电压进行控制。最后,在一台以VME控制箱为核心控制器的3级MMCC系统上对控制策略进行了验证,实验结果表明了算法的可行性。
关键词:
静止同步补偿器;级联多电平;分布式控制系统
1 引言
近年来,随着电力电子技术和微控制器技术的发展,柔性交流输电技术(FACTS)成为了电网降低能耗和提高电能质量的重要技术手段。基于MMCC的STATCOM作为FACTS的核心设备,以全控电力电子器件(IGBT)构成的电压源逆变器为核心,采用级联多电平和PWM技术,具有输出谐波电流小,占地面积少,响应时间短,无功补偿范围宽,维护和扩展容易,成本低等优点,已成为国内外专家研究的焦点,并逐步应用到高压输电网中。此处首先研究了基于MMCC的STATCOM的主电路结构、工作原理和载波移相PWM技术(CPS-SPWM);其次,在功率解耦控制算法的基础上,应用功率守恒原理引入了分布式直流侧电压控制算法。最终在一台以VME机箱控制的3级MMCC系统上对控制策略进行了验证。
2 STATCOM主电路结构及原理
MMCC型STATCOM由H桥模块单元串联而成,有三角形和星形两种连接方式,图1a为星形连接的级联型STATCOM拓扑结构,可通过简单的增加链接模块个数来提高设备容量,其成本低、易实现、占地面积小。理想情况下,STATCOM的等效电路如图1b所示,Lc,Rc为设备主回路中的总电感和电阻(包括连接电抗和变换器阻抗),us为电网电压,uc为STATCOM输出电压,iC为STATCOM装置的吸收电流。通过改变uc幅值和相对于us的相位,即可控制STATCOM从电网吸收电流的相位和幅值,即控制STATCOM吸收无功功率的性质和大小。当uc幅值与相位变化时,STATCOM吸收有功和无功的大小、性质也相应变化。
3 MMCC调制算法
目前,MMCC调制算法主要包括:阶梯波调制法、空间电压矢量法和CPS-SPWM方法。其中,CPS-SPWM是多载波SPWM算法,通过多路载波在时间轴上移动Ts/N(Ts为载波周期,N为一相串联模块数)生成PWM触发脉冲。该方法设计简单、容易实现,且可使设备单元模块的开关次数相
同,容易实现直流侧电容电压均衡控制。
4 基于MMCC的STATCOM控制策略
4.1 交流侧控制策略
补偿系统在各种运行工况和故障场景的稳定运行,是判断其能否在实际电力系统中得到有效应用的关键。但是这些控制器计算量大,实现复杂。目前应用最多的是功率解耦PWM控制,该方法通过PI调节器实现功率模型的解耦,icd和icq分别与补偿器输出的有功功率和无功功率成线性关系,实现了对功率解耦。该方法实现简单,计算量小,可使补偿系统有很好的静、动态性能。
根据图1可得STATCOM在三相坐标系下的数学模型为:
根据坐标变换原理,可得补偿装置在d,q坐标系下的等值方程为:
4.2 分布式直流侧控制策略
MMCC采用模块化设计,每个模块直流侧电容彼此独立,且开关损耗、电路损耗、开关分配状态和脉冲延时等存在差异,这导致基于MMCC存在直流侧电容电压不均衡问题,会直接影响到设备的可靠安全运行。采用分层分布式直流侧控制策略,分为上层控制和下层控制。其中,上层控制稳定总体直流侧电容电压,即整个装置所有模块直流侧电容电压的平均值;下层控制稳定每个模块直流侧电容电压。
上层控制将所有模块直流侧电压视为一个整体C,从而根据功率平衡可得,STATCOM直流侧电容电压在d,q坐标系下的数学模型为:
式中:Udc为直流侧电容电压平均值;K为SPWM的调制比;us为交流电网电压峰值;δ为STATCOM输出电压矢量与电网侧电压矢量的夹角。
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