[發(fā)明專利]一種無電解電容級聯(lián)H橋STATCOM系統(tǒng)及控制方法

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• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113098027A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設計）人: 周娟;徐高祥;王梅鑫;原亞雷;釗翔坤;王莉;李京澤
• 申請（專利權）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: H02J3/18
• 分類號: H02J3/18;H02J3/26;H02M3/158;H02M1/088
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本發(fā)明公開了一種無電解電容級聯(lián)H橋STATCOM系統(tǒng)及控制方法，屬于電力電子控制領域，該系統(tǒng)包括：三相電網(wǎng)、三相無功負載、濾波電感和三相級聯(lián)N個雙Buck復用型H橋，N≥2；所述雙Buck復用型H橋包括：四個全控型開關管S1～S4、兩個解耦電感L_r1和L_r2、三個薄膜電容C_r1、C_r2和C_d；所述C_r1經(jīng)過L_r1接在H橋第一橋臂的中點構成第一個雙向Buck電路，該雙向Buck電路與H橋第一橋臂實現(xiàn)開關管復用，C_r2經(jīng)過L_r2接在H橋第二橋臂的中點構成第二個雙向Buck電路，該雙向Buck電路與H橋第二橋臂實現(xiàn)開關管復用；所述系統(tǒng)整體采用星形接法。本發(fā)明利用復用型有源功率解耦技術，消除H橋直流側電壓二倍頻波動，實現(xiàn)薄膜電容替代電解電容，提高裝置功率密度和可靠性。

技術領域

本發(fā)明涉及電力電子控制領域，具體涉及一種無電解電容級聯(lián)H橋STATCOM系統(tǒng)及控制方法。

背景技術

我國是一個地域遼闊，能源分布不均的大國，西北部豐富電能需要經(jīng)過長距離的輸送到達東部地區(qū)。另外一方面，隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)中出現(xiàn)了許多諸如軋鋼機、礦井提升機、大容量變壓器等大功率無功負載，如果電網(wǎng)中無功補償不足，這種長距離輸電將存在巨大的線路損耗，導致電網(wǎng)效率低下；此外，隨著傳統(tǒng)化石能源的枯竭，世界各國對加強新能源開發(fā)利用的呼聲越來越高，大量的新能源發(fā)電裝置接入電網(wǎng)，例如風電和太陽能發(fā)電。但是風電和太陽能發(fā)電存在固有的間歇性和隨機性特點，會導致并網(wǎng)點電壓波動，嚴重時造成脫網(wǎng)運行，需要在電網(wǎng)中接入快速無功補償裝置來保證新能源電網(wǎng)的低電壓穿越能力，在并網(wǎng)點電壓跌落時，無功補償設備可以快速向并網(wǎng)點注入無功功率，以此維持電壓穩(wěn)定。STATCOM是現(xiàn)代最為先進的無功補償裝置，通過不同的控制既可發(fā)出無功功率，也可吸收無功功率，是柔性交流輸電系統(tǒng)和智能電網(wǎng)的研究熱點。級聯(lián)H橋型STATCOM是多電平技術與無功補償技術相結合的產(chǎn)物，適用于中高壓大功率場合，具有結構簡單、模塊化、冗余度高、輸出諧波小和可直接掛網(wǎng)等特點，是當下研究最多的STATCOM拓撲之一。

級聯(lián)H橋型STATCOM中H橋模塊的功率傳遞規(guī)律與單相逆變器類似，其交流側瞬時功率中包含二次波動成分，導致H橋模塊的直流側電壓存在二倍頻波動。為了削弱波動的影響，傳統(tǒng)的做法是在H橋直流側并聯(lián)一個大容值的電解電容，但是電解電容存在著電解液易揮發(fā)、壽命短、耐壓值低、需頻繁更換等問題，很大程度上影響了STATCOM裝置的可靠性。所以工業(yè)中人們考慮用薄膜電容代替電解電容，而相較于電解電容薄膜電容的功率密度較低，相同的容值和波動抑制效果下，薄膜電容的體積較大，從而使得STATCOM裝置整體的體積增加，功率密度降低，另外薄膜電容很難達到較大容值。所以研究者們考慮對H橋直流側電壓進行波動抑制，這樣在小波動的情況下，只需在其直流側并聯(lián)一個小容值薄膜電容即可，從而達到在減小裝置體積的同時增加裝置的壽命和可靠性。

目前，H橋模塊直流側電壓二倍頻波動抑制方法的研究熱點是有源功率解耦技術，通過在H橋直流側并聯(lián)一個有源功率解耦電路，即直流有源電力濾波器，將H橋直流側的二倍頻波動轉移到解耦電路的輔助儲能元件上，這樣H橋直流側電壓不存在二倍頻波動，其直流側電容主要完成直流電壓的支撐，只需要一個很小的薄膜電容即可。但是，這需要增加額外的功率器件，又會使得整體系統(tǒng)的成本和體積增加。少部分學者基于單相并網(wǎng)逆變器，在不增加功率開關管的情況下，研究復用型有源功率解耦技術，將H橋的第二橋臂開關管與有源功率解耦電路開關管實現(xiàn)復用，存在著控制復雜，控制參數(shù)設計困難等問題，同時研究背景大都針對單個H橋，目前關于三相級聯(lián)H橋復用型有源功率解耦控制的研究幾乎沒有，三相級聯(lián)H橋復用型有源功率解耦控制與單個H橋雖有類似，但存在諸多差異，三相級聯(lián)H橋復用型有源功率解耦控制還存在許多問題有待解決，所以級聯(lián)H橋復用型有源功率解耦控制的研究是非常有必要的。本發(fā)明以級聯(lián)H橋STATCOM為研究背景，基于復用Buck型有源功率解耦技術，對H橋直流側電壓二倍頻波動進行抑制，其控制方法可推廣到其他級聯(lián)型多電平變換器中。

發(fā)明內(nèi)容