基于四象限双H桥变流器级联型大容量DSTATCOM关键技术的研究

摘要

随着工业化规模的扩大及科学技术的迅速发展，一方面，国民经济各部门电气化程度的日益提高，各种复杂的、精密的、对电源特性变化敏感的新型高科技用户设备的不断增加，人们对电能质量的要求越来越高；另一方面，配电网中快速冲击型负荷（如电弧炉、轧机、绞车等）、大容量电力电子非线性负荷的急剧增加，引起电网电压波动与闪变、三相供电不平衡和电压电流波形畸变等，造成电网电能质量的严重恶化。因此，在电网干扰源接入点安装合适的补偿装置，来消除上述一系列电能质量问题，改善和提高电网电能质量，已经成为当前国民经济发展的迫切要求。在众多的配电网电能质量治理补偿装置中，配电静止同步补偿器（Distribution Static Synchronous Compensator，DSTATCOM）由于具有动态响应速度快、补偿范围宽、输出谐波小、系统稳定性强、体积小等诸多优点而成为配电系统中电能质量补偿装置发展的方向。
　　 本文主要任务是对高压大容量DSTATCOM的关键技术进行研究。主要研究内容和成果包括：
　　 (1)装置主电路拓扑及其参数的研究、设计：
　　 分析研究了不同类型多电平变流器的结构、特点，针对H桥级联犁多电平逆变器直流侧电容电压不平衡的特点，设计了一种基于四象限双H桥变流器的级联型DSTATCOM主电路拓扑。基于该电路结构，文章依次对装置连接电抗、功率单元直流侧电容以及H桥整流器容量、交流侧滤波电抗等主要电路参数进行了研究和设计。基于载波相移SPWM(Carder phase-shifted SPWM，CPS-SPWM)的开关调制策略，文章在建立SPWM-H桥变流器数学模型的基础上，推导出了直流侧电压、电流数学模型，并据此提出来一种直流电容的设计方法。
　　 (2)基于改进型瞬时对称分量法的电流检测方法的研究：
　　 分析研究了各种电流检测方法及其特点，得出了实时获取系统基波正序电压同步信号是精确提取补偿指令电流的关键的结论。为此，文章提出了一种改进型瞬时对称分量法。基于此对称分量法，结合dq0同步坐标变换的电流检测技术，文章提出来一种基于改进型瞬时对称分量法的DSTATCOM补偿指令电流检测方法。区别于其他检测方法，该方法避免了90o移相电路、PLL锁相环电路以及正余弦函数的查表过程，并消除了由此带来的误差和故障。仿真与试验结果显示，该方法能够快速、准确的检测出与系统电压基波正序分量同步的基波正序有功电流分量，从而实时检测出DSTATCOM装置补偿所需包含无功、谐波、以及负序分量的补偿指令电流。
　　 (3)基于不对称规则采样法的CPS-SPWM脉冲快速生成方法的研究
　　 分析研究了CPS-SPWM开关调制策略及其实现方法。文章提出了一种基于不对称规则采样的CPS-SPWM触发脉冲的快速、精确的生成方法。详细分析了基于不对称规则采样法的单相H桥逆变器以及H桥级联装置的SPWM输出电压的基波与谐波特性。仿真实验结果表明，文章所提基于不对称规则采样法的CPS-SPWM脉冲生成方法，相对基于对称规则采样法的CPS-SPWM脉冲生成方法，在没有增加采样频率和计算工作量的基础上，装置输出基波电压滞后调制波的延时缩小了1倍，直流侧电压利用率有所提高，输出电压不对称性也有所改善。
　　 (4)直流电容电压均衡控制策略的研究
　　 提出了一种基于单位功率因数(Unit Power Factor，UPF)四象限H桥整流器的直流电容电压均衡控制方法。该方法直流电压控制系统相互独立，具有响应速度快、交流输出谐波含量小、简单可靠的特点。特别地，文章针对单相H桥整流器，在传统两电平定时滞环PWM电流控制方法的基础上，提出了一种三电平定时滞环PWM电流控制方法。仿真和实验结果表明，基于三电平定时滞环电流控制方法，VSR交流侧电流跟踪误差较小，电流畸变程度较轻；直流侧电压闭环控制响应速度快，稳定性强。
　　 (5)电流跟踪控制策略的研究
　　 分析研究了常见的电流跟踪控制技术，基于三角载波固定开关频率PWM电流控制策略和单极性CPS-SPWM开关调制策略，文章提出了一种固定开关频率PWM电流解耦控制策略。理论分析和仿真结论表明，采用该电流控制策略，能够消除三相电网电压对电流控制的扰动。当系统三相不对称故障时，装置三相电流跟踪控制相互独立，不受系统电压的影响；且装置电流跟踪控制误差明显减小，从而有效提高了电流跟踪控制的精度。
　　 (6)装置故障机理与容错控制策略的研究
　　 分析研究了级联型变流装置的故障机理及其容错控制方法。基于UPF四象限H桥整流器的直流电容电压的均衡控制方法，文章提出了一种改进型级联功率单元n+l冗余旁路容错控制策略。理论分析和实验结果表明，采用该故障冗余控制策略，在装置正常工作时，能够有效提高各功率单元的直流侧电压利用率，降低功率器件的开关损耗、duldt以及故障率。而当装置功率单元出现冗余度以内的故障时，装置能够迅速反应、及时调整输出功率，且对装置的补偿性能不产生影响；另外，装置输出电压在故障前后始终保持良好的谐波特性。
　　 最后，本文通过一套1140/100kVar DSTATCOM实验样机的研制，对装置控制系统各模块的控制原理、功能、软件流程以及实现方法进行了详细的介绍和分析。并且通过样机在不同负载状况下的综合补偿实验，对其整体运行效果进行了验证和分析。实验结果显示，样机能够实时、有效地补偿三相不平衡畸变负载中的无功、谐波及负序分量。