链式STATCOM中H桥逆变器效率优化和电容电压平衡等问题研

摘要

静止同步补偿器(STATCOM)是柔性交流输电系统(FACTS)中的一项核心装置。本文对H桥串联型链式STATCOM的关键技术进行深入研究,重点研究效率优化、电容电压平衡控制、H桥单元冗余以及不对称负荷补偿问题。本研究主要内容包括：
　　⑴结合不连续脉冲宽度调制(DPWM)和载波相移脉冲宽度调制(CPS-PWM),提出了大容量链式多电平变换器的CPS-DPWM(Carrier Phase Shifted Discontinuous Pulse Width Modulation)方法。阐述了CPS-DPWM方法的原理,分析了功率因数角、开关频率、载波相位与开关损耗的关系,分别推导出同相方式和异相方式的频域输出电压公式。
　　⑵提出了电容电压平衡控制方法的评价指标——损耗差异电阻ΔR及其平衡控制电压无差工作区。该评价指标可用来衡量链节损耗差异的程度和电容电压平衡控制算法的控制能力。通过理论推导证明,电容电压平衡控制方法的控制能力存在极限。
　　⑶提出了阶梯波调制法时链式STATCOM的三种电容电压平衡控制策略,分别为:基于选择开通方式平衡电压的控制方法：基于分配最优触发脉冲平衡电压的控制方法；通过预测电压误差来平衡电压的控制方法。阐述了三种方法的控制原理和实现方式,对比分析了三种方法的控制能力、动稳态性能、适用范围、算法复杂度等性能指标。
　　⑷将载波层叠PWM调制技术引入链式STATCOM,分析了载波层叠和载波相移这两种多载波调制技术的基本原理。采用MATLAB/Simulink软件分别对采用这两种方法时的输出相电压波形进行了谐波分析和对比。在链式STATCOM实验平台上对两种调制策略进行了分析比较。针对载波层叠PWM法的特点,提出了一种适用于载波层叠 PWM法的电容电压平衡控制方法,该方法通过分段调节各个链节三角载波的幅值,实现了所有链节的电容电压平衡控制。
　　⑸提出了一种适用于不对称负荷补偿的链式STATCOM控制系统方案。该方案针对主要由串联等效电阻引起的链式STATCOM非线性特性,采用数据拟合的方法对输出电纳与移相角度δ之间的非线性关系进行拟合。采用了结合ip-iq法和对称分量法的分相导纳检测算法,使基波检测延迟时间固定,进而将控制系统设计为二阶最佳阻尼比系统。将负载导纳前馈方法和母线导纳反馈方法结合,提高了控制系统的响应速度和稳态精度,进而将控制系统设计为无超调二阶临界阻尼比系统。
　　⑹针对链式STATCOM的H桥冗余问题,提出了一种H桥冗余的冷备用方案。在此基础上,提出了一种带中间微直流母线的H桥单元自取能供电电源拓扑结构。这种自取能供电电源同时从H桥自身直流电容和相邻的直流电容上向中间微直流母线电容供电,实现了H桥单元的N+1或者N+2冗余运行,并通过动态调整从各个H桥电容所获取的能量的大小,实现电容电压的自平衡控制。在分析了50Hz阶梯波调制方式链式 STATCOM的电容电压波动特点的基础上,提出了一种基于H桥自取能电源的改进型电容电压自平衡控制方法。
　　⑺设计并搭建了380V/7A的链式STATCOM实验系统,对CPS-DPWM方法、电容电压平衡控制方法、不对称负荷平衡补偿方法等相关问题进行实验验证。

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1 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 STATCOM发展过程

1.3 链式STATCOM的国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

2 链式多电平变换器的CPS-DPWM方法

2.1 链式多电平逆变器结构与CPS-PWM方法的原理

2.2 CPS-DPWM方法的原理

2.3 CPS-DPWM方法输出性能分析

2.4 实验结果分析

2.5 小结

3 基于阶梯波调制方法的链式STATCOM电容电压平衡控制

3.1 阶梯波调制的基本原理及开通角度的计算方法

3.2 电容电压平衡控制方法

3.3 控制策略的实验验证

3.4 小结

4 基于载波调制方法的链式STATCOM电容电压平衡控制

4.1 多载波PWM调制策略对比分析

4.2 基于IPD-PWM法的链式STATCOM直流侧电压平衡控制策略

4.3 实验结果分析

4.4 小结

5 具有电容电压平衡控制功能的H桥冗余方法

5.1 H桥的热备用与冷备用

5.2 一种改进型H桥备用冗余用供电电源

5.3 带H桥冗余取能电源的链式STATCOM

5.4 仿真结果分析

5.5 小结

6 用于不对称负荷补偿的链式STATCOM控制系统

6.1 不对称负荷平衡补偿控制系统

6.2 控制器设计

6.3 仿真与实验结果分析

6.4 小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 论文中的主要成果

7.3 展望

致谢

参考文献

附录