一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统

摘要

本发明公开了一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统，包括分别连接在三相线的每一线上的Link模块串，每个Link模块串均包括依次连接的link模块和电感Ls，3个电感Ls与Link模块非连接的一端均连接在一起，本发明还公开了H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统的相关参数计算步骤，本发明解决了现有技术中存在的H桥串联型STATCOM的功率单元取能影响输出电压和电流波形质量的问题。

说明书

技术领域

本发明属于无功补偿技术领域，具体涉及一种H桥串联型STATCOM的 功率单元交流侧供电系统。

背景技术

随着H桥串联型STATCOM所接入的电网电压不断提高，H桥单元的低 成本、高可靠性供电电源成为设计H桥串联型STATCOM的H桥单元的一 个很大挑战。利用交流输入的取能电源从H桥交流侧通过开关电源第一级隔 离变压器和第二级二极管整流电路直接获取能量可以降低对取能电源中隔 离变压器电压绝缘的要求，从而降低取能电源的体积和成本。

现有H桥串联型STATCOM的H桥单元交流侧取能技术分为低压交流 取能和高压交流取能。低压交流取能采用高绝缘电压的变压器从低压侧向H 桥单元高压侧输送能量，但是，高绝缘电压的变压器体积大、价格高，当要 求的绝缘电压大于30kV时，体积和价格都超出常规工程可承受的范围；高 压交流取能采用AC/DC开关电源通过内部隔离变压器从H桥交流侧获取能 量，但是，单个H桥供电的取能电源供电方式在H桥发生故障导致交流输 出电压变化时，会影响取能电源的正常取能，因此，不易实现H桥单元的冗 余运行；通过数量为N的多个AC/DC开关电源通过内部隔离变压器使N个 H桥单元通过交流侧向一个H桥单元供电，可实现H桥单元的N-1冗余运 行，但是，多个AC/DC开关电源向单个H桥供电时需要考虑多个AC/DC 开关电源之间的输入能量分配问题，若设计不当，会影响H桥单元的直流电 容电压之间的一致性，进而影响输出电压和电流波形质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供 电系统，解决了现有技术中存在的H桥串联型STATCOM的功率单元取能 影响输出电压和电流波形质量的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种H桥串联型STATCOM的功率单元 交流侧供电系统，包括分别连接在三相线的每一线上的Link模块串，每个 Link模块串均包括依次连接的link模块和电感Ls，3个电感Ls与Link模块 非连接的一端均连接在一起。

本发明的特点还在于，

Link模块的具体结构为：包括CMC模块，CMC模块由若干依次连接 的HB模块组成，每个HB模块对应连接一个交流侧取能电源模块，每个交 流侧取能电源模块还与HB模块旁的风扇(9)接，HB模块内部是由相同 的4个IGBT管A、IGBT管B、IGBT管C、IGBT管D连接组成，IGBT管 A和IGBT管C的共集电极，IGBT管B和IGBT管D共发射极，IGBT管 A的集电极和IGBT管B的发射极之间连接有直流侧电容C，IGBT管A的 发射极和IGBT管B的集电极连接，IGBT管C的发射极和IGBT管D的集 电极连接后同时连接至下一级HB模块的IGBT管A的发射极和IGBT管B 的集电极之间，IGBT管A的发射极和IGBT管B的集电极连接线上设有结 点E，IGBT管C的发射极和IGBT管D的集电极连接线上设有结点F。

HB模块的数量N、直流侧电容的容值C的具体计算步骤如下：

步骤1、首先根据H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统的系 统线电压U_ab和负载最大无功功率Q_Lmax，确定H桥串联型STATCOM的功率 单元交流侧供电系统的额定电流I_S，额定电流I_S的选取依照公式为：

$I_s=\frac{Q_{L\max }/3}{U_{ab}/\sqrt{3}}---\left(1\right)$

步骤2、根据步骤1得到的额定电流I_S，然后确定H桥串联型STATCOM的 功率单元交流侧供电系统中连接的电感L_S的电感值L_S，具体公式如下：

$L_s=\frac{U_{ab}/\sqrt{3}}{I_s}*\frac{0.1}{2\pi f}---\left(2\right)$

式(2)中，f为电网频率，f＝50Hz，

同时根据本系统中的确定的额定电流I_S的值选取IGBT管的型号及IGBT 管并联的数量，在本系统中，n_IGBT＝2，IGBT管型号满足以下条件：IGBT 管的电流I_IGBT大于额定电流I_S，IGBT管的电压V_IGBT取值为1200V、1700V、 3300V，表达式为：

n_IGBTI_IGBT＞I_s  (3)

V_IGBT∈{1200，1700，3300}  (4)

步骤3、根据步骤2确定的IGBT管的型号，确定HB模块的数量N、直流 侧电容C的容值C，具体公式如下：

$N=\mathrm{int}(\frac{\sqrt{2}{U}_{ab}/\sqrt{3}}{V_{IGBT}}*2.35)+1---\left(5\right)$

$C=\frac{{\mathrm{NI}}_s}{U_{ab}/\sqrt{3}}*\frac{1}{2\pi f}*\frac{1}{0.1}---\left(6\right)$

交流侧取能电源模块的具体结构为：包括三级依次连接的二极管整流桥 AC/DC开关电源，每级二极管整流桥AC/DC开关电源的正负输入端之间均 连接有变压器T，每级二极管整流桥AC/DC开关电源的正输出端均连接至 结点B，每级二极管整流桥AC/DC开关电源的负输出端均连接至结点C， 结点B和结点C连接至微直流母线上，结点B和结点C之间的微直流母线 上还连接有电容C2，电容C2的两端连接至DC/DC开关电源，每个交流侧 取能电源模块内的第二级二极管整流桥AC/DC开关电源的输入端连接的变 压器T与所在的交流侧取能电源模块对应连接的HB模块7的结点E、结点 F连接，同时，每个交流侧取能电源模块内的第二级二极管整流桥AC/DC 开关电源输入端连接的变压器T还与下一级交流侧取能电源模块内的第一 级二极管整流桥AC/DC开关电源输入端连接的变压器T连接，每个交流侧 取能电源模块内的第三级二极管整流桥AC/DC开关电源输入端连接的变压 器T还与下一级交流侧取能电源模块对应连接的HB模块的结点E、结点F 连接。

交流侧取能电源模块的设计功率P_K计算步骤如下：

步骤a、根据步骤2中确定的IGBT管型号，确定IGBT管的参数：E_on， E_off，E_d，V_ce，f_sw，I_nom，V_f和工作状态d，然后依据确定的IGBT管的参 数和工作状态d计算IGBT管总损耗P_IGBT和HB模块的损耗p_h，具体如下：

IGBT管的开关损耗为：

P_sw＝f_sw×(E_on+E_off)×I_s/I_nom  (7)

IGBT管的导通损耗为：

P_conG＝V_ce×I_s×d  (8)

IGBT管内部反并联二极管的开关损耗为：

P_d＝f_sw×E_d×I_s/I_nom  (9)

IGBT管内部反并联二极管的导通损耗为：

P_cond＝V_f×I_s×(1-d)  (10)

IGBT管的总损耗P_IGBT为：

P_IGBT=P_sw+P_conG+P_d+P_cond  (11)

HB模块的混合损耗为：

P_h＝2×n_IGBT×(P_sw+P_d)  (12)

HB模块的总损耗为：

P_H＝2×n_IGBT×P_IGBT  (13)

步骤b、根据HB模块的总损耗P_H和所述风扇的能效比计算HB模块 旁的风扇的实际功耗P_F，具体如下：

$P_r=P_H/\partial ---\left(14\right)$

步骤c、根据HB模块的总损耗P_H和风扇的实际功耗P_F，以及系统中其 它损耗P_other，计算交流侧取能电源模块的设计功率P_K，具体如下：

P_K＝P_F+P_other  (15)

步骤d、根据交流侧取能电源模块的设计功率P_K和HB模块的混合损耗 P_h，判断交流侧取能电源模块的电压调整能力是否满足要求，具体如下：

如果P_K>＝P_h,则说明交流侧取能电源模块满足电压调整的要求，P_K保持 不变；

如果P_K<P_h,则说明交流侧取能电源模块不能满足电压调整的要求，此时 令P_K＝P_h，使交流侧取能电源模块满足电压调整的要求。

步骤a中IGBT管的工作状态d＝0.8。

步骤b中风扇的能效比

步骤c中系统的其它损耗P_other＝20W～100W。

二极管整流桥AC/DC开关电源的具体结构为：包括依次同向连接的二 极管D1、二极管D2，二极管D1、二极管D2的连接结点与变压器T的正输 出端连接，变压器T的负输出端与通向连接的二极管D3、二极管D4的连 接结点连接，二极管D1、二极管D3的正向输出端连接后连接至结点A，二 极管D2、二极管D4的正向输入端连接后连接至结点D，结点A和结点D 之间连接有电容C3，电容C3的正电压端与结点B连接，电容C3的负电压 端与结点C连接。

交流侧取能电源模块的内部参数具体如下：

二极管整流桥AC/DC开关电源输入端连接的变压器的输出电压峰值 U1_dc＝200V、功率P1_dc＝P_K、变压器变比

二极管整流桥的电压U_D＝250V、电流中间直流母线电容C2 的电压U_C2＝U1_dc、容量C_C2＝1100uF，

DC/DC开关电源输入端连接的变压器T的输出电压U2_dc＝15V、功率 P2_dc＝P_K、变压器变比

本发明的有益效果是，一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧 供电系统，利用带有内部隔离变压器和二极管整流电路的二极管整流桥 AC/DC开关电源，使二极管整流桥AC/DC开关电源内部隔离变压器输出电 压与H桥输出电压成比例，并通过二极管整流电路，使二极管整流桥AC/DC 开关电源仅从输出交流电压最高的H桥单元取能，从而使电压最高的电容总 处于通过对应H桥交流侧向H桥取能电源供电的状态，理想情况下，可以 将H桥单元的电容电压之间的差异调整为零，即实现H桥电容电压的自动 平衡。

附图说明

图1是本发明一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统 的结构示意图；

图2是本发明一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统 中link模块的结构示意图；

图3是本发明一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统 中交流侧取能电源模块的结构示意图；

图4是本发明一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统 中二极管整流桥AC/DC开关电源的结构示意图。

图中，1.link模块，2.CMC模块，3.交流侧取能电源模块，4.二极管 整流桥AC/DC开关电源，5.微直流母线，6.DC/DC开关电源，7.HB模块， 8.Link模块串，9.风扇。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统，结构 如图1所示，包括分别连接在三相线的每一线上的Link模块串8，每个Link 模块串8均包括依次连接的link模块1和电感Ls，3个电感Ls与Link模 块1非连接的一端均连接在一起。

如图2所示，Link模块1的具体结构为：包括CMC模块2，CMC模块 2由若干依次连接的HB模块7组成，每个HB模块7对应连接一个交流侧 取能电源模块3，每个交流侧取能电源模块3还与HB模块7旁的风扇9连 接，所述HB模块7内部是由相同的4个IGBT管A、IGBT管B、IGBT管 C、IGBT管D连接组成，IGBT管A和IGBT管C的共集电极，IGBT管B 和IGBT管D共发射极，IGBT管A的集电极和IGBT管B的发射极之间连 接有直流侧电容C，IGBT管A的发射极和IGBT管B的集电极连接，IGBT 管C的发射极和IGBT管D的集电极连接后同时连接至下一级HB模块7的 IGBT管A的发射极和IGBT管B的集电极之间，IGBT管A的发射极和IGBT 管B的集电极连接线上设有结点E，IGBT管C的发射极和IGBT管D的集 电极连接线上设有结点F。

如图3所示，交流侧取能电源模块3的具体结构为：包括三级依次连接 的二极管整流桥AC/DC开关电源4，每级二极管整流桥AC/DC开关电源4 的正负输入端之间均连接有变压器T，每级二极管整流桥AC/DC开关电源4 的正输出端均连接至结点B，每级二极管整流桥AC/DC开关电源4的负输 出端均连接至结点C，结点B和结点C连接至直流母线5上，结点B和结 点C之间的直流母线5上还连接有电容C2，电容C2的两端连接至DC/DC 开关电源6，每个交流侧取能电源模块3内的第二级二极管整流桥AC/DC 开关电源4的输入端连接的变压器T与所在的交流侧取能电源模块3对应连 接的HB模块7的结点E、结点F连接，同时，每个交流侧取能电源模块3 内的第二级二极管整流桥AC/DC开关电源4输入端连接的变压器T还与下 一级交流侧取能电源模块3内的第一级二极管整流桥AC/DC开关电源4输 入端连接的变压器T连接，每个交流侧取能电源模块3内的第三级二极管整 流桥AC/DC开关电源4输入端连接的变压器T还与下一级交流侧取能电源 模块3对应连接的HB模块7的结点E、结点F连接。

如图4所示，二极管整流桥AC/DC开关电源4的具体结构为：包括依 次同向连接的二极管D1、二极管D2，二极管D1、二极管D2的连接结点与 变压器T的正输出端连接，变压器T的负输出端与通向连接的二极管D3、 二极管D4的连接结点连接，二极管D1、二极管D3的正向输出端连接后连 接至结点A，二极管D2、二极管D4的正向输入端连接后连接至结点D，结 点A和结点D之间连接有电容C3，电容C3的正电压端与结点B连接，电 容C3的负电压端与结点C连接。

H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统相关参数计算如下：

步骤1、首先根据H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统的系 统线电压U_ab和负载最大无功功率Q_Lmax，确定H桥串联型STATCOM的功率 单元交流侧供电系统的额定电流I_S，额定电流I_S的选取依照公式为：

$I_s=\frac{Q_{L\max }}{U_{ab}/\sqrt{3}}---\left(1\right)$

步骤2、根据所述步骤1得到的额定电流I_S，然后确定H桥串联型 STATCOM的功率单元交流侧供电系统中连接的电感L_S的电感值L_S，具体公 式如下：

$L_s=\frac{U_{ab}/\sqrt{3}}{I_s}*\frac{0.1}{2\pi f}---\left(2\right)$

式(2)中，f为电网频率，f＝50Hz，

同时根据本系统中的确定的额定电流I_S的值选取IGBT管的型号及IGBT 管并联的数量，在本系统中，n_IGBT＝2，，IGBT管型号满足以下条件：IGBT 管的电流I_IGBT大于额定电流I_S，IGBT管的电压V_IGBT取值为1200V、1700V、 3300V，表达式为：

n_IGBTI_IGBT＞I_s  (3)

V_IGBT∈{1200，1700，3300}  (4)

步骤3、根据步骤2确定的IGBT管的型号，确定HB模块7的数量N、直流 侧电容C的容值C，具体公式如下：

$N=\mathrm{int}(\frac{\sqrt{2}{U}_{ab}/\sqrt{3}}{V_{IGBT}}*2.35)+1---\left(5\right)$

$C=\frac{{\mathrm{NI}}_s}{U_{ab}/\sqrt{3}}*\frac{1}{2\pi f}*\frac{1}{0.1}---\left(6\right)$

步骤4：根据步骤2中确定的IGBT管型号，确定IGBT管的参数：E_on， E_off，E_d，V_ce，f_sw，I_nom，V_f和工作状态d，IGBT管的工作状态d＝0.8，然 后依据确定的IGBT管的参数和工作状态d计算IGBT管总损耗P_IGBT和HB 模块7的损耗P_H，具体如下：

IGBT管的开关损耗为：

P_sw＝f_sw×(E_on+E_off)×I_s/I_nom  (7)

IGBT管的导通损耗为：

P_conG＝V_ce×I_s×_d  (8)

IGBT管内部反并联二极管的开关损耗为：

P_d＝f_sw×E_d×I_s/I_nom  (9)

IGBT管内部反并联二极管的导通损耗为：

P_cond＝V_f×I_s×(1-d)  (10)

IGBT管的总损耗P_IGBT为：

P_IGBT=P_sw+P_conG+P_d+P_cond  (11)

HB模块的混合损耗为：

P_h＝2×n_IGBT×(P_sw+P_d)  (12)

HB模块的总损耗为：

P_H＝2×n_IGBT×P_IGBT  (13)

步骤5：根据HB模块7的总损耗P_H和所述风扇9的能效比风扇9 的能效比计算HB模块7旁的风扇9的实际功耗P_F，具体如下：

$p_F=p_H/\partial ---\left(14\right)$

步骤6：根据HB模块7的总损耗P_H和风扇9的实际功耗P_F，以及系统 中其它损耗P_other，系统的其它损耗P_other＝20W～100W，计算交流侧取能电 源模块的设计功率P_K，具体如下：

P_K＝P_F+P_other  (15)

步骤7：根据交流侧取能电源模块3的设计功率P_K和HB模块7的混合 损耗P_h，判断交流侧取能电源模块3的电压调整能力是否满足要求，具体如 下：

如果P_K>＝P_h,则说明交流侧取能电源模块3满足电压调整的要求，P_K保 持不变；

如果P_K<P_h,则说明交流侧取能电源模块3不能满足电压调整的要求，此 时令P_K＝P_h，使交流侧取能电源模块3满足电压调整的要求；

步骤8：根据步骤7中确定的交流侧取能电源模块的设计功率P_K，确定 交流侧取能电源模块的内部参数，具体如下：

二极管整流桥AC/DC开关电源4输入端连接的变压器T的输出电压峰 值U1_dc＝200V、功率P1_dc＝P_K、变压器变比

二极管整流桥的电压U_D＝250V、电流中间直流母线电容C2 的电压UC₂＝U1_dc、容量C_C2＝1100uF，

DC/DC开关电源6输入端连接的变压器T的输出电压U2_dc＝15V、功率 P2_dc＝P_K、变压器变比

步骤9：当步骤8完成后，即实现了H桥串联型STATCOM的功率单元 交流侧供电。

本发明一种H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统及设计方 法，通过内部隔离变压器和AC/DC二极管整流的方式将各个H桥的交流电压 供给取能电源的中间直流母线，隔离变压器输出按固定比例跟随H桥交流侧 输出电压，通过二极管整流电路选择交流侧输出电压最高的H桥单元向取能 电源供电，进而降低输出交流侧电压以及对应的H桥单元直流电压。

实施例

H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统的相关参数计算如 下：

步骤1、首先根据H桥串联型STATCOM的功率单元交流侧供电系统的系 统线电压U_ab＝35kV和负载最大无功功率Q_Lmax＝50MVar，确定H桥串联型 STATCOM的功率单元交流侧供电系统的额定电流I_S，额定电流I_S的选取依照 公式为：

$I_s=\frac{Q_{L\max }/3}{U_{ab}/\sqrt{3}}=824A---\left(1\right)$

步骤2、根据步骤1得到的额定电流I_S，然后确定H桥串联型STATCOM的 功率单元交流侧供电系统中连接的电感L_S的电感值L_S，具体公式如下：

$L_s=\frac{U_{ab}/\sqrt{3}}{I_s}*\frac{0.1}{2\pi f}=7.7mH---\left(2\right)$

式(2)中，f为电网频率，f＝50Hz，

同时根据本系统中的确定的额定电流I_S的值选取IGBT管的型号及IGBT 管并联的数量，在本系统中，n_IGBT＝2，IGBT管型号满足以下条件：IGBT 管的电流I_IGBT大于额定电流I_S，IGBT管的电压V_IGBT取值为1200V、1700V、 3300V，表达式为：

n_IGBTI_IGBT＞I_ｓ  (3)

V_IGBT∈{1200，1700，3300}  (4)

因此，选取：V_IGBT＝3300V，I_IGBT＝1200A，所以，IGBT型号为 FZ1200R33HE3；

步骤3、根据步骤2确定的IGBT管的型号，确定HB模块7的数量N、直流 侧电容C的容值C，具体公式如下：

$N=\mathrm{int}(\frac{\sqrt{2}{U}_{ab}/\sqrt{3}}{V_{IGBT}}*2.35)+1=21---\left(5\right)$

$C=\frac{{\mathrm{NI}}_s}{U_{ab}/\sqrt{3}}*\frac{1}{2\pi f}*\frac{1}{0.1}=3300uF---\left(6\right)$

步骤4：根据步骤2中确定的IGBT管型号，确定IGBT管的参数： E_on＝1.95J，E_off＝1.8J，E_d＝1.25J，V_ce＝2.2V，f_sw＝500Hz，I_nom＝412A，V_f＝1.8V 和工作状态d，IGBT管的工作状态d＝0.8，然后依据确定的IGBT管的参数 和工作状态d计算IGBT管总损耗P_IGBT和HB模块7的损耗P_H，具体如下：

IGBT管的开关损耗为：

P_sw＝f_sw×(E_on+E_off)×I_s/I_nom＝140W  (7)

IGBT管的导通损耗为：

P_conG＝V_ce×I_s×d＝725W  (8)

IGBT管内部反并联二极管的开关损耗为：

P_d＝f_sw×E_d×I_s/I_nom＝85W  (9)

IGBT管内部反并联二极管的导通损耗为：

P_cond＝V_f×I_s×(1-d)＝148W  (10)

IGBT管的总损耗P_IGBT为：

P_IGBT=P_sw+P_conG+P_d+P_cond  (11)

HB模块的混合损耗为：

P_h＝2×n_IGBT×(P_sw+P_d)＝1800W  (12)

HB模块的总损耗为：

P_H＝2×n_IGBT×P_IGBT＝8784W  (13)

步骤5：根据HB模块7的总损耗P_H和所述风扇9的能效比风扇9 的能效比计算HB模块7旁的风扇9的实际功耗P_F，具体如下：

$P_F=P_H/\partial =3513W---\left(14\right)$

步骤6：根据HB模块7的总损耗P_H和风扇9的实际功耗P_F，以及系统 中其它损耗P_other，系统的其它损耗P_other＝87W，计算交流侧取能电源模块 的设计功率P_K，具体如下：

P_K＝P_F+P_other＝3600W  (15)

步骤7：根据交流侧取能电源模块3的设计功率P_K和HB模块7的混合 损耗P_h，判断交流侧取能电源模块3的电压调整能力是否满足要求，具体如 下：

P_K＝3600W，P_h＝1800W，因此P_K>P_h,则说明交流侧取能电源模块3满足 电压调整的要求，保持P_K＝3600W不变；

步骤8：根据步骤7中确定的交流侧取能电源模块的设计功率P_K，确定 交流侧取能电源模块的内部参数，具体如下：

二极管整流桥AC/DC开关电源4输入端连接的变压器T的输出电压峰 值U1_dc＝200V、功率P1_dc＝P_K＝3600W、变压器变比

二极管整流桥的电压U_D＝250V、电流中间直流母线电 容C2的电压UC₂＝U1_dc＝200V、容量C_C2＝1100uF，

DC/DC开关电源6输入端连接的变压器T的输出电压U2_dc＝15V、功率 P2_dc＝P_K＝3600W、变压器变比

步骤9：当步骤8完成后，即实现了H桥串联型STATCOM的功率单元 交流侧供电。