基于级联式多电平变换器的静止无功补偿器拓扑研究

电力系统实时无功补偿对提升电能质量至关重要,传统的无功功率补偿常采用大容量的电抗器、电容器,体积大、重量大、效率低。静止无功补偿器采用全控开关器件构成,具有可控,动态响应速度快,损耗低,效率高的优点。以单相H桥为级联单位串联而成的级联式多电平变换器可通过对各个H桥进行移相控制,输出多电平波形,提高输出电压正弦度,降低谐波含量,减小滤波器的体积,且具有扩展性强,适应性强,实现容易等优点。介绍了级联式多电平变换器的拓扑与工作原理及适用于该变换器的基于三角载波移相技术的PWM调制策略,通过降低开关管的开关频率,提高系统的效率。最后搭建了仿真模型验证了该拓扑与调制策略的有效性。

新型混合级联多电平换流器型静止同步补偿器的设计

构建了新型混合级联多电平换流器(hybrid cascaded multilevel converter,HCMC)型静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)(即HCMC-STATCOM)的拓扑结构,并分析其工作原理,对两电平换流器直流电压和整形电路H桥子模块个数进行了优化设计。为实现两电平换流器和整形电路的协调控制及电容电压稳定控制,研究了两电平换流器和整形电路的调制策略,并提出了一种有效的控制方案。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了35 k V/±100 Mvar HCMC-STATCOM仿真模型,仿真结果表明了HCMC-STATCOM拓扑结构及其工作原理的可行性和控制方案的有效性。

混合级联多电平换流器型静止同步补偿器的优化设计

研究了混合级联多电平换流器型静止同步补偿器(HCMC-STATCOM)。对两电平换流器的直流电压和整形电路的模块个数进行了优化设计;对两电平换流器和整形电路的直流电容纹波电压进行了数学建模,为电容参数设计提供了理论基础;对HCMC-STATCOM与链式静止同步补偿器进行了对比研究,结果表明HCMC-STATCOM能够有效减少H桥的模块数目,同时能够显著减少储能电容的容量,有利于减少装置的成本及其占地面积。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了35kV/±100Mvar的HCMC-STATCOM仿真模型,仿真结果表明了HCMC-STATCOM拓扑结构的可行性和理论分析的正确性。

基于级联多电平逆变器的静止同步串联补偿器仿真研究

近些年来,阶梯波调制方法在高电压、大容量多电平逆变器中得到了广泛的应用。本文首先介绍了一种在线计算触发角的方法,它只需要进行几个三角函数的计算就可以求出触发角,计算简单快速。然后将其在5H桥级联逆变器中得到了实现,并提出了逆变器H桥触发角的循环控制策略。同步静止补偿器(SSSC)是灵活交流输电控制器的一种,它可以调节系统阻抗,控制系统潮流和提高系统稳定性,具有良好的性能。文中把前面得到的逆变器模型应用到了SSSC中,并提出了相应的SSSC控制策略。最后在EMTDC/PSCAD中对提出的SSSC仿真模型进行了仿真验证。仿真结果表明,无论运行在感性模式还是容性模式,文中提出的SSSC模型都是合理的。

三相电压源型逆变器级联的静止同步补偿器

提出一种三相电压源型逆变器级联的静止同步补偿器。该补偿器主电路由具有独立直流侧电容的三相电压源型逆变器通过单相耦合变压器级联而成,耦合变压器的容量为补偿器容量的1/3,具有逆变器中开关器件的开关应力小、直流侧电容电压波动小、补偿电流的波形品质好等优点。采用移相脉宽调制技术可以在不改变输出电压品质的情况下降低逆变器的开关频率,将输出电压的谐波主频带推至3倍开关频率附近,采用d-q解耦控制可提高补偿器的响应速度。考虑到补偿器中各逆变器可能存在参数不一致的问题,对各逆变器的直流侧进行电压平衡控制,仿真实验证明了该补偿器及其控制方法的正确性和有效性。

级联型静止同步补偿器的直流电压检测及控制方法研究

基于移相式载波脉宽调制原理,提出一种实用的检测各逆变单元直流电容电压的方法。该方法可大大减少传统电压检测方法中所需传感器的数量、简化系统结构、提高系统稳定性。在此基础上,提出直流电容电压平衡控制的方法。在基于Simulink的±50Mvar STATCOM仿真模型上进行仿真研究,搭建基于DSP的±1.5kvar STATCOM物理模拟装置。仿真和实验结果验证了所提出的电压检测及控制策略的正确性和可行性。

基于自抗扰控制器的级联多电平静态同步补偿器控制系统

级联多电平静态同步补偿器(STATCOM)是强耦合非线性系统,采用传统PID控制和现代控制理论难以得到满意的控制效果。为了提高系统的动态性能和鲁棒性,文中根据自抗扰控制器(ADRC)的原理提出了级联多电平STATCOM的自抗扰控制方案。自抗扰控制器的设计不需要精确的STATCOM参数和数学模型,它内部的扩张状态观测器可以估计出系统内扰(包括模型的不确定项和耦合项)和外扰的实时作用并给予补偿,从而实现无功电流和有功电流的解耦自抗扰控制。仿真和试验结果表明,自抗扰控制器对系统模型的不确定性和外扰具有较强的适应性和鲁棒性,控制系统具有优良的动态性能。

基于级联延时信号消除-锁相环算法的配电网静止同步补偿器控制策略

对于配电网静止同步补偿器(distribution static synchronous compensator,DSTATCOM),并网电压的相位实时检测是无功功率检测以及各种坐标变换的关键。在传统的基于同步旋转坐标系的锁相环的基础上,提出了基于级联延时信号消除(cascaded delayed signal cancellation,CDSC)的锁相环算法,以抑制电网电压负序分量和谐波分量对检测结果的影响,并采用拉格朗日插值算法提高相位检测的精度和速度。将该方法应用于负载平衡和不平衡情况下的星形连接的级联式DSTATCOM系统中,平衡情况下采用基于分相控制和有功电压矢量叠加法的控制策略,不平衡情况下采用基于分相控制和零序电压注入法的控制策略,仿真结果验证了控制方法的正确性和有效性。

三电平静止同步补偿器内模控制研究

静止同步补偿器(STATCOM)用于电网动态补偿时,无功电流检测环节及电流控制器的设计对其补偿性能起着决定性的影响。在传统的FBD功率理论的基础上,对传统FBD检测法做出改进,引入电网虚拟磁链模观测器代替原有的锁相环对电网电压进行重构,提高了电网电压存在畸变时无功电流的检测能力,同时采用惯性环节代替了低通滤波器降低了检测系统的时延。在此基础上针对静止同步补偿器存在着非线性和强耦合的特性,提出一种基于内模控制原理和三电平空间矢量算法相结合的电流解耦控制方法,根据内模控制基本原理,设计了静止同步补偿器的双闭环内模控制器。基于Matlab/Simulink仿真平台,对改进型FBD无功电流检测方法和电流环内模解耦控制器进行了系统仿真分析,最后通过实验验证了控制方法的正确性和有效性。

三相H桥级联静止同步补偿器的控制策略

三相H桥级联静止同步补偿器(STATCOM)可以解决配电网冲击性、不对称负载造成的动态电能质量问题,也具有多电平、易扩展的特点,而静止同步补偿器数学模型是一个强耦合、非线性系统,存在有功无功解耦难的问题,H桥级联的拓扑又使得电容电压平衡控制成为难点。针对有功无功耦合问题,通过引入精确反馈线性化方法实现完全解耦,系统降阶为两个独立的一阶线性系统,并引入指数趋近律设计完成滑模控制器,克服了传统比例积分(PI)控制器参数整定困难、鲁棒性不佳的问题。针对电容电压平衡问题,通过分析单个H桥模块的工作模态,结合最近电平逼近调制策略,实现了电容均压。在Matlab/Simulink中搭建系统模型,数值仿真结果表明有功和无功功率完全解耦,可独立调节,电容电压能稳定在设定值,系统动态响应性能优于PI控制,并且对内部参数变动具有一定的鲁棒性。

空间矢量调制技术在6kV级联静止同步补偿器中的应用

将简化的空间矢量调制技术与载波移相技术相结合,介绍了载波移相SVM调制技术的基本原理。结合级联H桥拓扑结构,分析了空间矢量调制技术在级联静止同步补偿器(STATCOM)中的实现方法,并进行了仿真实验分析。与传统的CPS-SPWM调制方式相比,该方法具有直流电压利用率高、易于数字化实现等优点。此外还给出了该级联STATCOM装置的系统结构。仿真和实验结果表明,基于载波移相SVM调制技术的6kV级联同步补偿器能够在实际电网中以较低的开关频率准确、有效地实现无功功率与谐波的综合补偿。

单相H桥级联静止同步补偿器反馈线性化解耦控制

单相H桥级联静止同步补偿器(static synchronous compemator,STATCOM)可以快速补偿电力机车这种单相整流的波动性负荷所需的无功,但静止同步补偿器是一个强耦合、非线性系统,为对有功和无功进行解耦,引入反馈线性化方法,通过坐标变化和状态反馈,获得精确线性化模型,并使有功、无功完全解耦,设计完成闭环控制器。为保持H桥直流侧电容电压均衡,采用电压外环和独立均压控制相结合的方法,使电容电压维持在设定值。同时,采用载波相移正弦脉宽调制策略(carrier phase-shifted sinusoidal pulse-width modulation,CPS-SPWM),在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率。数值仿真结果表明,本文采用控制策略正确有效,系统有功和无功功率可独立调节,动态性能良好,电容电压能稳定在设定值。

级联H桥型静止同步补偿器触发脉冲的快速生成方法

详细分析基于对称规则采样和不对称规则采样的正弦脉宽调制(sine pulse width modulation,SPWM)脉冲生成方法的特点,并介绍一种应用在级联H桥型变流装置中的载波相移正弦脉宽调制(carrier phase-shifted sine pulse width modulation,CPS-SPWM)脉冲生成时序,在此基础上,提出一种基于不对称规则采样的CPS-SPWM脉冲的快速生成方法。分析研究基于该方法的级联H桥型变流装置输出电压的基波特性。理论分析、仿真和实验结果表明,该方法相对基于对称规则采样的CPS-SPWM脉冲生成方法,既没有增加采样频率,也没有增加计算工作量。同时,装置输出电压的基波分量不仅延时缩小1半,仅滞后调制波1/4个载波周期,而且幅值有所提高,波形的不对称性也有所改善。

级联H桥型静止同步补偿器控制方法仿真分析

无功功率的传输对电力系统稳定性与安全性会产生不利的影响,传统的无功补偿技术已经不能满足要求。为提高无功补偿性能,在分析级联H桥型静止同步补偿器(STATCOM)的工作原理和拓扑结构的基础上,采用跟踪型脉宽调制(PWM)控制技术的电流直接控制方法,研究了级联H桥型STATCOM的稳态和动态的无功补偿作用。通过MATLAB仿真软件分析,仿真结果验证了控制方法的有效性和级联H桥型STATCOM的无功补偿性能。

具有谐波分频补偿功能级联静止同步补偿器

传统的静止同步补偿器功能(STATCOM)较为单一,特别在大功率领域主要以补偿无功或稳定电压为主,提出一种谐波分频补偿技术,能够在动态无功补偿的同时实现20次以内的谐波治理,解决了目前大功率领域中无功与谐波不能综合补偿的问题。此外,给出了装置基于平均开关法的数学模型,在此基础上实现有功和无功电流的解耦控制。该补偿器采用8级级联H桥结构,配合载波移相SVM技术运用,装置最大可实现17电平的电压波形,电流电压利用率高且易于数字化实现。最后,仿真和实验结果表明,基于谐波分频控制技术的6 kV级联同步补偿器能够在实际电网中,以较低的开关频率,准确、有效地实现无功功率与谐波的综合补偿。

基于分散控制的级联静止同步补偿器直流侧电压均衡控制

基于单极倍频与载波移相相结合的调制算法,分析了级联静止同步补偿器直流侧电容电压不平衡机理,根据分散控制的方法,提出了通过改变输入单链节的瞬时有功功率来平衡直流侧电容电压的控制策略。该策略可在每一个逆变单元里独立实现,与相邻逆变单元不存在耦合,且不需要额外检测其他物理量,具有可靠性高、易于实现等优点。仿真和样机实验验证了该控制策略的可行性和有效性。

五电平静止同步补偿器的数学建模

为了解决低压(中压)主开关器件在高压应用情况下的矛盾,国外有许多学者提出了多电平逆变技术,并在静止同步补偿器(STATCOM)中有很好的应用。在对五电平STATCOM基本工作原理分析的基础上,利用开关函数的概念,建立五电平STAT-COM在ABC三相静止坐标系和DQ两相旋转坐标系下的高频数学模型,并通过系统仿真,验证了所建数学模型的正确性。同时,对五电平STATCOM的建模方法可推广应用于其他类似结构的电力电子电路的研究中。

基于载波变频脉冲宽度调制技术的级联型静止同步补偿器

针对当前静止同步补偿器(STATCOM)存在的问题,提出了将载波变频技术脉冲宽度调制VFCB-PWM与级联H桥型多电平变换器相结合的级联型静止同步补偿器,阐述了载波变频技术的工作原理及其具体实现方法。Matlab仿真结果表明,该级联型静止同步补偿系统能在较低开关频率情况下准确、有效地补偿谐波和无功电流,性能良好。

基于模块化多电平换流器拓扑的静止同步补偿器非线性控制策略

基于模块化多电平换流器的静止同步补偿器(modular multilevel converter-static synchronous compensator,MMC-STATCOM)能够对输电系统进行灵活控制和动态补偿,对于充分挖掘现有电网潜力具有举足轻重的意义。但是,MMC-STATCOM作为一种强耦合、多变量的非线性系统,需要选择合适的非线性控制策略来实现其丰富的控制功能。建立MMC-STATCOM数学模型并结合非线性控制理论中的优点,提出了无源滑模控制策略。当系统参数变化或存在外部扰动时,该控制策略赋予MMC-STATCOM系统较强的鲁棒性和良好的控制性能。在MATLAB/Simulink中构建了21电平MMC-STATCOM仿真系统,仿真结果验证了所提控制策略的可行性。

TNPC三电平静止同步补偿器不平衡负荷控制策略

负荷不平衡会导致电网损耗增大,关键设备出现过流故障甚至损坏等问题,对此主要研究了T型中点箝位(TNPC)三电平静止同步补偿器(STATCOM)对电网不平衡负荷和无功功率进行综合补偿的方法。首先建立三相三桥臂TNPC STATCOM在两相旋转坐标系下的数学模型,在双闭环控制中加入陷波器实现对负荷正序、负序和零序电流的联合控制,在此基础上完成TNPC拓扑中点平衡控制,保证零序电流控制和中点平衡控制的解耦。最后搭建TNPC静止同步补偿器实验平台,验证了控制策略的有效性。