混合式级联SVG拓扑及其控制方法

摘要

本公开提供了一种混合式级联SVG拓扑结构及其控制方法，使用级联U‑Cell结构与三相H桥结构混用、SiC器件与Si器件混用，从而实现灵活高效、高性价比的无功补偿和高次谐波治理功能。在三相级联U‑Cell单元临近星型连接点处连结一个带电容器的三相H桥式电路，其中三相H桥开关管采用SiC功率器件，高开关频率进行调制，用以补偿电网高次谐波；级联U‑Cell单元开关管采用Si功率器件，低开关频率进行调制，用于补偿电网无功功率和支撑基波电压。相关控制主要用于SVG无功及高次谐波补偿以及电容稳压控制。

权利要求

1.一种混合式级联SVG拓扑结构的控制方法，所述混合式级联SVG拓扑结构包括：三相级联U-Cell及三相H桥式电路，三相级联U-Cell分别包括A相级联U-Cell、B相级联U-Cell及C相级联U-Cell，每相级联U-Cell均包括多个U-Cell单元及一个半U-Cell单元，所述U-Cell单元包括一个极性电容和两个开关管，多个U-Cell单元的极性电容的极性为极性相反的关系，并且同一极性电容两端的两个开关管为开通与关断互补的关系，所述半U-Cell单元包括两个开关管；三相H桥式电路分别包括A相桥臂、B相桥臂及C相桥臂及一个电容器，每相桥臂均包括由开关管形成的上桥臂与下桥臂，每相桥臂的上桥臂的开关管的一端与下桥臂的开关管的一端连接，每相桥臂的上桥臂的开关管的另一端与下桥臂的开关管的另一端分别连接所述一个电容器的两端，A相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接A相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，B相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接B相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，C相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接C相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，其特征在于，通过三相级联U-Cell补偿电网无功功率和支撑基波电压、以及通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波，其中，满足以下公式：其中us为电网的电压，ucell为三相级联U-Cell单元的逆变电压，ut为三相H桥式电路的逆变电压，if为并网基波电流，ihk为谐波电流，jωL为电感在电路中的阻抗，j为虚数单位，ω为角频率，L为电感量，k为谐波次数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每相级联U-Cell的开关管为Si器件，并且三相H桥式电路的开关管为SiC器件。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述控制方法在进行无功功率补偿的同时，为三相级联U-Cell及三相H桥式电路提供少量的有功功率，用于维持直流侧电容电压稳定。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过三相功率的瞬时解耦控制来进行无功功率补偿及电容电压平衡控制，并且所述电容电压平衡控制包括相间电压平衡控制和相内电压平衡控制。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相间电压平衡控制采用负序电压注入的方法，其中通过计算出负序电压的幅值及相角，然后叠加至输出的调制波中，来进行相间电压平衡控制。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述相内电压平衡控制中，在输出的调制波中叠加与基波相电流同向或反向的电压分量，从而吸收或释放有功功率，从而平衡相内电压。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述相内电压平衡控制中，在输出的调制波中叠加与基波相电流同向或反向的电压分量，从而吸收或释放有功功率，从而平衡相内电压。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波时，在三相H桥式电路输出的调制波中叠加与并网基波电流同向或反向的电压分量来对电容电压进行平衡控制，从而通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波时，在三相H桥式电路输出的调制波中叠加与并网基波电流同向或反向的电压分量来对电容电压进行平衡控制，从而通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波时，在三相H桥式电路输出的调制波中叠加与并网基波电流同向或反向的电压分量来对电容电压进行平衡控制，从而通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波。

11.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波时，在三相H桥式电路输出的调制波中叠加与并网基波电流同向或反向的电压分量来对电容电压进行平衡控制，从而通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波。

说明书

混合式级联SVG拓扑及其控制方法

技术领域

[0001] 本公开涉及一种混合式级联SVG拓扑及其控制方法。

背景技术

[0002] 电力系统中的无功与谐波具有增加电网损耗、降低功率因数、影响系统稳定性等一系列危害，是目前电能质量治理的主要问题。因此在国家建设坚强智能电网的背景下，开发一种高性能的无功补偿谐波治理装置，有效治理系统中的无功和谐波，对电网安全、稳定、高效运行具有重要意义。

[0003] 静止同步补偿器(STATCOM)为并联型柔性交流输电装置，因其在无功功率补偿方面具有明显的优势，在电力系统中得到了广泛的应用。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM具有调节连续、谐波小、损耗低、运行范围宽、可靠性高、调节速度快等优点。其中级联H桥STATCOM因其主电路设计简单，易于多电平设计及模块化技术得到了广泛应用。

[0004] 然而，在中高电压等级场合，传统级联H桥STATCOM开关器件较多，结构较为复杂，成本和器件损耗较高。此外在中高压大功率场合，随着新能源装机容量的不断增大，会在并网时带来高次谐波，传统级联H桥STATCOM在补偿无功时难以同时补偿高次谐波；

[0005] 传统级联H桥STATCOM多采用Si功率器件，开关频率较低，10kV等级的STATCOM，其器件的开关频率通常为1kHz以下，这样其损耗较低、效率较高，但低开关频率导致STATCOM难以补偿高次谐波。采用SiC功率器件可以工作在高开关频率状态，但并未增加开关损耗，一方面不影响工作效率，另一方面可有效补偿高次谐波。然而高压SiC功率器件成本较高，目前还不适合大规模工程应用。

发明内容

[0006] 为了解决上述技术问题，本公开提供了一种混合式级联SVG拓扑及其控制方法。

[0007] 本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种混合式级联SVG拓扑，包括三相级联U-Cell单元，在临近星型连接点处连结一个带电容器的三相H桥式电路。其中U-Cell单元的开关管采用Si器件，三相H桥的开关管采用SiC器件，级联U-Cell单元采用低开关频率进行调制，三相H桥采用高开关频率进行调制。SVG三相桥臂通过电感连接至需要无功补偿的电力系统。

[0009] 根据本公开的一个方面，一种混合式级联SVG拓扑结构，包括：三相级联U-Cell及三相H桥式电路，三相级联U-Cell分别包括A相级联U-Cell、B相级联U-Cell及C相级联U-Cell，每相级联U-Cell均包括多个U-Cell单元及一个半U-Cell单元，所述U-Cell单元包括一个极性电容和两个开关管，多个U-Cell单元的极性电容的极性为极性相反的关系，并且同一极性电容两端的两个开关管为开通与关断互补的关系，所述半U-Cell单元包括两个开关管；以及三相H桥式电路分别包括A相桥臂、B相桥臂及C相桥臂及一个电容器，每相桥臂均包括由开关管形成的上桥臂与下桥臂，每相桥臂的上桥臂的开关管的一端与下桥臂的开关管的一端连接，每相桥臂的上桥臂的开关管的另一端与下桥臂的开关管的另一端分别连接所述一个电容器的两端，A相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接A相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，B相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接B相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点，C相桥臂的上桥臂与下桥臂的接点连接C相级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的接点。

[0010] 根据本公开的一个实施方式，每相级联U-Cell的开关管为Si器件，并且三相H桥式电路的开关管为SiC器件。

[0011] 根据本公开的另一方面，一种上述混合式级联SVG拓扑结构的控制方法，其特征在于，通过级联U-Cell补偿电网无功功率和支撑基波电压、以及通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波，其中，满足以下公式：

[0012]

[0013] 其中us为电网的电压，ucell为级联U-Cell单元的逆变电压，ut为三相H桥式电路的逆变电压，if为并网基波电流，ihk为谐波电流，jωL为电感在电路中的阻抗，j为虚数单位，ω为角频率，L为电感量，k为谐波次数。

[0014] 根据本公开的一个实施方式，所述控制方法在进行无功功率补偿的同时，为三相级联U-Cell及三相H桥式电路提供少量的有功功率，用于维持直流侧电容电压稳定。

[0015] 根据本公开的一个实施方式，通过三相功率的瞬时解耦控制来进行无功功率补偿及电容电压平衡控制，并且所述电容电压平衡控制包括相间电压平衡控制和相内电压平衡控制。

[0016] 根据本公开的一个实施方式，所述相间电压平衡控制采用负序电压注入的方法，其中通过计算出负序电压的幅值及相角，然后叠加至输出的调制波中，来进行相间电压平衡控制。

[0017] 根据本公开的一个实施方式，所述相内电压平衡控制中，在输出的调制波中叠加与基波相电流同向或反向的电压分量，从而吸收或释放有功功率，从而平衡相内电压。

[0018] 根据本公开的一个实施方式，通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波时，在三相H桥式电路输出的调制波中叠加与并网基波电流同向或反向的电压分量来对电容电压进行平衡控制,从而通过三相H桥式电路补偿电网高次谐波。

[0019] 本发明的有益效果是：

[0020] (1)该方法三相H桥采用SiC功率器件，降低系统开关损耗，提高开关频率，实现高次谐波的有效补偿；

[0021] (2)该方法通过Si功率器件组成的U-Cell单元补偿无功并支撑基波电压，减少了开关管数目，有效降低了SiC功率器件承受的电压，降低了拓扑成本；

[0022] (3)该方法U-Cell单元采用低开关频率进行调制，三相H桥采用高开关频率进行调制，大大降低开关损耗，提升了系统整体性能；

[0023] (4)该方法可根据实际电压等级需要，选择U-Cell单元的数目，因而本拓扑和控制方法可广泛应用于低中压等不同场合，具有较强的扩展性和实用性。

附图说明

[0024] 附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

[0025] 图1是根据本公开的一个实施方式的混合式级联SVG拓扑结构示意图。

[0026] 图2是根据本公开的一个实施方式的基波相量图的示意图。

[0027] 图3是根据本公开的一个实施方式的无功功率补偿的示意性框图。

[0028] 图4是根据本公开的一个实施方式的相间电压平衡控制的示意性框图。

[0029] 图5是根据本公开的一个实施方式的相内电压平衡控制的示意性框图。

[0030] 图6是根据本公开的一个实施方式的谐波补偿控制的示意性框图。

[0031] 图7是根据本公开的一个实施方式的混合式级联SVG无功及高次谐波补偿效果示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

[0033] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。

[0034] 根据本公开的一个实施方式，提供了一种混合式级联SVG拓扑结构。如图1所示，对于每一相，级联U-Cell由U-Cell单元级联而成，U-Cell单元为多个U-Cell单元(U-Cell)S1、S2、……、及一个半U-Cell单元(Half U-Cell)H1，其中，U-Cell单元包括一个极性电容及两个开关管组成，在各U-Cell单元的联接过程中，U-Cell单元的电容极性保持极性相反的原则，同一电容两端的两个开关管为开通与关断互补的关系。半U-Cell单元由两个开关管组成(不包括电容)。其中，级联U-Cell的各单元的开关管可以采用Si器件，这样可以降低成本。三相的级联U-Cell中的半U-Cell单元的两个开关管的连接点分别连接三相H桥电路的相应相的上桥臂与下桥臂的连接点，上桥臂与下桥臂包括开关管，开关管可以是SiC器件。三相H桥电路的上桥臂与下桥臂的两端连接一个电容。例如，A相的级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的连接接点与三相H桥电路的A相桥臂的上桥臂与下桥臂的连接接点连接，B相的级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的连接接点与三相H桥电路的B相桥臂的上桥臂与下桥臂的连接接点连接，C相的级联U-Cell的半U-Cell单元的两个开关管的连接接点与三相H桥电路的C相桥臂的上桥臂与下桥臂的连接接点连接，A、B、C相的上桥臂与下桥臂的两端共同连接至一个电容。

[0035] 根据本公开，还提供了使用上述拓扑结构的控制方法。

[0036] 根据上述拓扑结构，其中通过级联U-Cell补偿电网无功功率和支撑基波电压、以及通过采用SiC器件的三相H桥式电路补偿电网高次谐波，其中，满足以下公式：

[0037]

[0038] 其中us为电网电压，ucell为级联U-Cell单元的逆变电压，ut为三相H桥式电路的逆变电压，if为并网基波电流，ihk为谐波电流，jωL为电感在电路中的阻抗，j为虚数单位，ω为角频率，L为电感量，k为谐波次数。

[0039] 在中高压大功率场合，系统高次谐波功率较小，因此三相H桥谐波补偿部分可以看成SVG无功补偿的一个微小扰动，因此，系统的基波相量图的示意图可以如图2所示。

[0040] 其中在图2中，其中us为电网电压，ucell为级联U-Cell单元的逆变电压，ut为三相H桥式电路的逆变电压，uL为电感电压，i为基波电流，id、iq分别为电流的有功分量和无功分量，并且从图2中可以看出，系统在进行有效的无功功率补偿外，同时能够给级联U-Cell单元和三相H桥提供少量有功功率，用以维持直流侧电容电压稳定，从而实现支撑基波电压。

[0041] 其中，在该控制方法中，通过级联U-Cell补偿电网无功功率补偿控制时，可以将三相交流信号变换到dq旋转坐标系中进行分析与控制，系统通过瞬时功率解耦控制实现无功补偿和电容电压平衡控制。其中电容电压平衡控制包含相间电压平衡控制和相内电压平衡控制。

[0042] 根据本公开的一个具体实施方式，无功功率补偿的示例性框图可以具体如图3所示(需要注意的是，图3仅为具体实现方式的一种示例)。其中在图3中usa、usb、usc为电网电压，ia、ib、ic为并网电流， 为dq坐标系下并网电流的基波分量， 为U-Cell单元的电容电压平均值， 为电压给定值，Q*为无功功率给定值，θ为电网电压定向角度，abc/αβ/dq为电网Clark变换与Park变换，将三相交流信号变换到dq旋转坐标系中进行分析与控制。系统通过瞬时功率解耦控制实现无功补偿和电容电压平衡控制。其中电容电压平衡控制包含相间电压平衡控制和相内电压平衡控制。

[0043] 相间电压平衡通常采用负序电压注入的方法进行控制，系统通过计算得出负序电压的幅值和相角，然后将负序电压叠加到输出的调制波中，实现系统相间电压平衡。

[0044] 根据本公开的一个具体实施方式，相间电压平衡控制的具体示例性控制框图可以参见图4(需要注意的是，图4仅为具体实现方式的一种示例)。在图4中，其中Vda、Vdb、Vda为各相直流电容电压平均值， 为三相直流电容电压平均值，ωt为电网电压定向角度，系统通过计算得出负序电压的幅值V-和相角θ-，然后将负序电压叠加到输出的调制波中，实现系统相间电压平衡。

[0045] 相内电压平衡控制的基本思想是在输出的调制波中叠加一个与基波相电流同向或反向的电压分量，使得该功率模块吸收或释放有功功率，从而达到平衡向内电压的目的。

[0046] 根据本公开的一个具体实施方式，相间电压平衡控制的具体示例性控制框图可以参见图5(需要注意的是，图5仅为具体实现方式的一种示例)。其中 为i相直流电容电压平均值， 为i相第k个功率模块直流电容电压值，设基波电流为其中 为并网基波电流与电网电压之间的相位差(γa＝γ，
γb＝γ-2π/3，γc＝γ+2π/3)， 为叠加相内平衡分量之前的i相第k个功率模块输出的调制波，将相内电压平衡调制波分量叠加到输出的调制波中，得到最终的调制波 实现系统相内电压平衡。

[0047] 根据本公开的控制方法，当进行谐波补偿控制时，系统通过两相静止坐标系下的谐波补偿算法实现谐波补偿，通过在三相H桥输出的调制波中叠加一个与并网基波电流同向或反向的电压分量实现对电容电压的平衡控制。

[0048] 根据本公开的一个具体实施方式，谐波补偿控制的具体示例性控制框图可以参见图6(需要注意的是，图6仅为具体实现方式的一种示例)。其中usa、usb、usc为三相电网电压，ia、ib、ic为三相并网电流，ifa、ifb、ifc为三相并网基波电流， 为三相谐波电流补偿值，ih为并网电流检测谐波分量， 为三相H桥电容电压给定值，Vdc为三相H桥电容电压值，θ为电网电压定向角度，设基波电流为 其中 为并网基波电流与电网电压之间的相位差(γa＝γ，γb＝γ-2π/3，γc＝γ+2π/3)，abc/αβ/dq为电网Clark变换与Park变换，将三相交流信号变换到αβ两相静止坐标和dq旋转坐标系中进行分析与控制。

[0049] 根据本公开的一个具体实施方式，对系统补偿效果进行了仿真分析，混合式级联SVG无功及高次谐波补偿示意图可以参见图7，图7(a)显示系统对外发送无功电流，0.1s之前三相H桥短路，系统对外只发送无功，不补偿高次谐波，电流FFT分析如图7(b)所示，可以看到无功电流中含有较大的谐波；在0.1s时刻接入三相H桥，系统补偿高次谐波，电流FFT分析如图7(c)所示，可以看到系统对高次谐波具有良好的补偿效果。由此可见，混合式级联SVG系统不但能够调节无功，还能够有效的补偿谐波。

[0050] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

[0051] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0052] 本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。