[发明专利]基于MMC技术的统一电能质量调节器系统及控制方法

说明书

一种基于MMC技术的统一电能质量调节器系统及控制方法，该系统包括可以改变变压器变比的串联MMC、并联MMC、控制电路；串联MMC、并联MMC分别连接至电网侧和负载侧，通过共用直流环节，形成基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构。该控制方法包括abc静止坐标系下的MMC模型变换得到dq旋转坐标系下的微分方程矩阵模型；获得MMC在dq旋转坐标系下的串联MMC、并联MMC的小信号模型；并联MMC的控制策略；串联MMC的控制策略；利用环流直流分量和基频分量的环流控制策略，采用子模块电容电压估计的调制策略。本发明在拓扑结构上可以有效地提高系统补偿最大电压跌落的能力，在控制方法上可以减少环流二次谐波分量，较好地实现换流器相单元电容存储总能量的控制和上下桥臂之间的电容电压平衡的控制，综合补偿各种电能质量问题。

技术领域

本发明涉及柔性交流输配电及电力电子技术领域，特别涉及一种基于模块化多电平变流器的统一电能质量调节器系统及控制方法。

背景技术

现代工业电网中，电机的启动、大负荷的启停、负荷的非线性等各种干扰导致工业电网电压畸变、不平衡电压的上升和下降、电压闪变、负载电流不平衡等，引起工业电网电能质量明显下降。而随着大量新技术的广泛应用，各种检测控制设备等敏感负荷所占的比重越来越大，相应地对电网电能质量的要求越来越高。那么，为了给用户提供纯净的电源，电能质量综合补偿装置的研究非常重要。统一电能质量调节器UPQC(Unified PowerQuality Conditioner)不仅可以补偿电网电压暂升/暂降、电压谐波问题，还可以抑制谐波和无功电流流向电网，能够对工业电网电能质量实现综合补偿，为用户提供稳定、可靠的绿色电源。

但是，目前的UPQC拓扑结构由于受到单个功率器件耐压能力的限制只能应用到低压场合，而无法满足中压大功率场合的要求。模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)作为一种新型的级联型拓扑在中高压、大功率UPQC中日益受到广泛关注。MMC通过子模块的级联实现多电平输出，所有子模块的电容均处于悬浮状态，无需多个独立的直流电压源，从而省去了复杂的移相变压器，而且它具备公共直流母线，因此易于构成统一电能质量调节器。

传统模块化多电平换流器统一电能质量控制器(MMC-UPQC)采用固定变比的串联变压器，这使得系统负荷低于额定值时，UPQC串联侧的实际输出最大功率小于其额定功率，利用率较低。

在环流控制策略方面，目前虽然控制器多种多样，但大多数文献均着眼于二倍频环流的抑制，而对于环流其他频率处的分量研究却鲜有提及。实际上利用环流直流分量可以实现桥臂总能量控制，利用环流基频分量可以实现桥臂能量平衡控制。

另外，目前MMC常用的调制方法有载波移相调制、最近电平逼近调制等，这些调制方法在计算时并没有考虑电容电压的周期性变化，认为子模块电容电压是固定不变的。结果导致环流中含有很高的2次谐波分量，增加了桥臂电流的有效值，另外子模块的额定电流值及开关损耗也随之增加，最重要的影响是桥臂之间的能量传递。

所以为提高电网电能质量，有必要对MMC-UPQC的拓扑结构，各环流频率分量的控制策略，调制策略进行研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于模块化多电平换流器技术的统一电能质量调节器的拓扑结构、控制策略及调制策略。

本发明的技术方案如下：

一种基于模块化多电平换流器技术的统一电能质量调节器的拓扑结构，包括：

串联MMC：包括三个变比可调的单相隔离变压器和一个串联于电网和负载之间的模块化多电平换流器，根据实际负载大小控制选择开关改变串联换流器各抽头与串联换流器的连接关系，即可改变变压器的变比；

并联MMC：与负载并联的模块化多电平换流器；