[发明专利]一种无电解电容级联H桥STATCOM系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种无电解电容级联H桥STATCOM系统及控制方法，属于电力电子控制领域，该系统包括：三相电网、三相无功负载、滤波电感和三相级联N个双Buck复用型H桥，N≥2；所述双Buck复用型H桥包括：四个全控型开关管S1～S4、两个解耦电感L_r1和L_r2、三个薄膜电容C_r1、C_r2和C_d；所述C_r1经过L_r1接在H桥第一桥臂的中点构成第一个双向Buck电路，该双向Buck电路与H桥第一桥臂实现开关管复用，C_r2经过L_r2接在H桥第二桥臂的中点构成第二个双向Buck电路，该双向Buck电路与H桥第二桥臂实现开关管复用；所述系统整体采用星形接法。本发明利用复用型有源功率解耦技术，消除H桥直流侧电压二倍频波动，实现薄膜电容替代电解电容，提高装置功率密度和可靠性。

技术领域

本发明涉及电力电子控制领域，具体涉及一种无电解电容级联H桥STATCOM系统及控制方法。

背景技术

我国是一个地域辽阔，能源分布不均的大国，西北部丰富电能需要经过长距离的输送到达东部地区。另外一方面，随着科技和工业的发展，电网中出现了许多诸如轧钢机、矿井提升机、大容量变压器等大功率无功负载，如果电网中无功补偿不足，这种长距离输电将存在巨大的线路损耗，导致电网效率低下；此外，随着传统化石能源的枯竭，世界各国对加强新能源开发利用的呼声越来越高，大量的新能源发电装置接入电网，例如风电和太阳能发电。但是风电和太阳能发电存在固有的间歇性和随机性特点，会导致并网点电压波动，严重时造成脱网运行，需要在电网中接入快速无功补偿装置来保证新能源电网的低电压穿越能力，在并网点电压跌落时，无功补偿设备可以快速向并网点注入无功功率，以此维持电压稳定。STATCOM是现代最为先进的无功补偿装置，通过不同的控制既可发出无功功率，也可吸收无功功率，是柔性交流输电系统和智能电网的研究热点。级联H桥型STATCOM是多电平技术与无功补偿技术相结合的产物，适用于中高压大功率场合，具有结构简单、模块化、冗余度高、输出谐波小和可直接挂网等特点，是当下研究最多的STATCOM拓扑之一。

级联H桥型STATCOM中H桥模块的功率传递规律与单相逆变器类似，其交流侧瞬时功率中包含二次波动成分，导致H桥模块的直流侧电压存在二倍频波动。为了削弱波动的影响，传统的做法是在H桥直流侧并联一个大容值的电解电容，但是电解电容存在着电解液易挥发、寿命短、耐压值低、需频繁更换等问题，很大程度上影响了STATCOM装置的可靠性。所以工业中人们考虑用薄膜电容代替电解电容，而相较于电解电容薄膜电容的功率密度较低，相同的容值和波动抑制效果下，薄膜电容的体积较大，从而使得STATCOM装置整体的体积增加，功率密度降低，另外薄膜电容很难达到较大容值。所以研究者们考虑对H桥直流侧电压进行波动抑制，这样在小波动的情况下，只需在其直流侧并联一个小容值薄膜电容即可，从而达到在减小装置体积的同时增加装置的寿命和可靠性。

目前，H桥模块直流侧电压二倍频波动抑制方法的研究热点是有源功率解耦技术，通过在H桥直流侧并联一个有源功率解耦电路，即直流有源电力滤波器，将H桥直流侧的二倍频波动转移到解耦电路的辅助储能元件上，这样H桥直流侧电压不存在二倍频波动，其直流侧电容主要完成直流电压的支撑，只需要一个很小的薄膜电容即可。但是，这需要增加额外的功率器件，又会使得整体系统的成本和体积增加。少部分学者基于单相并网逆变器，在不增加功率开关管的情况下，研究复用型有源功率解耦技术，将H桥的第二桥臂开关管与有源功率解耦电路开关管实现复用，存在着控制复杂，控制参数设计困难等问题，同时研究背景大都针对单个H桥，目前关于三相级联H桥复用型有源功率解耦控制的研究几乎没有，三相级联H桥复用型有源功率解耦控制与单个H桥虽有类似，但存在诸多差异，三相级联H桥复用型有源功率解耦控制还存在许多问题有待解决，所以级联H桥复用型有源功率解耦控制的研究是非常有必要的。本发明以级联H桥STATCOM为研究背景，基于复用Buck型有源功率解耦技术，对H桥直流侧电压二倍频波动进行抑制，其控制方法可推广到其他级联型多电平变换器中。

发明内容