[发明专利]基于双H桥模块化多电平拓扑的无功补偿装置及控制方法

摘要

基于双H桥模块化多电平拓扑的无功补偿装置及其控制方法，它涉及一种高压大功率、多电平无功补偿装置及其控制方法。本发明的目的是为了解决现有技术换流器输出电平数低且环流抑制效果不好的问题。本发明包括三相交流电源、负载、MMC换流器、信号采集电路、控制电路和驱动电路，所述MMC换流器包括三个结构相同并联连接的桥臂，每个桥臂包括关于桥臂中点对称且串联连接的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括相互串联的电抗器、第一H桥单元、第二H桥单元和若干半桥单元，上桥臂的电抗器与下桥臂的电抗器串联连接，换流器三个桥臂的中点通过导线并联接在三相交流电源和负载之间。本发明实现了在高压大功率领域的无功补偿。

主权项

一种基于双H桥模块化多电平拓扑的无功补偿装置的控制方法，其特征是所述的基于双H桥模块化多电平拓扑的无功补偿装置包括三相交流电源、负载、MMC换流器、信号检测电路、DSP模块和驱动电路，所述换流器包括三个结构相同并联连接的桥臂，每个桥臂包括关于桥臂中点对称且串联连接的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括相互串联的电阻、电抗器、第一H桥单元、第二H桥单元和若干半桥单元，上桥臂的电抗器与下桥臂的电抗器串联连接，换流器三个桥臂的中点通过导线并联接在三相交流电源和负载之间，信号检测电路的输入端分别连接三项交流电源的输出端、负载的输入端、换流器的输出端、换流器三个桥臂、第一H桥单元、第二H桥单元和每个半桥单元、信号检测电路的输出端连接DSP模块的输入端，DSP模块的输出端通过驱动电路与换流器建立连接；所述DSP模块包括第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元的输出端和第二控制单元的输出端分别与驱动电路建立连接，所述第一控制单元包括第一比较器（1）、第二比较器（3）、第三比较器（5）、第四比较器（7）、第五比较器（9）、第一PI控制器（2）、第二PI控制器（4）、第三PI控制器（8）、第一坐标转换器（6）、第二坐标转换器（12）、第一电抗器（10）、第二电抗器（11）、第一调制单元（30）和电容电压排序单元（32），第一比较器（1）、第一PI控制器（2）、第二比较器（3）、第二PI控制器（4）和第三比较器（5）依次串联后接入第一坐标变换器，第四比较器（7）、第三PI控制器（8）和第五比较器（9）依次串联后接入第一坐标转换器（6），第一坐标转换器（6）的输出端连接第一调制单元（30），第一调制单元（30）的输出端连接电容电压排序单元（32），电容电压排序单元（32）的输出端连接驱动电路，所述MMC换流器的输出端连接第二坐标变换器，第二坐标变换器的第一输出端分别连接第二比较器（3）和第二电抗器（11），第二电抗器（11）的输出端连接第三比较器（5），第二坐标变换器的另一输出端分别连接第四比较器（7）和第一电抗器（10），第一电抗器（10）的输出端连接第五比较器（9）；第二控制单元包括第六比较器（13）、第七比较器（15）、第八比较器（18）、第九比较器（21）、第一比例控制器（14）、第二比例控制器（17）、第四PI控制器（16）、第五PI控制器（19）、函数模块（20）和第二调制单元（31），第六比较器（13）、第一比例控制器（14）、第七比较器（15）、第四PI控制器（16）和第二比例控制器（17）依次串联后接入第九比较器（21），第八比较器（18）、第五PI控制器（19）和函数模块（20）依次串联后接入第九比较器（21），第九比较器（21）的输出端连接所述第二调制单元（31），第二调制单元（31）的输出端连接驱动电路；所述基于双H桥模块化多电平拓扑的无功补偿装置包括电压过零检测电路，所述电压过零检测电路包括电压传感器（22）、比较电路（23）和反相器（24），电压传感器（22）的输入端连接三相交流电源的输出端，电压传感器（22）的输出端连接比较电路（23）的输入端，比较电路（23）的输出端通过反相器（24）连接DSP模块；所述基于双H桥模块化多电平拓扑的无功补偿装置包括电流检测及调理电路，所述电流检测及调理电路包括电流传感器（25）、光电隔离放大器（26）和偏置电路（27），电流传感器（25）的输出端连接光电隔离放大器（26），光电隔离放大器（26）的输出端连接偏置电路（27），偏置电路（27）输出端为电流检测及调理电路的输出端；本控制方法包括采用基于瞬时无功功率理论的电流检测法对电流进行检测；对半桥单元、第一H桥单元和第二H桥单元分别控制；所述对半桥单元的控制包括对系统无功的补偿以及维持半桥单元电容电压的稳定，根据基于闭环解耦的电压、电流双闭环控制方法生成调制信号，采用基于载波移相的电容电压排序法使半桥单元的电容电压稳定；所述对第一H桥单元的控制包括利用第一H桥单元增加电平数，并维持第一H桥单元电容电压的稳定；所述对第二H桥单元的控制包括第二H桥单元电容电压均衡和整个无功补偿装置环流的抑制；基于载波移相的电容电压排序法包括：确定需要投入的电平数：首先，利用载波移相调制技术将经过前馈解耦控制得到的调制波与每个桥臂的移相三角载波进行比较，得到需要的电平数N，所述移相三角载波由第一调制单元产生；然后，对得到电平数N进行判断，得到新的电平数k；再根据每个桥臂半桥单元电容电压高低排序情况和桥臂电流的流动方向选择相应的k个半桥单元投入；所述半桥单元电压排序法具体包括：根据桥臂电流的方向进行判断如下：当>0时，则根据半桥单元电容电压排序结果投入电容电压最低的K个半桥单元；当<0时，则根据半桥单元电容电压排序结果投入电容电压最高的K个半桥单元；利用第一H桥单元增加电平数的方法包括：利用载波移相技术对调制信号进行逼近，得到电平数N，然后进行判断；若电平数N为原有的2n+1个电平，则第一H桥单元不需要投入运行，半桥单元需要的电平数k=N，根据电平数k得到半桥单元的控制信号；若电平数为新的2n 个电平，则第一H桥单元投入运行，并通过第一H桥单元控制模块得到第一H桥单元的控制信号，同时确定新的电平数k，然后根据新的电平数k通过半桥单元控制模块得到半桥单元单元的控制信号；对第一H桥单元的控制过程具体包括：先对流过桥臂的电流和直流侧电容电压进行检测，根据电流方向和当前第一H桥单元的直流侧电容电压的大小得到第一H桥单元所需充放电状态，再根据充放电状态及电流方向得到输出电压状态，进而得到第一H桥单元的驱动信号；每一相上、下桥臂第二H桥单元电容电压的给定值与第二H桥单元的实际电容电压进行比较，经PI控制器，其输出乘以该桥臂电流的符号函数后，将生成的第二H桥单元电压信号与三角载波比较后得到PWM波，驱动第二H桥单元中相应的功率开关管，对第二H桥单元的电容进行充放电控制，实现第二H桥单元电容电压的均衡，其中，r=P，N；所述环流抑制过程包括：将每一相环流分别与环流的参考值进行比较，此时环流的参考值=idc/3，得到的结果通过一个比例控制器形成一个第二H桥单元的电压参考值，将这个电压参考值平均分成2份，分别与该相上、下桥臂第二H桥单元的电压信号相加，其中idc为三相 MMC 直流母线电流。