一種多級注入式電流源變換器的設計

一種多級注入式電流源變換器的設計

0電路工作原理隨著電氣系統(tǒng)復雜性的提高和對可靠、安全、可控、經濟和高質量能源需求的增加，fac裝置受到了廣泛的關注。作為FACTS控制器家族的一個重要成員，靜止同步補償器(staticsynchronouscompensator,STATCOM)目前已成為研究與關注的重點。STATCOM是一種并聯(lián)型無功補償裝置，能吸收和發(fā)出無功，可以增強功率傳輸能力，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定極限，還可用來阻尼系統(tǒng)振蕩，提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定極限。根據直流側電壓和電流特性的不同，STATCOM可分為電壓源(voltagesourceconverter,VSC)型和電流源(currentsourceconverter,CSC)型。在過去的10年中，VSC的研究與應用占主導地位，對CSC的研究很少。與VSC相比，CSC有如下優(yōu)點：1）變換器輸出電流的直接控制；2）固有的短路保護能力(直流側電感的作用)；3）高可靠性(開關管的單向流通和自身短路保護能力)。由于CSC具有上述優(yōu)點，并且隨著大功率反向阻斷器件以及高溫超導儲能技術的不斷發(fā)展，CSC在大功率場合得到了廣泛應用。基于CSC的STATCOM沒有實現商業(yè)化的一個主要原因是：為了吸收換流時負載電感中存儲的能量，需要在交流側設置交流電容器，這就大大增加了變換器的成本和體積；而且由于交流電容器的存在，還可能與交流電感發(fā)生諧振。紋波注入的概念最早在20世紀80年代提出，其變換拓撲分為2大類：多級注入式電壓源變換器(multi-levelvoltagereinjectionvoltagesourceconverter,MLVR-VSC)和多級注入式電流源變換器(multi-levelcurrentreinjectioncurrentsourceconverter,MLCR-CSC)。MLCR-CSC實現了軟開關與多級變換，降低了諧波畸變率和開關頻率，特別適合于高壓大功率場合。MLCR-CSC零電流切換的實現，使得不再需要大容量的電容來吸收換相過程中交流系統(tǒng)的電感儲能，所以，簡化了MLCR-CSC與交流系統(tǒng)的連接；此外，MLCR-CSC零電流切換的實現以及交流側高質量的輸出電流波形，使得交流側不需要濾波電容器，避免了諧振風險。本文建立了基于MLCR-CSC的STATCOM的數學模型，給出了控制策略框圖，利用PSCAD/EMTDC對所建立的模型進行仿真，結果表明，該結構的STATCOM具有良好的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性，并且驗證了所提出控制策略的可行性。1電流源變換轉換電路圖1是5級注入式電流源變換器結構。將平衡電抗器、注入開關、直流側平波電抗器mL和直流電源Ed的組合看成是兩主變換器的負載，使用多抽頭電抗器為兩主橋產生注入電流波形。當Sj1導通而其它注入開關均截止時，直流電流Idc完全由Y連接橋提供，僅有很小的勵磁電流流過?連接橋；當Sj5導通而其它注入開關均截止時，直流電流Idc完全由?連接橋提供，僅有很小的勵磁電流流過Y聯(lián)接橋：于是主橋近似實現了零電流軟開關(zerocurrentswitch,ZCS)。圖中電抗器的匝數必須滿足N1=N2=N3=N4，以保證兩主橋直流側電流波形相同且有30°的相移。圖中：Iy、Id分別為經5個注入開關組合形成的2個6脈波橋的注入；Iay、Iad分別為電流源變換器交流側Y接橋和?接橋的a相電流。MLCR-CSC主橋零電流切換的實現保證了串聯(lián)開關器件的動靜態(tài)均壓，允許主橋開關器件直接串聯(lián)，為超高壓、大功率變換器在輸配電網中的應用提供了可能。另外，對于注入電路開關器件(Sj1…Sj5)并沒有實現軟開關，所以注入開關都需要加設吸收電路，不過每個開關的工作電流均為單向流通，所以吸收電路可以采用簡單的阻容吸收電路。連接變壓器是一個三相三繞組變壓器，Y/Y和Y/?連接的匝數之比分別為Kn:1和Kn:。在電源對稱狀態(tài)下運行時，直流側電壓紋波很小且頻率很高，很小的平波電抗器就能抑制直流側電流的波動；在電源非對稱狀態(tài)下運行時，相對較大的平波電抗器才能抑制直流側電流的波動。當變換器從感性區(qū)域變化到容性區(qū)域時，或在相反的動態(tài)變化過程中，要求一個較大的電感來抑制電流沖擊。2交流側保護電路圖2是STATCOM與電網總線連接的原理圖，圖中的變換器是MLCR-CSC。圖中：Usa、Usb、Usc為三相電網電壓；Ls為連接電抗及變壓器漏抗；R1為變壓器銅耗；R2為變換器中開關器件漏電流對應的等效電阻；Ldc為平波電抗器；Rdc為變換器開關損耗和通態(tài)損耗。MLCR-CSC零電流切換的實現，確保了串聯(lián)電感無儲能，交流側不需要大容量的交流電容，使變換器與交流系統(tǒng)的連接簡化。整個電路結構可以看成是一個可控的電流源連接在交流系統(tǒng)上，這個可控的交流電流源向系統(tǒng)注入一個三相正弦交流電流，超前或滯后系統(tǒng)電壓90°，從而達到吸收和發(fā)出無功的目的。但在實際裝置中，交流側電壓與電流的夾角要偏離90°，這樣變換器可以吸收一部分有功功率來補償系統(tǒng)消耗的功率。只考慮STATCOM輸出電流的基波分量而忽略諧波分量，根據STATCOM裝置的等效電路圖，可列出STATCOM裝置的abc三相數學方程。根據交流側電壓關系，可得式中：Is=[Isa,Isb,Isc]Τ，IC=[ICa,ICb,ICc]Τ，。忽略變換器開關器件漏電流損耗，根據直流側和交流側的能量關系可得式中：UC=[UCa,UCb,UCc]Τ；IC=[KIdccos(ωt+θ),;K為比例系數；θ為STATCOM輸出電流與系統(tǒng)電壓的夾角，為可控量。利用電力系統(tǒng)中常用的經典派克變換，將時變微分方程變?yōu)槌Ｏ禂滴⒎址匠?。經典的派克變換矩陣為式中ω為d-q坐標的旋轉角頻率，與系統(tǒng)電壓的額定角頻率相同。輸入向量u定義為3自由s彈性控制mlcr-cscPI控制理論基礎是線性系統(tǒng)理論。應用非線性系統(tǒng)的局部線性化理論，并且考慮到開關器件的漏電阻R2損耗很小，可以推出系統(tǒng)的近似線性化模型。其中在+90°時在-90°時在MLCR-CSC模型中，根本的控制量只有1個，就是輸出電流與系統(tǒng)電壓的夾角θ。當MLCR-CSC用于STATCOM時，采用功率角±90°±?θ控制直流電流Idc，?θ的變化范圍很小，在工作點近似線性變化。但是單向直流電流增減的幅度不僅與功率角的變化量?θ有關，還與功率角的正負極性有關。為了控制直流側電流，在±90°附近功率角的增量?θ必須與變換器的工作狀態(tài)協(xié)調產生正確的?θ的變換極性。圖3給出了基于MLCR-CSC的STATCOM的控制框圖，給定參考無功電流的絕對值Im*與實測無功電流的絕對值Im進行比較，經過PI調節(jié)器輸出觸發(fā)角的變化量，這里設計其變化量為±5%。圖中UsRMS為網側相電壓的有效值?？刂撇呗钥驁D中范圍比較器極性判斷的作用為：當無功功率的極性改變時，相角變化180°，使電流源變換器從一個區(qū)域平滑過渡到另一個區(qū)域。觸發(fā)角的變化量?θ與+90°或-90°的和作為觸發(fā)邏輯的給定角，從而達到控制無功功率的目的。4電流特性分析仿真電路的主要參數設置如下：對稱三相交流電源的線電壓有效值為100kV；電源變壓器的額定視在功率為100MVA，工作頻率為50Hz，漏抗為10%；5抽頭電抗器的額定電壓為68kV，額定視在功率為25MVA，工作頻率為300Hz(6倍電源基波頻率)；負載支路電感Ld為2H，電阻Rdc為1?，R1為0.2?。圖4(a)(b)是經5個注入開關組合形成的2個6脈波橋的注入電流Iy、Id。注入電路頻率是電源基波頻率的6倍，當注入開關Sj1打開時?接橋上的電流為零，當注入開關Sj5打開時Y接橋上的電流為零，這就為主橋的換相提供了軟開關條件，使變換器與交流系統(tǒng)的連接簡化，網側不需要大容量的交流電容。圖4(c)(d)分別顯示的是變換器交流側?接橋和Y接橋的a相電流波形Iay、Iad，經過連接變壓器合成后形成如圖4(e)所示的電網側輸出a相電流波形，顯然近似為正弦波，電網側不需要濾波器Ia。圖5波形反映了基于MLCR-CSC的STATCOM在閉環(huán)控制下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，這里截取0～3s內一段波形，在0～3s內設定參考無功功率變化3次。實測的無功功率能快速跟隨設定值變化且無穩(wěn)態(tài)誤差，如圖5(a)所示；圖5(b)給出了無功功率變化時的直流側電流變化情況；圖5(c)給出了0～3s三相交流電流的波形，在這一階段，無功功率經歷了由容性到感性和感性到容性的變化過程。從圖中可以看出，在一個電源周期左右的時間內，STATCOM即可實現負荷從容性到感性或從感性到容性的變化，表明STATCOM具有良好的動態(tài)性能。