一种级联对称半桥型低容值STATCOM及其控制方法

一种级联对称半桥型低容值statcom及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统动态无功补偿技术领域，具体为一种级联对称半桥型低容值statcom及其控制方法。


背景技术：

2.随着可再生能源的快速发展和智能电网的推广，电力系统面临着新的机遇和挑战。可再生能源的波动性和不可预测性对电力系统的无功功率平衡提出了更高要求。无功功率补偿在保障电力系统的可靠、稳定运行中扮演着至关重要的角色。静止同步补偿器(static synchronous compensator,statcom)作为一种高性能无功功率补偿设备被广泛应用。其中级联多电平statcom成为近些年的研究热点，级联多电平statcom不仅可以实现无功功率补偿，还能对电力系统进行电压调节和谐波抑制，从而提高电能质量和稳定性。其多电平结构使其具备更好的电压和功率控制能力，能够适应不同电压等级和功率范围的应用需求。此外，通过使用先进的开关技术和控制算法，级联多电平statcom能够实现快速响应和精确的无功功率补偿，优化无功功率补偿能力，提高电力系统的动态性能和稳定性。因此，深入探索和优化级联多电平statcom的设计和控制策略，可以为电力系统的无功功率补偿提供更完善的解决方案。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种级联对称半桥型低容值statcom及其控制方法，与传统级联h桥statcom相比减少一半的开关器件数量，同时其直流侧采用小电容，可以考虑用薄膜电容替代电解电容，显著提高了statcom系统的功率密度与可靠性。同时基于直流侧电容电压分析，设计了电容电压控制方法。此外还给出了级联对称半桥型低容值statcom直流侧电容的选取方法，同时提高了感性工况下直流侧电容电压的大小以拓宽其运行范围。技术方案如下：
4.一种级联对称半桥型低容值statcom，包括交流电源vg、滤波电感l和n个对称半桥子模块；滤波电感l一端连接到交流电源vg的正极，另一端连接到节点a，交流电源vg的负极连接到节点b；
5.所述对称半桥子模块包括：两个全控型开关管t
iu
和t
id
，两个小电容c
iu
和c
id
，i＝1,2,
···
n，上开关管t
iu
中三极管的e极和下开关管t
id
中三极管的c极同时连接到该子模块的电流流入点，上电容c
iu
的正极连接到上开关管t
iu
中三极管的c极，下电容c
id
的负极连接到下开关管t
id
中三极管的e极，上电容c
iu
的负极和下电容c
id
的正极同时连接到该子模块的电流流出点；
6.各对称半桥子模块通过电流流入点和电流流出点级联的方式形成级联对称半桥型变流器，连接到节点a与节点b之间。
7.进一步的，所述小电容为薄膜电容。
8.更进一步的，所述对称半桥子模块的调制采用双极性载波移相正弦脉宽调制，取
t0＝0为初始时，对称半桥子模块上电容电压v
iu
(t)为：
[0009][0010]
其中，m为调制波的幅值，ω为电网角频率，i
gm
为电网电流的幅值，c
dc
为直流侧电容值，即上电容c
iu
和下电容c
id
的取值；v
iu0
为上电容电压直流量，为上电容电压交流量；
[0011]
对称半桥子模块下电容电压v
id
(t)为：
[0012][0013]
其中，v
id0
为下电容电压直流量，为下电容电压交流量；
[0014]
则用于控制系统的谐波补偿包括：
[0015]
谐波补偿1：
[0016]
谐波补偿2：
[0017]
一种级联对称半桥型低容值statcom的控制方法，包括：
[0018]
1)直流侧总电容电压控制：
[0019]
通过控制有功功率来调节总电容电压；n个子模块的电容电压累加求取平均值v
av
，注入谐波补偿1后与设定的直流侧电容电压参考值v
0_ref
进行比较，差值由一个pi控制器追踪输出有功电流参考值i
d_ref
；参考电压v
0_ref
的设定依据statcom运行模式以及输出无功电流的大小而采用不同的控制方式：当statcom运行于电容模式且输出无功电流小等于额定无功电流i
qn
时，进行电容电压峰值控制；当statcom运行于电容模式且输出无功电流大于额定无功电流i
qn
时，进行电容电压谷值控制；当statcom运行于电感模式时，进行电容电压谷值控制；
[0020]
2)变流器电流内环控制；
[0021]
电流内环控制的电流参考值i
g_ref
由有功和无功部分组成；有功电流参考值i
d_ref
是由直流侧总电容电压控制产生的，无功电流参考值i
q_ref
由变流器输出的无功电流大小进行设定；参考电流与实际电流的差值通过一个pr控制器进行追踪，pr控制器输出值加上前馈信号v
abm
·
sinωt标幺化后输出调制波m
ref
；
[0022]
3)子模块间电容电压均衡控制；
[0023]
每个对称半桥子模块采用一个单独的pi控制器来注入调制波调整分量，每个对称半桥子模块的上下电容平均值与直流侧总电容电压控制得到的电容电压平均值v
av
进行比较后通过一个pi控制器与锁相环输出的电容模式cosωt或电感模式-cosωt相乘，输出调
制波调整分量δm
i_ref
，该调制波调整分量与变流器输出电流同相；
[0024]
4)子模块上下电容电压均衡控制；
[0025]
每个对称半桥子模块上下电容的差值通过谐波补偿2进行谐波补偿后利用一个单独的pi控制器进行追踪；pi输出值注入到子模块的调制波，作用相当于对调制波进行上下偏置，使得功率在上下电容间进行调整从而达到电容电压平衡。
[0026]
进一步的，在直流侧总电容电压控制中，直流侧电容电压参考值v
0_ref
的设定具体如下：
[0027]
a)电容模式电容电压控制：
[0028]
在正常工作模式下，系统以一个固定的电容电压波动峰值运行，电容电压波动峰值v
c_max
由下式得到：
[0029][0030]
式中，v
i_max
为第i个子模块电容电压波动最大值，i
q_ref
为无功电流参考值；
[0031]
为了在不同的无功电流参考值i
q_ref
下有一个恒定的电容电压波动峰值v
c_max
，引入控制变量a使得直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值相关联：
[0032]vc_max
＝av
gm
[0033]
式中，v
gm
为电网电压；
[0034]
则直流侧电容电压参考值v
0_ref
表示为：
[0035][0036]
式中，i
qn
为额定无功电流；且控制变量a的取值为：
[0037][0038]
式中，v
abm
为变流器输出交流电压v
ab
幅值，l为滤波电感值；
[0039]
当无功电流超过额定电流时，对称半桥型低容值运行于超功率运行模式，此时系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压波动谷值v
c_min
由下式得到：
[0040][0041]
式中，v
i_min
为第i个子模块电容电压波动最小值；
[0042]
为了在不同的无功电流参考值i
q_ref
下有一个恒定的v
c_min
，引入控制变量b使得直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值相关联：
[0043]vc_min
＝bv
gm
[0044]
且控制变量b的取值范围为0《b《a，此时，直流侧电容电压参考值v
0_ref
表示为：
[0045][0046]
b)电感模式电容电压控制：
[0047]
在电感模式下对称半桥型低容值statcom系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压谷值v
l_min
由下式得到：
[0048][0049]
为了在不同的无功电流参考值i
q_ref
下有一个恒定的v
l_min
，引入控制变量c关联直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值：
[0050]vl_min
＝cv
gm
[0051]
其中控制变量c取值为：
[0052][0053]
直流侧电容电压参考值v
0_ref
表示为：
[0054][0055]
同时限定额定运行功率下的电压波动峰值为电压上限v
l_max
，v
l_max
由下式求取：
[0056][0057]
进一步的，所述级联对称半桥型低容值statcom的直流侧电容值的选取方法为：
[0058][0059]
式中，n为子模块个数，i
qn
为额定无功电流，β定义为级联对称半桥型statcom直流侧电容c
dc
允许的电压波动大小与v
gm
的比值；表示为：
[0060]
β＝a-b
[0061]
所述控制方法还包括拓宽感性工况运行方法：
[0062]
为电感模式其与电容模式具有对称的无功补偿能力，电则感模式下电容电压上限v
l_max
为：
[0063]vl_max
＝cv
gm
+βv
gm
。
[0064]
本发明的有益效果是：本发明采用对称半桥子模块作为级联变流器的子模块，与传统的级联h桥相比减少了一半的开关器件数量。通过充分利用直流侧电容电压波动大幅减小了电容容值，可以考虑用薄膜电容替代电解电容，增加了statcom系统的功率密度及可靠性。同时通过适当提高电感模式下直流侧电容电压的电压拓宽了感性工况下的运行范围。此外，本发明所设计的控制方法能良好控制所提出的级联对称半桥型statcom系统。
附图说明
[0065]
图1为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电路原理图。
[0066]
图2为本发明级联对称半桥型低容值statcom的对称半桥子模块电流正方向。
[0067]
图3为本发明级联对称半桥型低容值statcom的对称半桥子模块开关调制信号。
[0068]
图4(a)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的相位图
‑‑
电容模式.
[0069]
图4(b)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的相位图
‑‑
电感模式。
[0070]
图5(a)为对称半桥子模块的电容电压波动特性
‑‑
电容模式上下电容电压波动。
[0071]
图5(b)为对称半桥子模块的电容电压波动特性
‑‑
电感模式上下电容电压波动。
[0072]
图5(c)为对称半桥子模块的电容电压波动特性
‑‑
电容/电感模式上下电容电压平
均值。
[0073]
图5(d)为对称半桥子模块的电容电压波动特性
‑‑
电容/电感模式上下电容电压差值。
[0074]
图6(a)为本发明级联对称半桥型statcom系统控制框图
‑‑
总电容电压控制。
[0075]
图6(b)为本发明级联对称半桥型statcom系统控制框图
‑‑
电流内环控制。
[0076]
图6(c)为本发明级联对称半桥型statcom系统控制框图
‑‑
子模块间电容电压均衡控制。
[0077]
图6(d)为本发明级联对称半桥型statcom系统控制框图
‑‑
子模块上下电容均衡控制。
[0078]
图7为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电容模式下电容电压控制示意图。
[0079]
图8为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电感模式下电容电压控制示意图。
[0080]
图9(a)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电容模式仿真结果
‑‑
子模块电容电压。
[0081]
图9(b)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电容模式仿真结果
‑‑
直流侧总电容电压。
[0082]
图9(c)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电容模式仿真结果
‑‑
电网电压及电流。
[0083]
图10(a)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电感模式仿真结果
‑‑
子模块电容电压。
[0084]
图10(b)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电感模式仿真结果
‑‑
直流侧总电容电压。
[0085]
图10(c)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电感模式仿真结果
‑‑
电网电压及电流。
[0086]
图11(a)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电容模式切换至电感模式仿真结果
‑‑
子模块电容电压。
[0087]
图11(b)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电容模式切换至电感模式仿真结果
‑‑
直流侧总电容电压。
[0088]
图11(c)为本发明级联对称半桥型低容值statcom的电容模式切换至电感模式仿真结果
‑‑
电网电压及电流。
具体实施方式
[0089]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0090]
如图1所示，本发明级联对称半桥型低容值statcom的拓扑包括交流电源vg、滤波电感l、n个对称半桥子模块。所述的对称半桥子模块包括：两个全控型开关器件t
iu
、t
id
(i＝1,2,
···
n)，两个小电容c
iu
、c
id
(i＝1,2,
···
n)(可采用薄膜电容)，对称半桥子模块通过级联的方式形成级联对称半桥型变流器。
[0091]
本发明的级联对称半桥型低容值statcom电容电压波动规律分析如下：
[0092]
我们首先对对称半桥子模块的电流正方向进行定义，定义流进对称半桥子模块的电流方向为正，与电网电流正方向一致。同时，定义流经电容的电流正方向为正极指向负
极，如图2所示。图中i
iu
和i
id
分别表示流经第i个对称半桥子模块上、下电容的电流。
[0093]
对称半桥子模块的调制采用双极性载波移相正弦脉宽调制，假设调制波m为正弦信号，表示为：
[0094]
e1:m＝m sinωt
[0095]
式中，m为调制波的幅值，ω为电网角频率。
[0096]
调制波与载波比较产生对称半桥子模块上、下开关的控制信号s
iu
和s
id
，如图3所示。当开关频率较高时，上下开关控制信号在开关频率下的平均值和接近正弦，可以近似表示为：
[0097]
e2:
[0098]
e3:
[0099]
因此，流经第i个对称半桥子模块上、下电容的电流i
iu
(t)和i
id
(t)可以分别等效表示为：
[0100]
e4:
[0101]
e5:
[0102]
式中，ig(t)为电网电流，e5中添加负号是由于下电容电流正方向与电网电流正方向相反。
[0103]
图4给出了statcom的相位图，图中v
l
表示滤波电感上的电压降。当statcom运行于电容模式时，电网电流ig(t)相位超前电网电压vg(t)相位90度，如图4(a)所示；而当statcom运行于电感模式时，电网电流ig(t)相位滞后电网电压vg(t)相位90度，如图4(b)所示。故假设电网电压、电流分别为：
[0104]
e6:vg(t)＝v
gm
·
sinωt
[0105]
e7:ig(t)＝
±igm
·
cosωt
[0106]
式中，v
gm
、i
gm
分别为电网电压和电网电流的幅值。“+”表示电容模式，
“‑”
表示电感模式。
[0107]
变流器输出交流电压v
ab
(基频分量)相位与电网电电压保持一致，可以表示为：
[0108]
e8:v
ab
(t)＝v
abm
·
sinωt
[0109]
式中，v
abm
为变流器输出交流电压v
ab
幅值，由下式得到：
[0110]
e9:v
abm
＝v
gm
±
ωli
gm
[0111]
对于对称半桥子模块上电容，其电容电压v
iu
(t)可以由下式得到：
[0112]
e10:
[0113]
取t0＝0为初始时刻对上式进行积分运算得到：
[0114]
e11:
[0115]
式中，v
iu0
为第i个子模块上电容电压的直流分量。
[0116]
同样的，对称半桥子模块下电容，其电容电压v
id
(t)可以由下式得到：
[0117]
e12:
[0118]
取t0＝0为初始时刻对上式进行积分运算得到：
[0119]
e13:式中，v
id0
为第i个子模块下电容电压的直流分量。
[0120]
假设上下电容初始电压一致均为v0，即v
iu0
＝v
id0
＝v0，由e11和式e13可以看出，对称半桥子模块的上下电容电压波动规律一致，只是存在相位上的差异。其第i个子模块电容电压波动最大值v
i_max
及最小值v
i_min
可以共同表示为：
[0121]
e14:
[0122]
e15:电容电压波动最大值与最小值将用于控制系统的电压外环设计。
[0123]
将e11与e13相加求取其平均值可得：
[0124]
e16:谐波补偿1：
[0125]
将e11减去e13得到上下电容的差值，为：
[0126]
e17:谐波补偿2：
[0127]
e16与e17得到的信号均为正弦信号，其将用于控制系统的谐波补偿。
[0128]
图5(a)-图5(c)展示了上述对称半桥子模块的电容电压波动特性。
[0129]
本发明的级联对称半桥型低容值statcom的控制方法，具体实现方式如下：
[0130]
级联对称半桥型低容值statcom控制系统如图6所示，它包含四个部分：1)直流侧总电容电压控制，如图6(a)所示；2)变流器电流内环控制，如图6(b)所示；3)子模块间电容电压均衡控制，如图6(c)所示；4)子模块上下电容电压均衡控制，如图6(d)所示。
[0131]
1)直流侧总电容电压控制：通过控制有功功率来调节总电容电压。n个子模块的电容电压累加求取平均值v
av
，注入由e16设计的谐波补偿1后与设定的参考电压v
0_ref
进行比较，差值由一个pi控制器追踪输出有功电流参考i
d_ref
。参考电压v
0_ref
的设定对statcom不同的运行模式而有所差异。
[0132]
电容模式电容电压控制：
[0133]
图7给出了对称半桥型低容值statcom在电容模式下无功电流iq随时间线性增加时，不同的电容电压控制规律。图中vu、vd分别表示直流侧上、下电容电压总和。由图可以看出，以额定无功电流i
qn
为界，电容模式下运行模式可以分为正常运行模式和超功率运行模式。
[0134]
在正常工作模式下，无功电流小等于设置的额定无功电流，对电容电压进行控峰值控制。系统以一个固定的电容电压波动峰值运行，电容电压波动峰值v
c_max
可以由下式得到：
[0135]
e18:
[0136]
为了在不同的i
q_ref
值下有一个恒定的v
c_max
，引入变量a使得直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值相关联：
[0137]
e19:v
c_max
＝av
gm
[0138]
由式e18和e19，直流侧电容电压参考值v
0-ref
可以表示为：
[0139]
e20:
[0140]
在实际工况中，直流侧总电容电压必须大于变流器输出电压，因此，变量a的取值为：
[0141]
e21:
[0142]
当无功电流超过额定电流时，为超功率运行模式，无功电流大于设定的额定无功电流，对电容电压进行控谷值控制。对称半桥型低容值可以运行于超功率运行模式。此时系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压波动谷值v
c_min
可以由下式得到：
[0143]
e22:
[0144]
为了在不同的i
q_ref
值下有一个恒定的v
c_min
，引入变量b使得直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值相关联：
[0145]
e23:v
c_min
＝bv
gm
[0146]
变量b的取值范围为0《b《a。此时，直流侧电容电压参考值v
0_ref
可以表示为：
[0147]
e24:
[0148]
电感模式电容电压控制：
[0149]
图8给出了对称半桥型低容值statcom在电感模式下无功电流iq随时间线性增加时，电容电压的控制规律。由图可以看出，在电感模式下对称半桥型低容值statcom系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压谷值v
l_min
可以由下式得到：
[0150]
e25:
[0151]
为了在不同的i
q_ref
值下有一个恒定的v
l_min
，引入变量c关联直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值：
[0152]
e26:v
l_min
＝cv
gm
[0153]
在电感模式下，滤波电感上电压降对变流器输出电压幅值v
ab
有降低的作用，c可以取值为：
[0154]
e27:
[0155]
直流侧电容电压参考值v
0_ref
可以表示为
[0156]
e28:同时限定额定运行功率下的电压波动峰值为电压上限v
l_max
，v
l_max
可以由下式求取：
[0157]
e29:
[0158]
2)变流器电流内环控制：电流内环控制的电流参考值i
g_ref
由有功和无功部分组成。有功电流参考值i
d_ref
是由直流侧总电容电压控制产生的，无功电流参考值i
q_ref
由变流器输出的无功电流大小进行设定。参考电流与实际电流的差值通过一个pr控制器进行追踪，pr控制器输出值加上前馈信号v
abm
·
sinωt标幺化后输出调制波m
ref
。
[0159]
3)子模块间电容电压均衡控制：每个对称半桥子模块采用一个单独的pi控制器来注入一个较小的调制波调整分量。每个对称半桥子模块的上下电容平均值与直流侧总电容电压控制得到的电容电压平均值v
av
进行比较后通过一个pi控制器与锁相环输出的cosωt/-cosωt(电容模式/电感模式)相乘，输出调制波调整分量δm
i_ref
，该调制波调整分量与变流器输出电流同相。
[0160]
4)子模块上下电容均衡控制：每个对称半桥子模块上下电容的差值通过e17设计的谐波补偿器进行谐波补偿后利用一个单独的pi控制器进行追踪。pi输出值注入到子模块的调制波，作用相当于对调制波进行上下偏置，使得功率在上下电容间进行调整从而达到电容电压平衡。
[0161]
本发明的一种级联对称半桥型低容值statcom的电容选取方法：
[0162]
e30:
[0163]
式中，n为子模块个数，i
qn
为额定无功电流，β定义为级联对称半桥型statcom直流侧电容允许的电压波动大小与v
gm
的比值。可以表示为：
[0164]
e30:β＝a-b
[0165]
本发明的一种级联对称半桥型低容值statcom的拓宽感性工况运行方法：
[0166]
为了拓宽电感模式的运行区间，本文提高了电感模式电容电压上限以增加感性无功功率补偿能力。为电感模式其与电容模式具有对称的无功补偿能力，电感模式下电容电压上限v
l_max
由e29和e30可得：
[0167]
e31:v
l_max
＝cv
gm
+βv
gm
[0168]
依据以上拓扑及其控制方法，利用matlab/simulink进行仿真实验，验证本发明的可行性，仿真参数如表1所示：
[0169]
表1仿真参数
[0170][0171]
图9给出了级联对称半桥型低容值statcom运行于电容模式下的仿真结果。无功电流参考值i
q_ref
在t0时刻以25a/s的变化速率由5a经0.2秒后变为10a，在t1时刻又以25a/s的变化速率由10a经0.2秒后变为15a。在此期间，对称半桥子模块间及上下电容电压保持均衡如图9(a)所示。图9(b)验证了直流侧上电容电压总和vu及下电容电压总和vd按照设定的电容电压控制进行波动。在无功电流小于额定电流10a时，以av
gm
为电容电压波动上限进行峰值控制。在无功电流超过额定电流10a时，以bv
gm
为电容电压波动下限进行谷值控制，验证了对称半桥型低容值statcom在电容模式下具有超功率运行的能力。在以上的电流变换过程中，电网电流几乎无畸变，其相位超前电网电压相位90度，如图9(c)所示。
[0172]
图10给出了级联对称半桥型低容值statcom运行于电感模式下的仿真结果。无功电流参考值i
q_ref
在t2时刻以25a/s的变化速率由5a经0.2秒后变为额定电流10a。在此期间，对称半桥子模块间及上下电容电压保持均衡如图10(a)所示。图10(b)验证了直流侧上电容电压总和vu及下电容电压总和vd按照设定的电容电压下限cv
gm
进行波动。在以上的电流变换过程中，电网电流几乎无畸变，其相位滞后电网电压相位90度，如图10(c)所示。
[0173]
图11提供了对称半桥型低容值statcom由电容模式运行切换到电感模式运行的仿真结果。在t3时刻容性无功电流参考值以-50a/s的变化速率由10a经约0.2秒后降至0a。并在t4时刻，切换至电感模式控制，感性无功电流参考值以50a/s的变化速率由0a经约0.2秒后升至10a。在运行模式切换期间，无功电流过渡平滑，相位由超前电网电压90度变为滞后电网电压90度，如图11(c)所示。statcom输出电流再变换过程中有少许畸变，这是由于在参考电流变换过程电压参考值变化导致上下电容之间出现偏差，电压外环控制引入谐波。

技术特征：
1.一种级联对称半桥型低容值statcom，其特征在于，包括交流电源v
g
、滤波电感l和n个对称半桥子模块；滤波电感l一端连接到交流电源v
g
的正极，另一端连接到节点a，交流电源v
g
的负极连接到节点b；所述对称半桥子模块包括：两个全控型开关管t
iu
和t
id
，两个小电容c
iu
和c
id
，i＝1,2,
···
n，上开关管t
iu
中三极管的e极和下开关管t
id
中三极管的c极同时连接到该子模块的电流流入点，上电容c
iu
的正极连接到上开关管t
iu
中三极管的c极，下电容c
id
的负极连接到下开关管t
id
中三极管的e极，上电容c
iu
的负极和下电容c
id
的正极同时连接到该子模块的电流流出点；各对称半桥子模块通过电流流入点和电流流出点级联的方式形成级联对称半桥型变流器，连接到节点a与节点b之间。2.根据权利要求1所述的级联对称半桥型低容值statcom，其特征在于，所述对称半桥子模块的调制采用双极性载波移相正弦脉宽调制，取t0＝0为初始时，对称半桥子模块上电容电压v
iu
(t)为：其中，m为调制波的幅值，ω为电网角频率，i
gm
为电网电流的幅值，c
dc
为直流侧电容值，即上电容c
iu
和下电容c
id
的取值；v
iu0
为上电容电压直流量，为上电容电压交流量；对称半桥子模块下电容电压v
id
(t)为：其中，v
id0
为下电容电压直流量，为下电容电压交流量；则用于控制系统的谐波补偿包括：谐波补偿1：谐波补偿2：3.根据权利要求1所述的级联对称半桥型低容值statcom，其特征在于，所述小电容为薄膜电容。4.一种权利要求2所述的级联对称半桥型低容值statcom的控制方法，其特征在于，包括：1)直流侧总电容电压控制：通过控制有功功率来调节总电容电压；n个子模块的电容电压累加求取平均值v
av
，注入
谐波补偿1后与设定的直流侧电容电压参考值v
0_ref
进行比较，差值由一个pi控制器追踪输出有功电流参考值i
d_ref
；参考电压v
0_ref
的设定依据statcom运行模式以及输出无功电流的大小而采用不同的控制方式：当statcom运行于电容模式且输出无功电流小等于额定无功电流i
qn
时，进行电容电压峰值控制；当statcom运行于电容模式且输出无功电流大于额定无功电流i
qn
时，进行电容电压谷值控制；当statcom运行于电感模式时，进行电容电压谷值控制；2)变流器电流内环控制；电流内环控制的电流参考值i
g_ref
由有功和无功部分组成；有功电流参考值i
d_ref
是由直流侧总电容电压控制产生的，无功电流参考值i
q_ref
由变流器输出的无功电流大小进行设定；参考电流与实际电流的差值通过一个pr控制器进行追踪，pr控制器输出值加上前馈信号v
abm
·
sinωt标幺化后输出调制波m
ref
；3)子模块间电容电压均衡控制；每个对称半桥子模块采用一个单独的pi控制器来注入调制波调整分量，每个对称半桥子模块的上下电容平均值与直流侧总电容电压控制得到的电容电压平均值v
av
进行比较后通过一个pi控制器与锁相环输出的电容模式cosωt或电感模式-cosωt相乘，输出调制波调整分量δm
i_ref
，该调制波调整分量与变流器输出电流同相；4)子模块上下电容电压均衡控制；每个对称半桥子模块上下电容的差值通过谐波补偿2进行谐波补偿后利用一个单独的pi控制器进行追踪；pi输出值注入到子模块的调制波，作用相当于对调制波进行上下偏置，使得功率在上下电容间进行调整从而达到电容电压平衡。5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在直流侧总电容电压控制中，直流侧电容电压参考值v
0_ref
的设定具体如下：a)电容模式电容电压控制：在正常工作模式下，系统以一个固定的电容电压波动峰值运行，电容电压波动峰值v
c_max
由下式得到：式中，v
i_max
为第i个子模块电容电压波动最大值，i
q_ref
为无功电流参考值；为了在不同的无功电流参考值i
q_ref
下有一个恒定的电容电压波动峰值v
c_max
，引入控制变量a使得直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值相关联：v
c_max
＝av
gm
式中，v
gm
为电网电压；则直流侧电容电压参考值v
0_ref
表示为：式中，i
qn
为额定无功电流；且控制变量a的取值为：式中，v
abm
为变流器输出交流电压v
ab
幅值，l为滤波电感值；
当无功电流超过额定电流时，对称半桥型低容值运行于超功率运行模式，此时系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压波动谷值v
c_min
由下式得到：式中，v
i_min
为第i个子模块电容电压波动最小值；为了在不同的无功电流参考值i
q_ref
下有一个恒定的v
c_min
，引入控制变量b使得直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值相关联：v
c_min
＝bv
gm
且控制变量b的取值范围为0<b<a，此时，直流侧电容电压参考值v
0_ref
表示为：b)电感模式电容电压控制：在电感模式下对称半桥型低容值statcom系统以一个固定的电容电压谷值运行，电容电压谷值v
l_min
由下式得到：为了在不同的无功电流参考值i
q_ref
下有一个恒定的v
l_min
，引入控制变量c关联直流侧电容电压参考值v
0_ref
与电网电压幅值：v
l_min
＝cv
gm
其中控制变量c取值为：直流侧电容电压参考值v
0_ref
表示为：同时限定额定运行功率下的电压波动峰值为电压上限v
l_max
，v
l_max
由下式求取：6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述级联对称半桥型低容值statcom的直流侧电容值的选取方法为：式中，n为子模块个数，i
qn
为额定无功电流，β定义为级联对称半桥型statcom直流侧电容c
dc
允许的电压波动大小与v
gm
的比值；表示为：β＝a-b所述控制方法还包括拓宽感性工况运行方法：为电感模式其与电容模式具有对称的无功补偿能力，电则感模式下电容电压上限v
l_max
为：v
l_max
＝cv
gm
+βv
gm
。

技术总结
本发明公开了一种级联对称半桥型低容值STATCOM及其控制方法，该级联对称半桥型低容值STATCOM与传统级联H桥STATCOM相比，减少了一半的开关器件数量。并通过分析直流侧电容电压的波动特性，充分利用电容电压波动以减小直流侧电容容值，提高了STATCOM系统的功率密度。同时直流侧电容的大幅度降低为薄膜电容替换电解电容提供了可能，进一步提高了该拓扑的可靠性。此外基于电容电压分析结果，设计了所提出的STATCOM系统的电容电压控制方法，同时给出直流侧电容的选取方法。并针对感性工况运行范围受限的问题，提出提高直流侧电容电压波动上限的方式以增加感性无功功率补偿量。上限的方式以增加感性无功功率补偿量。上限的方式以增加感性无功功率补偿量。


技术研发人员：王顺亮 李金铭 张芮 马俊鹏 刘天琪
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/20