新型通用配电网静止同步补偿器拓扑及其控制策略研究

With the steadily increasing requirement of power quality, more and more attentions have been paid to the three-phase voltage unbalance. Compared with the traditional reactive power compensation devices, D-STATCOMs based on the star-connected cascade topology have the advantages of fewer number of H-bridge modules, easy packaging, easy physical layout, high stabilization, low distortion wave, directly connecting to the grid without the bulky step-up transformer and so on, which determine their multiple recognition and attention. D-STATCOMs also can be used to suppress the three-phase voltage unbalance. However, compared with those D-STATCOMs with common dc-link capacitors, it is very difficult to realize the dc voltage control for the cascade D-STATCOMs with split and isolated dc-link capacitors, because the active power can’t be exchanged among the three phases. This project proposes a new D-STATCOMs, which consists of cascaded H-bridge modules and the module with common dc-link capacitors, can be easily used to supressing the three-phase voltage unbalance. The main studies include: the coordinated control of the cascaded H-bridge modules and the module with common dc-link capacitors, a novel robust current control with L2-gain performance based on the combination with repetitive control and passivity-based control, the hierarchical coordinated control of dc voltage. Finally, the feasibility of this topology and control strategy has been tested on a 0.69-kV experimental prototype and 10-kV practical engineering equipment.

本项目旨在提出一类由链式H桥逆变单元和直流侧共电容器逆变单元组合的新型通用配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)，它能够克服链式D-STATCOM的直流电压相间平衡问题，从而在中低压配电网实现对三相不平衡的补偿。主要研究内容包括：(1)利用重复控制与无源性控制相结合方法实现在三相不平衡补偿时的基于鲁棒L_2性能准则的电流控制器设计，其中重复控制对周期干扰进行补偿，无源性控制确保重复控制的收敛性和对控制目标的渐近跟踪，并抑制非周期干扰对控制效果的影响；(2)直流电压的分层控制，通过给定正序有功电流分量实现直流电压的稳定控制，通过链式H桥逆变单元的输出电压闭环控制实现直流电压的相间平衡控制，利用H桥逆变单元之间的能量交换实现直流电压的均衡控制。最后进行0.69kV低压样机和10kV实际装置现场运行的实验研究，验证拓扑结构和控制算法的有效性以及工程应用的可行性。

利用配电网静止同步补偿器(D-STATCOM)实现对电能质量的综合治理是用户新的需求，但现有链式拓扑在实现对三相不平衡补偿时由于有功能量不能在三相桥臂之间自由流动，负序分量的存在会导致直流电压的相间不平衡。本基金提出一类由链式H桥逆变单元和直流侧共电容器逆变单元组合的新型通用D-STATCOM，基于本基金主要完成如下研究内容：(1)分析了链式D-STATCOM在实现三相不平衡补偿时直流电压相间不平衡的机理，提出了零序基波分量的注入可实现直流电压的相间平衡，并给出了零序分量的计算公式，说明了该方法的缺陷；(2)建立了考虑未知干扰和参数摄动影响的中点钳位式三电平D-STATCOM的精确数学模型，精确分析了参数摄动导致的有功能量分配不均是中点电位漂移的根本原因，通过零序直流分量的注入，利用直流侧上下端电容器之间的有功能量交换实现了中点电位的平衡控制；(3)建立了新型通用D-STATCOM在考虑参数摄动和未知干扰的精确数学模型，利用重复控制与无源性控制相结合方法实现在三相不平衡补偿时的基于鲁棒L2性能准则的电流控制器设计，其中重复控制对周期干扰进行补偿，无源性控制确保重复控制的收敛性和对控制目标的渐近跟踪，并抑制非周期干扰对控制效果的影响；(4)建立了新型通用D-STATCOM在实现对电能质量综合治理时无需基波电流正负序分量的分离和无功及各次谐波电流提取的等效电压源电路模型，分析了各频率分量的相互作用对补偿补偿效果带来的不利理想，在静止坐标系下基于准比例谐振控制实现了对指令电流各频率分量的协调控制，利用数字锁相环实现了单位工频周期的定点数采样，保证了控制系统对频率波动的自适应性；(5)通过协调控制链式H桥逆变单元的电压输出和直流侧共电容器逆变单元的电压输出实现了新型通用D-STATCOM的直流电压的相间平衡控制。仿真和3.3kV样机的实验研究验证了本文所提拓扑结构及控制系统的准确性和有效性。本基金的研究工作，为工业现场的三相不平衡治理提供了有效的解决途径，同时为其他电力变换需求提供了可能的拓扑结构。