静止无功发生器及其控制方法、存储介质与流程

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种静止无功发生器及其控制方法、存储介质。

背景技术：

svg(staticvargenerator，静止无功发生器)相较于fc、svc等传统无功补偿装置，具有容性感性无功连续可调、响应速度更快、输出谐波更低、功率密度更高等优点。

svg通常采用igbt、电容等功率器件级联组成桥式电路，然后通过变压器或电抗器并联在电网上。当检测到电网出现波动时，通过pwm技术自动调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接调节交流侧电流，使桥式电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。svg实现了无功补偿和谐波治理的现实需求，助力发电、输电、用电等企事业单位消除电网污染、稳定电网电压、提高电能质量和输电能力。

目前市场上应用的svg产品电压等级通常分为6kv、10kv、35kv，产品拓扑主要分为直挂式和降压式两种。如图1a所示，直挂式拓扑为电网连接至隔离接地开关，再通过电感到软启装置(软启电阻和接触器)，最后连接至换流链，换流链为多个功率模块串联。如图1b所示，降压式拓扑与直挂式的差异是用变压器替代电感，以此达到将电网电压降至与svg输出电压相同的作用。此外变压器自身的阻抗可起到替代电抗器的作用。无论是直挂式的拓扑还是降压式拓扑，svg中每相换流链中模块的级数较多。例如，10kv产品通常为12级，35kv产品为39级以上。级数较多会带来设备成本的增加、故障率增加、维护繁琐、占地面积增大等缺点。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种静止无功发生器及其控制方法、存储介质，以解决现有svg每相换流链中模块的级数较多，带来设备成本的增加、故障率增加、维护繁琐、占地面积增大等问题。

本申请解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本申请的一个方面，提供的一种静止无功发生器的控制方法，所述方法包括：

确定功率模块的直流母线电压的设定值和波动值；

根据所述功率模块的直流母线电压的设定值和波动值，通过总体直流母线电压平衡控制、相间直流母线电压平衡控制以及级间直流母线电压平衡控制，对所述功率模块的直流母线电压进行控制。

根据本申请的一个方面，提供的一种静止无功发生器，所述静止无功发生器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的静止无功发生器的控制程序，所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器执行时用于实现所述的静止无功发生器的控制方法的步骤。

根据本申请的一个方面，提供的一种存储介质，所述存储介质上存储有静止无功发生器的控制程序，所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器执行时用于实现所述的静止无功发生器的控制方法的步骤。

本申请实施例的静止无功发生器及其控制方法、存储介质，通过抬高直流母线电压的设定值，采用直流母线电压平衡控制方式减小直流母线电压波动，从而提高每个功率模块输出电压的有效值，达到减少静止无功发生器的级联级数的目的；解决了现有svg每相换流链中模块的级数较多，带来设备成本的增加、故障率增加、维护繁琐、占地面积增大等问题。

附图说明

图1a为现有svg的直挂式拓扑结构示意图；

图1b为现有svg的降压式拓扑结构示意图；

图2为本申请实施例的静止无功发生器的功率模块结构示意图；

图3为本申请第一实施例的静止无功发生器的控制方法流程示意图；

图4a-图4d为本申请实施例的静止无功发生器的相电压、电流矢量结构示意图；

图5为本申请实施例的相间直流母线电压平衡控制结构示意图；

图6a-图6b为本申请实施例的级间直流母线电压平衡控制矢量结构示意图；

图7为本申请实施例的级间直流母线电压平衡控制结构示意图；

图8为本申请第二实施例的静止无功发生器结构示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

第一实施例

在阐述本实施例之前，以下结合图2对静止无功发生器的功率模块进行说明：

如图2所示，功率模块内包含igbt(绝缘栅双极型晶体管)t11-t14、吸收电容、直流母线电容c1、放电电阻r1以及供电电源p1。igbt组成全桥电路，igbt上并联有吸收电容，吸收igbt关断时的电压尖峰，确保igbt关断电压尖峰在器件耐受范围内。功率模块的直流侧有大容量的直流母线电容c1、放电电阻r1和供电电源p1。直流母线电容c1可实现储存能量及滤波的功能。放电电阻r1作用是实现母线均压及在停电检修时保证直流母线电容的能量能有效的释放。供电电源p1从直流侧取电，给功率模块单板供电。

直流母线电容的额定电压是一定的，svg正常工作时电容电压不能超过该额定值。混合型损耗(包括开关损耗和续流二极管损耗)、并联型损耗(包括吸收回路损耗、器件断态损耗和直流电容自身损耗)和脉冲延时是稳态时各个功率模块的电容电压波动的主要原因，会使得输出无功功率不平衡，电压畸变率增大，影响系统安全运行。

如图3所示，本申请第一实施例提供一种静止无功发生器的控制方法，所述方法包括：

步骤s11、确定功率模块的直流母线电压的设定值和波动值。

步骤s12、根据所述功率模块的直流母线电压的设定值和波动值，通过总体直流母线电压平衡控制、相间直流母线电压平衡控制以及级间直流母线电压平衡控制，对所述功率模块的直流母线电压进行控制。

在一种实施方式中，所述总体直流母线电压平衡控制包括：

控制所有功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值。

在该实施方式中，所述控制所有功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值包括：

通过有功电流调节指令，从电网吸收有功功率给功率模块的直流母线电容进行充电。

具体地，总体直流母线电压平衡控制是将三相级联svg视为一个共用直流母线的三相全桥拓扑结构，通过有功电流调节指令，从电网吸收有功功率给直流母线电容进行充电，使得svg全部功率模块的直流侧母线电压平均值等于直流母线电压参考电压，即控制输出为有功电流给定值，如下公式所示：

其中为直流母线电压参考值，为所有功率模块的直流母线电压平均值，kp为总体直流母线电压平衡控制系数。

在一种实施方式中，所述相间直流母线电压平衡控制包括：

控制每一相的功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值。

在该实施方式中，所述控制每一相的功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值包括：

通过改变每一相的输出电压，控制每一相的功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值。

为了更好地阐述相间直流母线电压平衡控制，以下结合图4和图5进行说明：

如图4a所示的等效电路，rl代表前置滤波电感、rsvg代表igbt开关和直流电容损耗，一般情况取值较小，svg电流矢量相角接近90°。假设此时svg从电网吸收感性无功功率，电压电流矢量如图4b所示，改变usvg的大小和方向使得r上有功电压变化，进而改变直流母线电容电压。一般为简化计算，只改变usvg幅值和相角中的一个，如图4c、图4d所示。

请参考图5的相间直流母线电压平衡控制结构示意图，当三相直流母线电压平均值偏离参考值，则该相输出电压和发出的无功功率会不平衡，因此此时不仅需要调节有功功率，还需要调节无功功率。将每相级联模块看做一个h桥，改变输出电压usvg大小间接控制直流母线电压。调节量计算公式如下：

其中为直流母线参考电压值，为各相直流母线电压平均值，vbda、vbdb、vbdc为相间直流母线电压平衡控制量，与各自相电压同相位。

在另一种实施方式中，所述级间直流母线电压平衡控制包括：

控制每一个功率模块的直流母线电压等于该功率模块所在相的直流母线电压平均值。

在该实施方式中，所述控制每一个功率模块的直流母线电压等于该功率模块所在相的直流母线电压平均值包括：

在每一个功率模块的直流母线电压上叠加一个有功电压矢量。

具体地，在每一个功率模块的直流母线电压超过第一预设值的情况下，在每一个功率模块的直流母线电压上叠加一个与电流方向反向的有功电压矢量；

在每一个功率模块的直流母线电压低于第二预设值的情况下，在每一个功率模块的直流母线电压上叠加一个与电流方向正向的有功电压矢量。

为了更好地阐述级间直流母线电压平衡控制，以下结合图6和图7进行说明：

假设在一个控制周期内，单个功率模块电压的修正不会引起相电流幅值和相角的变化。在总体直流母线电压平衡控制和相间直流母线电压平衡控制的基础上，在功率模块电压上叠加一个与相电压方向同向或反向的纯有功电压矢量，当功率模块电压偏低时为同向(正有功，给电容充电)，当功率模块电压偏高时为反向(负有功，电容放电)。

如图6a所示，取任一相的一个功率模块，其余n-1个功率模块作为一个整体，等效为两个h桥串联工作。根据上述假设ul矢量不变，当um2功率模块的直流母线电压偏低时，在um2上叠加与电流方向同向的有功电压矢量δu，则功率模块从电网吸收有功，提高直流母线至参考值；当um2功率模块的直流母线电压偏高时，在um2上叠加与电流方向反向的有功电压矢量δu，则功率模块向电网释放有功，降低直流母线至参考值。相的总电压矢量不变，级间直流母线电压平衡控制不会影响到总体直流母线电压平衡控制和相间直流母线电压平衡控制。当svg正常运行时，功率模块总是从电网吸收有功功率，因此叠加量δu被限制在由表示模块电压调节范围的虚线圆和模块电压与电流垂线构成的封闭区域。以此类推，该相其它功率模块的直流母线平衡控制矢量如图6b所示。

请参考图7所示，单个功率模块的直流母线电压调节量如下：

其中，锁相角正弦和电流属性(方向)符号函数的乘积等效于单位电流瞬时值，与电网电压成90°，这是因为svg损耗很小，δ≈0，忽略输出电压产生的相角偏差。

以下以10kvsvg为例进行说明，其中igbt选用1700v型号，电容选用1200v型号，直流母线电压平均值设定为1000v，电压波动通过硬件和软件手段控制在200v内。则每个功率模块输出交流电压有效值为每相换流链最小级数为因此每相换流链取9级，比现有的每相换流链12级明显少了。6kv和35kv的计算方法类似，可以将6kvsvg级数降至5级，可以将35kvsvg级数降至32级，在此不作赘述。

本申请实施例的静止无功发生器的控制方法，通过抬高直流母线电压的设定值，采用直流母线电压平衡控制方式减小直流母线电压波动，从而提高每个功率模块输出电压的有效值，达到减少静止无功发生器的级联级数的目的；解决了现有svg每相换流链中模块的级数较多，带来设备成本的增加、故障率增加、维护繁琐、占地面积增大等问题。

第二实施例

如图8所示，本申请第二实施例提供一种静止无功发生器，所述静止无功发生器包括存储器21、处理器22及存储在所述存储器21上并可在所述处理器22上运行的静止无功发生器的控制程序，所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

确定功率模块的直流母线电压的设定值和波动值；

根据所述功率模块的直流母线电压的设定值和波动值，通过总体直流母线电压平衡控制、相间直流母线电压平衡控制以及级间直流母线电压平衡控制，对所述功率模块的直流母线电压进行控制。

所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

控制所有功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值。

所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

通过有功电流调节指令，从电网吸收有功功率给功率模块的直流母线电容进行充电。

所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

控制每一相的功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值。

所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

通过改变每一相的输出电压，控制每一相的功率模块的直流母线电压平均值等于直流母线电压参考值。

所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

控制每一个功率模块的直流母线电压等于该功率模块所在相的直流母线电压平均值。

所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

在每一个功率模块的直流母线电压上叠加一个有功电压矢量。

所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的静止无功发生器的控制方法的步骤：

在每一个功率模块的直流母线电压超过第一预设值的情况下，在每一个功率模块的直流母线电压上叠加一个与电流方向反向的有功电压矢量；

在每一个功率模块的直流母线电压低于第二预设值的情况下，在每一个功率模块的直流母线电压上叠加一个与电流方向正向的有功电压矢量。

本申请实施例的静止无功发生器，通过抬高直流母线电压的设定值，采用直流母线电压平衡控制方式减小直流母线电压波动，从而提高每个功率模块输出电压的有效值，达到减少静止无功发生器的级联级数的目的；解决了现有svg每相换流链中模块的级数较多，带来设备成本的增加、故障率增加、维护繁琐、占地面积增大等问题。

第三实施例

本申请第三实施例提供一种存储介质，所述存储介质上存储有静止无功发生器的控制程序，所述静止无功发生器的控制程序被所述处理器执行时用于实现第一实施例所述的静止无功发生器的控制方法的步骤。

本申请实施例的存储介质，通过抬高直流母线电压的设定值，采用直流母线电压平衡控制方式减小直流母线电压波动，从而提高每个功率模块输出电压的有效值，达到减少静止无功发生器的级联级数的目的；解决了现有svg每相换流链中模块的级数较多，带来设备成本的增加、故障率增加、维护繁琐、占地面积增大等问题。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。