基于模块化多电平换流器的无功补偿装置的制造方法
【专利摘要】基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，涉及电网谐波治理领域。本实用新型是为了解决现有的用于电网的补偿装置缺少对电网系统的无功功率、谐波以及电压的不平衡进行补偿的装置，导致电网系统可靠性差的问题。所述三个电流检测电路连在三相电网的三相阻尼负载上，三个电流检测电路输出端分别连DSP控制器输入端，MMC换流器输出端连电压检测电路输入端，电压检测电路输出端连DSP控制器输入端，DSP控制器输出端连驱动单元输入端，驱动单元一个驱动信号输出端同时连MMC换流器每相上桥臂的第一SM模块单元的一端，第六SM模块单元的另一端连接驱动单元的另一个驱动信号输出端，电感La的另一端连接在三相电网上。它用在电网中。
【专利说明】
基于模块化多电平换流器的无功补偿装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及基于模块化多电平换流器的无功补偿装置。属于电网谐波治理领 域。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术的迅猛发展，非线性负载日益增加，引起电网电压波动，产生大 量的无功和谐波，为了使电力系统高效、绿色、稳定的运行，无功补偿及谐波抑制技术的提 出为电网治理提供了一种有效的手段，考虑到耐压等级、开关频率以及稳定性等因素，高电 压、大容量的模块化静止无功补偿器应运而生。
[0003] 常见的多电平拓扑结构主要有：二极管钳位型、飞跨电容型、及H桥级联型以及模 块化多电平换流器。随着电平数的增加，二极管钳位型和飞跨电容型结构所需的开关器件 和钳位电容数量大大增加，给实际推广应用带来很大困难;而H桥级联结构不能对配电网系 统的无功功率、谐波以及不平衡状况进行综合治理。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型是为了解决现有的用于电网的补偿装置缺少对电网系统的无功功率、 谐波以及电压的不平衡进行补偿的装置，导致电网系统可靠性差的问题。现提供基于模块 化多电平换流器的无功补偿装置。
[0005] 基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，它包括检测单元、DSP控制器、驱动单 元和MMC换流器，
[0006] DSP控制器采用型号为TMS320F2812的芯片实现，
[0007] 检测单元包括三个电流检测电路和电压检测电路，
[0008] 三个电流检测电路分别用于检测阻感负载的一相电流信号，三个电流检测电路的 电流信号输出端分别连接DSP控制器的电流信号输入端，
[0009] MMC换流器的电压信号输出端连接电压检测电路的电压信号输入端，电压检测电 路的电压信号输出端连接DSP控制器的电压信号输入端，
[0010] DSP控制器的控制信号输出端连接驱动单元的控制信号输入端，
[0011] 驱动单元输出两路驱动信号，
[0012] 驱动单元的两路驱动信号输出端均连接MMC换流器的驱动信号输入端，
[0013] MMC换流器的输出的三相补偿电流信号分别用于补偿三相交流电源的无功和谐 波。
[0014] 本实用新型的有益效果为：电流检测电路采样负载侧电流，得到有功电流id和无 功电流iq;电压检测电路对直流侧电容电压采样，利用电压排序法将电容电压大小进行排 序，决定SM模块单元开关管的通断;DSP将采集数据转换运算后得到一组PWM控制信号，通过 驱动电路控制SM模块中IGBT通断，输出的补偿电流可补偿电网中的无功和谐波，采用该装 置可提高电网系统的可靠性。
【附图说明】
[0015] 图1为【具体实施方式】一所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置的系统原 理图；
[0016] 图2为MMC换流器拓扑结构图；
[0017] 图3为MMC换流器中每个SM模块单元的原理图；
[0018] 图4为无功及谐波电流检测原理图；
[0019] 图5为载波移相调制图；
[0020] 图6为改进电压排序流程图；
[0021]图7为电流检测电路原理图；
[0022]图8为直流电压检测电路原理图 [0023] 图9为驱动单元原理图；
[0024]图10为欠过压保护电路原理图；
[0025]图11为过流保护电路原理图；
[0026]图12为MMC的子模块中，TKDJ开通、T2(D2)关断，投入状态下，子模块电容电压的 充、放电状态与电流的流向关系图；
[0027] 图13为MMC的子模块中，Ti(Di)开通、T2(D2)关断，投入状态下，子模块电容电压的 充、放电状态与电流的流向的关系图；
[0028] 图MSTKDO关断、T2(D2)开通，切除状态下，电流流向与子模块电容电压的关系 图；
[0029] 图ISSTKDO关断、T2(D2)开通，切除状态下，电流流向与子模块电容电压的关系 图；
[0030] 图16*TdPT2均关断，闭锁状态下，电流的流向与子模块电容电压充电关系图；
[0031] 图17*TdPT2均关断，闭锁状态下，电流的流向与子模块电容电压充电关系图；
[0032] 图18为补偿前a相电压电流的曲线图；
[0033]图19为补偿后a相电压电流的曲线图；
[0034]图20为MMC模块A相输出总电压波形图。
【具体实施方式】
[0035]【具体实施方式】一:参照图1、图18、图19和图20具体说明本实施方式，本实施方式所 述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，它包括检测单元1、DSP控制器2、驱动单元3 和MMC换流器4，
[0036] DSP控制器2采用型号为TMS320F2812的芯片实现，
[0037] 检测单元1包括三个电流检测电路11和电压检测电路12，
[0038]三个电流检测电路11分别用于检测阻感负载的一相电流信号，三个电流检测电路 11的电流信号输出端分别连接DSP控制器2的电流信号输入端，
[0039] MMC换流器4的电压信号输出端连接电压检测电路12的电压信号输入端，电压检测 电路12的电压信号输出端连接DSP控制器2的电压信号输入端，
[0040] DSP控制器2的控制信号输出端连接驱动单元3的控制信号输入端，
[0041 ]驱动单元3输出两路驱动信号，
[0042]驱动单元3的两路驱动信号输出端均连接MMC换流器4的驱动信号输入端，
[0043] MMC换流器4的输出的三相补偿电流信号分别用于补偿三相交流电源的无功和谐 波。
[0044]本实施方式中，主要工作原理是，电流检测电路采样负载侧电流，通过abc/dq变换 得到有功电流id和无功电流iq;电压检测电路对直流侧电容电压采样，利用电压排序法将电 容电压大小进行排序，决定SM模块单元开关管的通断;DSP将采集数据转换运算后得到一组 PWM控制信号，通过驱动电路控制SM模块中IGBT通断，输出的补偿电流可补偿电网中的无功 和谐波。
[0045]如图2所示，每一相的上、下桥臂都由3个SM模块单元和电抗器L串联而成，其中电 抗器L起缓冲作用，用于抑制高频环流。子模块SM是半桥结构，由两个带有反并联二极管的 IGBT和一个储能电容组成，输出电压为0和Vd两种状态。MMC换流器的特点在于输出电压为 多电平，接近正弦波，谐波含量小，功率管的开关频率小，开关损耗低。
[0046]如图4所示，采用瞬时无功功率理论检测无功电流。具体实现方法是，三相负载电 流ia、ib、ic经Clarke、Park变换得到旋转坐标系下负载电流的d、q分量，将d轴分量经Park、 Clarke反变换后与ia、ib、ic作差，即可得到无功电流iq。
[0047] 基于模块化多电平换流器的无功补偿装置采用CPS-SPWM调制技术。MMC的每一相 上、下两桥臂的调制波反相，保证在任意时刻的工作状态是互补的，每一时刻投入的子模块 数都是3。每相上桥臂三角载波的移相角度为 :0、23t/3、4jt/3,下桥臂三个模块的载波移相角 度为:V3、3 V3、5 V3。载波移相调制图如图5所示。
[0048] 如图6所示为改进电压排序流程图。计算某一桥臂在该时刻需要投入的子模块数， 与上一时刻子模块数作差，记为An%。将电容电压排序后，根据电流的极性和Ancm确定投 入的子模块单元，从而控制开关管的开关状态。
[0049 ]【具体实施方式】二:参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】二 所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置作进一步说明，本实施方式中，
[0050] 丽C换流器4包括三相上桥臂、三相下桥臂、电感La、电感Lb和电感Lc，
[0051 ] 每相的上桥臂包括第一 SM模块单元4-1、第二SM模块单元4-2、第三SM模块单元4-3 和一个电抗器L1，
[0052] 每相的下桥臂包括第四SM模块单元4-4、第五SM模块单元4-5、第六SM模块单元4-6 和一个二号电抗器L2，
[0053] 每相上桥臂的第一 SM模块单元4-1的一端和第六SM模块单元4-6的一端均作为MMC 换流器4的驱动信号输入端，
[0054]每相上桥臂的第一 SM模块单元4-1的另一端连接第二SM模块单元4-2的一端，第二 SM模块单元4-2的另一端连接第三SM模块单元4-3的一端，第三SM模块单元4-3的另一端连 接一号电抗器L1的一端，一号电抗器L1的另一端同时连接二号电抗器L2的一端和电感Lc的 一端，电感Lc的另一端连接在三相交流电源上，
[0055]二号电抗器L2的另一端连接第四SM模块单元4-4的一端，第四SM模块单元4-4的另 一端连接第五SM模块单元4-5的一端，第五SM模块单元4-5的另一端连接第六SM模块单元4-6的一端。
[0056]【具体实施方式】三:参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一 所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置作进一步说明，本实施方式中，每相的第 一 SM模块单元4-1、第二SM模块单元4-2、第三SM模块单元4-3、第四SM模块单元4-4、第五SM 模块单元4-5和第六SM模块单元4-6的电路结构相同；第一 SM模块单元4-1包括一号二极管 D11、二号二极管D12、一号IGBT、二号IGBT和电容C，
[0057]每相第一 SM模块单元4-1的连接关系为：一号IGBT的集电极C1同时连接一号二极 管D11的负极和电容C的一端，一号二极管D11的正极同时连接一号IGBT的发射极E1、二号 IGBT的集电极C2和二号二极管D12的负极，
[0058]二号二极管D12的正极同时连接二号IGBT的发射极E2、电容C的另一端和第二SM模 块单元4-2中对应的IGBT的发射极E1，
[0059]第二SM模块单元4-2中的二号IGBT的发射极E2连接第三SM模块单元4-3中对应的 IGBT的发射极E1，
[0060] MMC换流器4中的所有一号IGBT的集电极C1作为MMC换流器4的信号输入端，
[00611 MMC换流器4中的所有一号IGBT的门极G1作为MMC换流器4的第一路驱动信号输入 端，
[0062] MMC换流器4中的所有一号IGBT的发射极E1作为MMC换流器4的信号输入端，
[0063] MMC换流器4中的所有二号IGBT的集电极C2作为MMC换流器4的信号输入端，
[0064] 丽C换流器4中的所有二号IGBT的门极G2作为丽C换流器4的第二路驱动信号输入 端，
[0065] MMC换流器4中的所有二号IGBT的发射极E2作为MMC换流器4的信号输入端。
[0066]【具体实施方式】四：参照图7具体说明本实施方式，本实施方式是对【具体实施方式】一 所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置作进一步说明，本实施方式中，每个电流 检测电路11均包括型号为CHB-300S的霍尔电流传感器、电阻R1、电阻Rm、电阻R2、电阻R3、电 阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、二极管D2、二极管D1、型号为LM358的一号运 算放大器U3A、型号为LM358的二号运算放大器U4A和型号为LM358的三号运算放大器U4B， [0067] 每个型号为CHB-300S的霍尔电流传感器的IN引脚分别作为三个电流检测电路11 的电流信号输入端，型号为CHB-300S的霍尔电流传感器的正极连接+15V的供电电源，型号 为CHB-300S的霍尔电流传感器的负极连接-15V的供电电源，
[0068] 型号为CHB-300S的霍尔电流传感器的M引脚同时连接电阻R1的一端和电阻Rm的一 端，电阻R1的另一端同时连接电容C1的一端和型号为LM358的一号运算放大器U3A的3号引 脚，电容C1的另一端连接电源地，型号为LM358的一号运算放大器U3A的4号引脚连接+5V供 电电源，型号为LM358的一号运算放大器U3A的5号引脚连接-5V供电电源，型号为LM358的一 号运算放大器U3A的2号引脚同时连接型号为LM358的一号运算放大器U3A的1号引脚和电阻 R2的一端，
[0069] 电阻R2的另一端同时连接电阻R3的一端、电阻R4的一端和型号为LM358的二号运 算放大器U4A的2号引脚，电阻R3的另一端连接+1.5V供电电源，电阻R4的另一端同时连接型 号为LM358的二号运算放大器U4A的1号引脚和电阻R5的一端，
[0070]型号为LM358的二号运算放大器U4A的3号引脚连接电源地，型号为LM358的二号运 算放大器U4A的4号引脚连接+15V供电电源，型号为LM358的二号运算放大器U4A的5号引脚 连接-15V供电电源，
[0071]电阻R5的另一端同时连接型号为LM358的三号运算放大器U4B的3号引脚和电阻R6 的一端，电阻R6的另一端同时连接型号为LM358的三号运算放大器U4B的1号引脚和电阻R7 的一端，型号为LM358的三号运算放大器U4B的2号引脚连接电源地，型号为LM358的三号运 算放大器U4B的4号引脚连接+15V的供电电源，型号为LM358的三号运算放大器U4B的5号引 脚连接-15V的供电电源，电阻R7的另一端同时连接电容C2的一端、二极管D1的正极和二极 管D2的负极，电容C2的另一端同时连接二极管D2的正极和电源地，二极管D1的负极连接+ 3.3V供电电源，
[0072]二极管D1的正极作为每个电流检测电路11的电流信号输出端。
[0073]本实施方式中，采用电流霍尔元件CHB-25NP，该元件能够快速实时准确的检测电 流。如图7所示，以A相电流采样为例，霍尔传感器副边电流由电阻RM采样得到UM，经过隔离、 偏置、低通滤波和嵌位处理后输入到DSP的A/D转换口进行处理。
[0074]本实用新型"基于模块化多电平换流器的无功补偿装置"的控制策略如下：1电流 检测单元
[0075] 在电网中，通常三相电压是不对称且有畸变的，为此提出了id-iq检测法。该方法首 先需要计算出id、iq。
[0078] 此法研究的也是三相电压对称的情况，它还需要与A相电压ea同相位的正弦信号 sin ? t和对应的余弦信号-cos ? t参与计算，它们可通过软件锁相环查表的方式取得。
[0079] 将式（1)算出的id、iq经过低通滤波器后，得到id、iq中的直流分量再经过反 变换得到三相基波电流成分iaf、ibf、icf。
(2)
[00811用三相电流13上、^减去相应的三相基波成分"、1时、"，即可得到三相电流的谐 波成分^、^、^。图3所示为1<1-1(1检测法原理图，其中(：23 = (：32'当同时补偿谐波与无功 时，只需切断计算iq的通道即可。
[0082]由于id-iq检测法只需要知道A相电压的频率周期和三相电路电流瞬时值，不需要 知道电网电压的幅值，而且正余弦信号可采用内部参考的方式获得，因而不受电网电压信 号畸变或不对称的影响，保证了检测结果的准确性。对于不对称的三相电压而言，其中含有 负序分量和零序分量，因为正余弦信号由A相电压确定，即正弦信号sin cot的期望值与^的 正序分量相位相同。而当三相电压不对称时，测得的真实的正弦信号与希望的正弦信号间 存在相位差。这个相位差不影响检测结果最终的正确性。
[0083] 2、改进的电压排序平衡控制策略
[0084] 本实用新型提出一种能降低开关频率的改进电压排序法，如图5所示，其核心就是 减少功率管开关次数，降低开关损耗。具体的实现过程为:首先，计算某一桥臂在当前周期 内需投入的子模块数，将其与上一周期已投入的子模块数作差，记为An%。根据An%和桥 臂电流的极性，可分为以下3种情况分别进行讨论：
[0085]①若八11。" = 0,则保持上一周期的子模块投切状态不变，即该桥臂中所有子模块的 功率开关管都不进行任何开关动作。
[0086] ②若Anc^M)，即当前周期需投入的子模块数大于上一周期投入的子模块数，那么 处于投入的子模块状态保持不变，根据桥臂电流的方向分两种情况进行讨论：
[0087] 1、若iarm>0,在处于切除状态的子模块中选择| An〇n I个电容电压最低的子模块进 行投入；
[0088] 2、若iarm〈0,则在处于切除状态的子模块中选择| An。」个电容电压最高的子模块 进行投入。
[0089] 3若Anc^O,即当前周期投入的子模块数小于上一周期的子模块数，那么处于切除 状态的
[0090] 子模块状态保持不变，根据桥臂电流的方向分两种情况进行讨论：
[0091 ] 1、若iarm>0,在处于投入状态的子模块中选择I An〇n I个电容电压最高的子模块进 行切除；
[0092] 2、若iarm〈0,则在处于投入状态的子模块中选择| An〇n|个电容电压最低的子模块 进行切除。
[0093]改进排序法并非在每一开关周期内对由计算得到的rw个子模块全部投入，避免了 子模块的重复投切，因此降低了子模块中功率开关管的开关频率，降低了开关损耗。
[0094] 3、环流抑制控制策略
[0095]环流的实质是MMC每相内等效的交流电压源产生的二倍频负序交流电流，基于二 倍频负序旋转坐标系的环流抑制器结构，首先，由匪C每相上下桥臂电流i开和ijN，求得匪C 的内部环流其次，将其按TacVdq(二倍频负序坐标变换)进行坐标变换，得到其在dq坐标 系下的直流分量izd和izq;再次，将izd和i zq与给定iz/和相比较，经比例积分控制器，再加 上电压前馈2 ? Lizd与2 ? Lizq实现dq坐标系下的直流分量解耦，从而得到MMC内部环流产生 的不平衡压降参考量Udrrf和Uqrrf ;最后，经二倍频负序坐标逆变换Tdq/acb，得到抑制环流的电 压给定Urefo
[0096] Tacb/dq与Tdq/acb的变换公式为
[0099]式(3)与(4)中，0 = 2 c〇t，变换矩阵按相序a、c、b的顺序进行。
[0100] 4、MMC子模块工作装态
[01 01 ] MMC的子模块工作状态如图12至图17所示，图中箭头表明电流的流向。子模块共有 三种工作状态：
[0102] ①^他)开通、T2(D2)关断，投入状态
[0103] 如图12和13所示，为子模块投入状态。子模块的输出电压始终为电容上的电压，此 时子模块电容的充、放电状态取决于电流的流向。
[0104] ?TKDi)关断、T2(D2)开通，切除状态
[0105] 如图14和15所示，为子模块切除状态。子模块的输出电压始终是0,电流的流向不 影响子模块的电容电压。
[0106] ③TjPT2均关断，闭锁状态
[0107] 如图16和17所示，为子模块闭锁状态。此状态下，只能向子模块电容充电，子模块 电容不能放电，MMC处于非正常运行状态。
[0108] 如图18所示是补偿前A相电压、电流波形，从图中可以看出电压电流存在一定的相 位差。
[0109] 图19所示是补偿后A相电压、电流波形，静止无功发生器补偿后电压电流变为同相 位，说明该系统可以实现补偿电网的功能。
[0110] 图20所示是SM模块级联A相线电压输出波形，从图中可看出波形具有13个电平，接 近正弦波。
【具体实施方式】 [0111] 五:参照图8具体说明本实施方式，本实施方式是对一 所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置作进一步说明，本实施方式中，电压检测 电路12包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、电容C4、电容C5、 二极管D3、二极管D4、型号为LM358的四号运算放大器U1A、型号为LM358的五号运算放大器 U1B、型号为LM358的六号运算放大器U3和型号为HCNR201的线性光耦，
[0112] 电阻R8的一端作为电压检测电路12的电压信号输入端，
[0113] 电阻R8的另一端同时连接电阻R9的一端和电阻R10的一端，电阻R9的另一端连接 电源地，电阻R10的另一端同时连接型号为LM358的四号运算放大器U1A的3号引脚和电容C3 的一端，电容C3的另一端连接电源地，型号为LM358的四号运算放大器U1A的4号引脚连接+ 5V的供电电源，型号为LM358的四号运算放大器U1A的5号引脚连接电源地，型号为LM358的 四号运算放大器U1A的2号引脚同时连接型号为LM358的四号运算放大器U1A的1号引脚和型 号为LM358的五号运算放大器U1B的2号引脚，
[01 M]型号为LM358的五号运算放大器U1B的4号引脚连接+5V的供电电源，型号为LM358 的五号运算放大器U1B的5号引脚连接电源地，型号为LM358的五号运算放大器U1B的3号引 脚同时连接电阻R11的一端、电容C4的一端和型号为HCNR201的线性光親的4号引脚，电阻 R11的另一端连接电源地，电容C4的另一端同时连接型号为LM358的五号运算放大器U1B的1 号引脚和电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接型号为HCNR201的线性光耦的2号引脚，型 号为HCNR201的线性光耦的1号引脚连接电源地，型号为HCNR201的线性光耦的3号引脚连接 供电电源，型号为HCNR201的线性光耦的6号引脚连接3.3V的供电电源，型号为HCNR201的线 性光親的5号引脚同时连接电阻R13的一端和型号为LM358的六号运算放大器U3的3号引脚，
[0115] 电阻R13的另一端连接电源地，型号为LM358的六号运算放大器U3的4号引脚连接+ 3.3V的供电电源，型号为LM358的六号运算放大器U3的5号引脚连接电源地，型号为LM358的 六号运算放大器U3的2号引脚同时连接型号为LM358的六号运算放大器U3的1号引脚连接、 二极管D3的正极、二极管D4的负极和电容C5的一端，
[0116] 电容C5的另一端同时连接电源地和二极管D4的正极，二极管D3的负极连接+3.3V 的供电电源，电容C5的一端作为电压检测电路12的电压信号输出端。
[0117] 本实施方式中，直流电压采样电路如图8所示，本实用新型采用HCNR201对电压信 号进行隔离检测，优点是采样精度高，抗干扰能力强。MMC换流器中电容两端的直流电压接 图8所示的a点，通过电阻分压滤波得到电压信号，经过电压跟随、积分电路调节和光耦的隔 离去干扰作用后接DSP的A/D采样通道ADCINB0~ADCINB7。该电路不但可实现直流电压的检 测，还能达到电气隔离的作用。电路中的D1和D2起到限幅作用，防止输入到DSP的电压值大 于AD所能承受的电压范围而对DSP造成损坏。
【具体实施方式】 [0118] 六:参照图9具体说明本实施方式，本实施方式是对一 所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置作进一步说明，本实施方式中，驱动单元3 包括型号为2SC0435T的驱动模块、电阻R14、电阻R15、电阻Rm、电阻Rb、电阻R16、电阻R17、电 阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻 R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电容Cm、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容 (：11、电容(：12、电容(：13、二极管05、二极管06、二极管07、二极管08、二极管09、二极管010、稳 压二极管D11、双向稳压二极管D12、二极管D13、二极管D14、二极管D15、二极管D16、稳压二 极管D17和双向稳压二极管D18，
[0119] 型号为2SC0435T的驱动模块的INA端口和INB端口均作为驱动单元3的控制信号输 入端，
[0120] 型号为2SC0435T的驱动模块的TB端口连接电阻Rb的一端，电阻Rb的另一端同时连 接型号为2SC0435T的驱动模块的GND端口、电阻Rm的一端和电容Cm的一端，
[0121] 型号为2SC0435T的驱动模块的MOD端口同时连接电容Cm的另一端和电阻Rm的另一 端，
[0122] 型号为2SC0435T的驱动模块的S02端口同时连接二极管D5的正极和电阻R14的一 端，电阻R14的另一端连接+3.3V供电电源，二极管D5的负极连接+15V供电电源，
[0123] 型号为2SC0435T的驱动模块的S01端口同时连接电阻R15的一端和二极管D6的正 极，电阻R15的另一端连接+3.3V供电电源，二极管D6的负极连接+15V供电电源，
[0124] 型号为2SC0435T的驱动模块的VDC端口同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的 VCC端口和+15V供电电源，
[0125] 型号为2SC0435T的驱动模块的GL2端口同时连接电阻R16的一端和电阻R17的一 端，电阻R17的另一端同时连接电阻R18的一端、二极管D7的正极和二极管D9的负极，电阻 R18的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的GH2端口，二极管D7的负极同时连接型号为 2SC0435T的驱动模块的VIS02端口、二极管D10的负极和电容C6的一端，
[0126] 电容C6的另一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VE2端口、电阻R19的一端 和电容C7的一端，电阻R19的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的REF2端口，
[0127] 电容C7的另一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的COM2端口、R16的另一端、 电容C12的一端和二极管D8的正极，二极管D8的负极同时连接电阻R20的一端、二极管D9的 的正极、电阻R23的一端和电容C11的一端，电阻R20的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模 块的ACL2端口，电阻R23的另一端同时连接C11的另一端和稳压二极管D11的正极，稳压二极 管D11的负极连接双向稳压二极管D12的一端，双向稳压二极管D12的另一端连接电阻R22的 一端，电阻R22的另一端同时连接二极管D10的正极和电阻R21的一端，电阻R21的另一端同 时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VCE2端口和电阻R21的另一端，
[0128] 型号为2SC0435T的驱动模块的GL1端口同时连接电阻R24和电阻R25,电阻R24的另 一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的C0M1端口、电容C9的一端、电容C13的一端和二 极管D14的正极，
[0129] 电阻R25的另一端同时连接电阻R26的一端、二极管D13的正极和二极管D15的负 极，电阻R26的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的GH1端口，
[0130]二极管D13的负极同时连接二极管D16的负极、电容C8的一端和型号为2SC0435T的 驱动模块的VIS01端口，
[0131] 电容C8的另一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VE1端口、电容C9和电阻 R27的一端，电阻R27的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的REF1端口，
[0132] 电容C13的另一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VCE1端口和电阻R29的 一端，电阻R29的另一端同时连接二极管D16的正极和电阻R29的一端，电阻R29的另一端连 接双向稳压二极管D18的一端，双向稳压二极管D18的另一端连接稳压二极管D17的负极，稳 压二极管D17的正极同时连接电阻R30的一端和电容C10的一端，电容C10的另一端同时连接 电阻R30的另一端、二极管D15的正极、二极管D14的负极和电阻R28的一端，电阻R28的另一 端连接型号为2SC0435T的驱动模块的ACL1端口，
[0133] 电阻R17的另一端作为MMC换流器4的G2端口输入端，
[0134] 型号为2SC0435T的驱动模块的GL1端口作为MMC换流器4的E2端口输入端，
[0135] 电阻R22的一端作为MMC换流器4的C2端口输入端，
[0136] 电阻R25的另一端作为MMC换流器4的G1端口输入端，
[0137] 型号为2SC0435T的驱动模块的VE1端口作为MMC换流器4的E1端口输入端，
[0138] 电阻R29的一端作为MMC换流器4的C1端口输入端。
[0139] 本实施方式中，选择2SC0435T驱动模块，该模块驱动能力强、可靠性高、功率大。 2SC0435T工作在直接模式，PWM1为上管开关信号，PWM2为下管开关信号，SOI、S02为故障输 出信号，IGBT驱动电路如图9所示。
[0140] 本设计中IGBT的驱动器采用2SC0435T驱动模块，该模块驱动能力强且可靠性高。 开关频率可达100kHz，开通电压为+15V，反向关断电压为-10V。基于2SC0435T的IGBT驱动电 路如图9所示，2SC0435T工作在直接模式下，控制单元中DSP发出的PWM信号分别接到PWM1和 PWM2两个引脚，该模块兼具短路保护、有源箝位及电源电压监控等功能，隔离放大后输出脚 G1、E1、C1、6242、02驱动拓扑单元中1681'。
【具体实施方式】 [0141] 七:参照图10和图11具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实 施方式一所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置作进一步说明，本实施方式中， 它还包括欠过压保护电路5和过电流保护电路6，
[0142] 欠过压保护电路5的电压检测信号输入端连接电压检测电路12的电压检测信号输 出端，欠过压保护电路5的电压检测信号输出端连接DSP控制器2的电压检测信号输入端，
[0143] MMC换流器4的电流信号输出端和三个电流检测电路11的电流信号输出端连接过 电流保护电路6的电流信号输入端，电流保护电路6的电流信号输出端连接DSP控制器2的电 流信号输入端。
[0144] 本实施方式中，电压检测信号分别接入两个LM393的同相端和反相端，输入电压在 规定范围内输出高电平；当电压超出正常范围时保护端口输出低电平，DSP检测到下降沿进 入保护中断，封锁PWM信号，保护电路。过流保护电路原理同欠过压保护原理相同，通过检测 输入电流大小判断是否进入保护中断，如图11所示。
【具体实施方式】 [0145] 八:本实施方式是对一所述的基于模块化多电平换流 器的无功补偿装置作进一步说明，本实施方式中，MMC换流器4中的每一相的上桥臂和下桥 臂的调制波反相，每相上桥臂三角载波的移相角度为:〇、23t/3、4jt/3,下桥臂三个模块的载 波移相角度为:V3、3jt/3、5jt/3。
[0146] 本实用新型具有以下优点：
[0147] 本实用新型采用模块化级联的方式作为无功补偿装置的拓扑结构；电流检测电路 是以瞬时无功功率理论为基础;直流电压采用改进的电压排序平衡的方法;采用环流抑制 器有效的抑制环流。具体优点如下：
[0148] 1、MMC的拓扑结构由多个小模块单元构成，提高了系统的电压等级和容量，且输出 电压波形更逼近正弦波。
[0149] 2、改进的电压排序法能有效的平衡直流侧电容电压，与传统电压排序法相比减少 了 IGBT开关次数，降低损耗。
[0150] 3、环流抑制器能有效抑制丽C的内部环流，减小子模块电压波动，延长系统寿命。 [0151] 4、采用DSP为核心控制芯片，实现准确，快速响应，更具有保护电路的功能。
【主权项】
1.基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，它包括检测单元（1)、DSP控 制器(2)、驱动单元(3)和MMC换流器(4)， DSP控制器(2)采用型号为TMS320F2812的芯片实现， 检测单元(1)包括三个电流检测电路(11)和电压检测电路(12)， 三个电流检测电路（11)分别用于检测阻感负载的一相电流信号，三个电流检测电路 (11)的电流信号输出端分别连接DSP控制器(2)的电流信号输入端， MMC换流器(4)的电压信号输出端连接电压检测电路（12)的电压信号输入端，电压检测 电路(12)的电压信号输出端连接DSP控制器(2)的电压信号输入端， DSP控制器(2)的控制信号输出端连接驱动单元(3)的控制信号输入端， 驱动单元(3)输出两路驱动信号， 驱动单元(3)的两路驱动信号输出端均连接MMC换流器(4)的驱动信号输入端， MMC换流器(4)的输出的三相补偿电流信号分别用于补偿三相交流电源的无功和谐波； MMC换流器(4)包括三相上桥臂、三相下桥臂、电感La、电感Lb和电感Lc， 每相的上桥臂包括第一 SM模块单元(4-1)、第二SM模块单元(4-2)、第三SM模块单元(4-3)和一个电抗器L1， 每相的下桥臂包括第四SM模块单元(4-4)、第五SM模块单元(4-5)、第六SM模块单元(4-6)和一个二号电抗器L2， 每相上桥臂的第一 SM模块单元(4-1)的一端和第六SM模块单元(4-6)的一端均作为MMC 换流器(4)的驱动信号输入端， 每相上桥臂的第一 SM模块单元(4-1)的另一端连接第二SM模块单元(4-2)的一端，第二 SM模块单元(4-2)的另一端连接第三SM模块单元(4-3)的一端，第三SM模块单元(4-3)的另 一端连接一号电抗器L1的一端，一号电抗器L1的另一端同时连接二号电抗器L2的一端和电 感Lc的一端，电感Lc的另一端连接在三相交流电源上， 二号电抗器L2的另一端连接第四SM模块单元(4-4)的一端，第四SM模块单元(4-4)的另 一端连接第五SM模块单元(4-5)的一端，第五SM模块单元(4-5)的另一端连接第六SM模块单 元(4-6)的一端； 每相的第一SM模块单元(4-1)、第二SM模块单元(4-2)、第三SM模块单元(4-3)、第四SM 模块单元(4-4)、第五SM模块单元(4-5)和第六SM模块单元(4-6)的电路结构相同；第一 SM模 块单元(4-1)包括一号二极管D11、二号二极管D12、一号IGBT、二号IGBT和电容C， 每相第一 SM模块单元(4-1)的连接关系为：一号IGBT的集电极C1同时连接一号二极管 D11的负极和电容C的一端，一号二极管Dl 1的正极同时连接一号IGBT的发射极E1、二号IGBT 的集电极C2和二号二极管D12的负极， 二号二极管D12的正极同时连接二号IGBT的发射极E2、电容C的另一端和第二SM模块单 元(4-2)中对应的IGBT的发射极E1， 第二SM模块单元(4-2)中的二号IGBT的发射极E2连接第三SM模块单元(4-3)中对应的 IGBT的发射极E1， MMC换流器(4)中的所有一号IGBT的集电极C1作为MMC换流器(4)的信号输入端， MMC换流器(4)中的所有一号IGBT的门极G1作为MMC换流器(4)的第一路驱动信号输入 端， MMC换流器(4)中的所有一号IGBT的发射极E1作为MMC换流器(4)的信号输入端， MMC换流器(4)中的所有二号IGBT的集电极C2作为MMC换流器(4)的信号输入端， MMC换流器(4)中的所有二号IGBT的门极G2作为MMC换流器(4)的第二路驱动信号输入 端， MMC换流器(4)中的所有二号IGBT的发射极E2作为MMC换流器(4)的信号输入端。2. 根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，每个 电流检测电路（11)均包括型号为CHB-300S的霍尔电流传感器、电阻R1、电阻Rm、电阻R2、电 阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、二极管D2、二极管D1、型号为LM358 的一号运算放大器U3A、型号为LM358的二号运算放大器U4A和型号为LM358的三号运算放大 器 U4B， 每个型号为CHB-300S的霍尔电流传感器的IN引脚分别作为三个电流检测电路（11)的 电流信号输入端，型号为CHB-300S的霍尔电流传感器的正极连接+15V的供电电源，型号为 CHB-300S的霍尔电流传感器的负极连接-15V的供电电源， 型号为CHB-300S的霍尔电流传感器的Μ引脚同时连接电阻R1的一端和电阻Rm的一端，电 阻R1的另一端同时连接电容C1的一端和型号为LM358的一号运算放大器U3A的3号引脚，电 容C1的另一端连接电源地，型号为LM358的一号运算放大器U3A的4号引脚连接+5V供电电 源，型号为LM358的一号运算放大器U3A的5号引脚连接-5V供电电源，型号为LM358的一号运 算放大器U3A的2号引脚同时连接型号为LM358的一号运算放大器U3A的1号引脚和电阻R2的 一端， 电阻R2的另一端同时连接电阻R3的一端、电阻R4的一端和型号为LM358的二号运算放 大器U4A的2号引脚，电阻R3的另一端连接+1.5V供电电源，电阻R4的另一端同时连接型号为 LM358的二号运算放大器U4A的1号引脚和电阻R5的一端， 型号为LM358的二号运算放大器U4A的3号引脚连接电源地，型号为LM358的二号运算放 大器U4A的4号引脚连接+15V供电电源，型号为LM358的二号运算放大器U4A的5号引脚连接-15V供电电源， 电阻R5的另一端同时连接型号为LM358的三号运算放大器U4B的3号引脚和电阻R6的一 端，电阻R6的另一端同时连接型号为LM358的三号运算放大器U4B的1号引脚和电阻R7的一 端，型号为LM358的三号运算放大器U4B的2号引脚连接电源地，型号为LM358的三号运算放 大器U4B的4号引脚连接+15V的供电电源，型号为LM358的三号运算放大器U4B的5号引脚连 接-15V的供电电源，电阻R7的另一端同时连接电容C2的一端、二极管D1的正极和二极管D2 的负极，电容C2的另一端同时连接二极管D2的正极和电源地，二极管D1的负极连接+3.3V供 电电源， 二极管D1的正极作为每个电流检测电路(11)的电流信号输出端。3. 根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于， 电压检测电路（12)包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C3、 电容C4、电容C5、二极管D3、二极管D4、型号为LM358的四号运算放大器U1A、型号为LM358的 五号运算放大器U1B、型号为LM358的六号运算放大器U3和型号为HCNR201的线性光耦， 电阻R8的一端作为电压检测电路(12)的电压信号输入端， 电阻R8的另一端同时连接电阻R9的一端和电阻R10的一端，电阻R9的另一端连接电源 地，电阻R10的另一端同时连接型号为LM358的四号运算放大器U1A的3号引脚和电容C3的一 端，电容C3的另一端连接电源地，型号为LM358的四号运算放大器U1A的4号引脚连接+5V的 供电电源，型号为LM358的四号运算放大器U1A的5号引脚连接电源地，型号为LM358的四号 运算放大器U1A的2号引脚同时连接型号为LM358的四号运算放大器U1A的1号引脚和型号为 LM358的五号运算放大器U1B的2号引脚， 型号为LM358的五号运算放大器U1B的4号引脚连接+5V的供电电源，型号为LM358的五 号运算放大器U1B的5号引脚连接电源地，型号为LM358的五号运算放大器U1B的3号引脚同 时连接电阻Rl 1的一端、电容C4的一端和型号为HCNR201的线性光耦的4号引脚，电阻Rl 1的 另一端连接电源地，电容C4的另一端同时连接型号为LM358的五号运算放大器U1B的1号引 脚和电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接型号为HCNR201的线性光耦的2号引脚，型号为 HCNR201的线性光耦的1号引脚连接电源地，型号为HCNR201的线性光耦的3号引脚连接供电 电源，型号为HCNR201的线性光耦的6号引脚连接3.3V的供电电源，型号为HCNR201的线性光 親的5号引脚同时连接电阻R13的一端和型号为LM358的六号运算放大器U3的3号引脚， 电阻R13的另一端连接电源地，型号为LM358的六号运算放大器U3的4号引脚连接+3.3V 的供电电源，型号为LM358的六号运算放大器U3的5号引脚连接电源地，型号为LM358的六号 运算放大器U3的2号引脚同时连接型号为LM358的六号运算放大器U3的1号引脚连接、二极 管D3的正极、二极管D4的负极和电容C5的一端， 电容C5的另一端同时连接电源地和二极管D4的正极，二极管D3的负极连接+3.3V的供 电电源，电容C5的一端作为电压检测电路(12)的电压信号输出端。4.根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，驱动 单元(3)包括型号为2SC0435T的驱动模块、电阻R14、电阻R15、电阻Rm、电阻Rb、电阻R16、电 阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻 R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电容Cm、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容 C10、电容C11、电容C12、电容C13、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、二极管D9、二极 管D10、稳压二极管D11、双向稳压二极管D12、二极管D13、二极管D14、二极管D15、二极管 D16、稳压二极管D17和双向稳压二极管D18， 型号为2SC0435T的驱动模块的INA端口和INB端口均作为驱动单元(3)的控制信号输入 端， 型号为2SC0435T的驱动模块的TB端口连接电阻Rb的一端，电阻Rb的另一端同时连接型 号为2SC0435T的驱动模块的GND端口、电阻Rm的一端和电容Cm的一端， 型号为2SC0435T的驱动模块的MOD端口同时连接电容Cm的另一端和电阻Rm的另一端， 型号为2SC0435T的驱动模块的S02端口同时连接二极管D5的正极和电阻R14的一端， 电阻R14的另一端连接+3.3V供电电源，二极管D5的负极连接+15V供电电源， 型号为2SC0435T的驱动模块的S01端口同时连接电阻R15的一端和二极管D6的正极，电 阻R15的另一端连接+3.3V供电电源，二极管D6的负极连接+15V供电电源， 型号为2SC0435T的驱动模块的VDC端口同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VCC端 口和+15V供电电源， 型号为2SC0435T的驱动模块的GL2端口同时连接电阻R16的一端和电阻R17的一端，电 阻R17的另一端同时连接电阻R18的一端、二极管D7的正极和二极管D9的负极，电阻R18的另 一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的GH2端口，二极管D7的负极同时连接型号为 2SC0435T的驱动模块的VIS02端口、二极管D10的负极和电容C6的一端， 电容C6的另一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VE2端口、电阻R19的一端和电 容C7的一端，电阻R19的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的REF2端口， 电容C7的另一端同时连接型号为2SC043 5T的驱动模块的COM2端口、R16的另一端、电容 C12的一端和二极管D8的正极，二极管D8的负极同时连接电阻R20的一端、二极管D9的的正 极、电阻R23的一端和电容Cl 1的一端，电阻R20的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的 ACL2端口，电阻R23的另一端同时连接C11的另一端和稳压二极管D11的正极，稳压二极管 D11的负极连接双向稳压二极管D12的一端，双向稳压二极管D12的另一端连接电阻R22的一 端，电阻R22的另一端同时连接二极管D10的正极和电阻R21的一端，电阻R21的另一端同时 连接型号为2SC0435T的驱动模块的VCE2端口和电阻R21的另一端， 型号为2SC0435T的驱动模块的GL1端口同时连接电阻R24和电阻R25,电阻R24的另一端 同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的C0M1端口、电容C9的一端、电容C13的一端和二极管 D14的正极， 电阻R25的另一端同时连接电阻R26的一端、二极管D13的正极和二极管D15的负极，电 阻R26的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的GH1端口， 二极管D13的负极同时连接二极管D16的负极、电容C8的一端和型号为2SC0435T的驱动 模块的VIS01端口， 电容C8的另一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VE1端口、电容C9和电阻R27的 一端，电阻R27的另一端连接型号为2SC0435T的驱动模块的REFUND， 电容C13的另一端同时连接型号为2SC0435T的驱动模块的VCE1端口和电阻R29的一端， 电阻R29的另一端同时连接二极管D16的正极和电阻R29的一端，电阻R29的另一端连接双 向稳压二极管D18的一端，双向稳压二极管D18的另一端连接稳压二极管D17的负极，稳压二 极管D17的正极同时连接电阻R30的一端和电容C10的一端，电容C10的另一端同时连接电阻 R30的另一端、二极管D15的正极、二极管D14的负极和电阻R28的一端，电阻R28的另一端连 接型号为2SC0435T的驱动模块的ACL1端口， 电阻R17的另一端作为MMC换流器(4)的G2端口输入端， 型号为2SC0435T的驱动模块的GL1端口作为MMC换流器(4)的E2端口输入端， 电阻R22的一端作为MMC换流器(4)的C2端口输入端， 电阻R25的另一端作为MMC换流器(4)的G1端口输入端， 型号为2SC0435T的驱动模块的VE1端口作为MMC换流器(4)的E1端口输入端， 电阻R29的一端作为MMC换流器(4)的C1端口输入端。5.根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，它还 包括欠过压保护电路(5)和过电流保护电路(6)， 欠过压保护电路(5)的电压检测信号输入端连接电压检测电路（12)的电压检测信号输 出端，欠过压保护电路(5)的电压检测信号输出端连接DSP控制器(2)的电压检测信号输入 端， MMC换流器(4)的电流信号输出端和三个电流检测电路（11)的电流信号输出端连接过 电流保护电路(6)的电流信号输入端，电流保护电路(6)的电流信号输出端连接DSP控制器 (2)的电流信号输入端。6.根据权利要求1所述的基于模块化多电平换流器的无功补偿装置，其特征在于，MMC 换流器(4)中的每一相的上桥臂和下桥臂的调制波反相，每相上桥臂三角载波的移相角度 为:0、2 V3、4V3，下桥臂三个模块的载波移相角度为:V3、3 V3、5 V3。
【文档编号】H02J3/18GK205453144SQ201620168392
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】朱博, 高亮, 郭恩波, 董化新, 李婷婷, 志略, 文博
【申请人】国网黑龙江省电力有限公司哈尔滨供电公司, 国家电网公司