三端口储能复合型链式STATCOM拓扑结构、系统及控制方法

本发明属于电力电子变换器，尤其涉及一种三端口储能复合型链式statcom拓扑结构及控制方法。

背景技术：

1、静止同步补偿器(static synchronous compensator，statcom)，是一种使用igbt、mosfet等高频全控开关器件的双向无功补偿装置。与并联电容器、同步调相机等无功补偿装置相比，statcom具有动态响应快、谐波含量少、调节范围宽、运行成本低等优势。随着电力电子技术的发展，statcom在提高系统阻尼、抑制系统谐振、稳定电网运行方面有了更广泛的应用。

2、为了得到更好的控制性能，如补偿电路阻性压降、阻尼振荡、提高暂态稳定性、延长事故情况下的支持时间，经常需要statcom在一段时间内能够向电力系统输送有功功率。但statcom本身没有能力控制有功功率流。然而，如果能将statcom和储能装置集成在一起，则可以同时控制有功功率流和无功功率流，从而提供更加灵活和多样的电能调节功能。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：statcom本身没有能力控制有功功率流，无法在一段时间内能够向电力系统输送有功功率。

4、与提出的三端口储能复合型链式statcom拓扑结构结构相近的现有技术是传统的静止同步补偿器(statcom)。statcom通常在电力系统中用于提供无功功率支持，改善电压稳定性和电能质量。它主要基于电压源逆变器(vsi)技术，并通过连接到电网的变压器来实现其功能。

5、###现有技术存在的技术问题：

6、1)有限的功能范围：传统的statcom主要用于无功功率控制，其功能在有功功率管理和储能方面相对受限。这限制了它在更复杂电网应用中的效用，特别是在需要综合能量管理和调节的场景。

7、2)低能量存储能力：传统statcom通常没有集成储能设备，因此不能有效存储或释放能量以应对电网需求的波动。这意味着它们无法在电能供应和需求之间起到缓冲作用。

8、3)系统复杂性和成本：在需要增加储能功能时，传统的statcom需要额外的系统集成，比如外接的电池存储系统，这会增加系统复杂性和成本。

9、4)适应性和灵活性不足：传统statcom的设计通常不够灵活，难以适应多变的电网条件和需求，特别是在不断发展的可再生能源集成和智能电网环境中。

10、5)效率和性能限制：在高动态范围的负载或电网条件下，传统statcom无法提供最优的性能，特别是在快速变化的电压和负载条件下。

11、相比之下，提出的三端口储能复合型链式statcom拓扑结构结构通过集成储能设备和提供增强的电能转换和控制功能，针对以上现有技术的限制提供了有效的解决方案。这不仅提高了系统的灵活性和适应性，还增强了电网的整体性能和稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种三端口储能复合型链式statcom拓扑结构及控制方法。

2、本发明是这样实现的，通过与电网10kv交流端口相连的链式statcom实现无功功率补偿，三相逆变电路控制有功功率，三相逆变电路的直流侧与高压直流端口相连，曲折变压器连接链式statcom与三相逆变电路的交流端口，曲折变压器的中性点与低压直流端口相连，10kv交流端口与高、低压直流端口形成了三端口结构，高、低压直流端口可为链式statcom提供有功支撑，并向电力系统输送有功功率。本发明既有链式statcom无功补偿的功能，又能够控制有功功率流，向电力系统输送有功功率，具有灵活多样的电能调节功能。

3、本发明提出的一种三端口储能复合型链式statcom拓扑结构，包括3个连接电抗器l、链式statcom、曲折变压器、三相逆变电路和两个储能设备dc1、dc2；

4、链式statcom包括3个级联h桥电路，分别为ha，hb，hc；

5、级联h桥电路包括若干个h桥电路，分别用编号1,2,…,n表示，此处若干个可根据具体的应用场景、成本和占地限制方面进行选定；

6、h桥电路由2个含两个igbt的桥臂和直流侧电容chd组成；

7、曲折变压器原边lt1同名端与链式statcom相连，副边的三个lt2同名端连为中性点，并与低压直流侧的滤波电感ldc相连，ldc的另一端与低压直流侧电容cd1相连，副边的另一端与三相逆变电路的交流侧相连；

8、三相逆变电路包括3个含两个igbt的桥臂、一个低压直流端口和一个高压直流端口；

9、三相逆变电路交流端口与曲折变压器的副边相连，直流端口包括一个低压直流端口和一个高压直流端口；低压直流端口包括一个低压直流电容cd1，与低压储能设备dc1相连；高压直流端口包括一个高压直流电容cd2，与高压储能设备dc2相连；

10、低压直流端口至高压直流端口的电能转换可通过三相逆变电路以三路boost的形式实现，boost电感为lt2；

11、两个储能设备dc1、dc2为光伏发电系统、电池储能设备；

12、三端口结构包括电网10kv交流端口、低压直流端口、高压直流端口。

13、进一步，链式statcom用于实现并网端口无功功率补偿，三端口储能复合型链式statcom拓扑结构结构中，链式statcom并网三相电压为：usa、usb、usc；链式statcom并网三相电流为：isa、isb、isc；链式statcom每相中每个h桥电路的直流侧电压分别为：uhdx-a，uhdx-b，uhdx-c，x＝1,2,…,n；链式statcom每相所有h桥电路的直流侧电压之和分别为：uhdσ-a、uhdσ-b、uhdσ-c。

14、进一步，三相逆变电路用于控制有功功率p，三端口储能复合型链式statcom拓扑结构结构中，三相逆变电路交流侧三相电压为：uia、uib、uic；三相逆变电路交流侧三相电流为：iia、iib、iic。

15、进一步，低压直流端口至高压直流端口的电能转换可通过三路boost结构实现，三路boost结构包括三个boost电感lt2，三相逆变电路三个下桥臂的igbt开关管以及三个上桥臂的二极管。

16、本发明的另一目的在于提供一种实现所述的三端口储能复合型链式statcom拓扑结构控制方法，链式statcom无功功率控制通过直流电压外环及电流内环控制实现，包括以下步骤：

17、(1)对电网10kv交流馈线输出电压、电流进行park变换，得到两相同步旋转坐标系下的电压usd、usq和电流isd、isq；

18、(2)链式statcom每相所有h桥电路的直流侧电压之和uhdσ-a、uhdσ-a、uhdσ-a相加，并乘以1/3，得到总直流电压平均值uhdσ；

19、(3)设定直流电压参考值uhdσ*，与总直流电压平均值uhdσ相减，其差值输入电压环比例积分控制器，输出d轴电流参考值isd*；

20、(4)设定无功功率参考值q*，与并网端口实际无功功率q相减，其差值输入无功功率比例积分控制器，输出q轴电流参考值isq*；

21、(5)将d轴电流参考值isd*与d轴电流isd相减，其差值输入电流环比例积分控制器，将角速度ω、电抗器l和q轴电流isq的乘积与d轴电压usd相加，并减去电流环比例积分控制器的输出值，得到d轴电压参考值；将q轴电流参考值isq*与q轴电流isq相减，其差值输入电流环比例积分控制器，将q轴电压usq减去角速度ω、电抗器l和d轴电流isd的乘积，再减去与电流环比例积分控制器的输出值，得到q轴电压参考值；

22、(6)将d轴电压参考值与q轴电压参考值反park变换，生成调制电压usma、usmb、usmc并输入pwm生成器，形成pwm信号gsax、gsbx、gscx，对链式statcom的每个h桥模块进行控制。

23、进一步，三相逆变电路有功功率控制通过功率外环及电压内环控制实现，包括以下步骤：

24、(1)对三相逆变电路交流侧电压、电流进行park变换，得到两相同步旋转坐标系下的电压uid、uiq和电流iid、iiq；

25、(2)设定有功功率参考值p*，与端口实际有功功率p相减，其差值输入有功功率比例积分控制器，输出d轴电压参考值uid*，q轴电压参考值uiq*设为0；

26、(3)将d轴电压参考值uid*与d轴电压uid相减，其差值输入电压环比例积分控制器；将q轴电压参考值uiq*与q轴电压uiq相减，其差值输入电压环比例积分控制器；

27、(4)将电压环比例积分控制器的输出值进行反park变换，生成三相电压参考值uima、uimb、uimc，并输入pwm生成器。

28、进一步，三路boost结构中，通过控制三个下桥臂igbt开关管的导通占空比n输出直流电能，包括以下步骤：

29、(1)设定低压直流端口输出电流的指定值为idc1*，将输出电流的指定值idc1*与低压直流端口实际的输出电流值idc1相减，其差值输入直流电流环比例积分控制器，比例积分控制器输出直流偏置电压的标幺值uabc，从而能够控制占空比n＝(uabc+1)/2。

30、将三相电压参考值uima、uimb、uimc分别与uabc相加，生成调制电压ua、ub、uc并输入pwm生成器，生成pwm信号gi1～6，对六个igbt进行控制。

31、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的三端口储能复合型链式statcom拓扑结构控制方法的步骤。

32、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的三端口储能复合型链式statcom拓扑结构控制方法的步骤。

33、本发明的另一目的在于提供一种三端口储能复合型链式statcom系统，其特征在于该系统包括：

34、链式statcom：由三个级联h桥电路组成，分别标记为ha、hb、hc，每个级联h桥电路包含若干个编号为1,2,…,n的h桥电路，这些h桥电路的数量根据具体应用场景、成本和占地限制进行选定。

35、h桥电路组成：每个h桥电路由2个含有两个igbt的桥臂和直流侧电容chd组成。

36、曲折变压器与三相逆变电路：曲折变压器的原边lt1与链式statcom相连，其副边的三个lt2同名端形成中性点并与低压直流侧的滤波电感ldc相连，ldc的另一端与低压直流侧电容cd1相连。副边的另一端与三相逆变电路的交流侧相连，该三相逆变电路包括3个含两个igbt的桥臂、一个低压直流端口和一个高压直流端口。

37、直流端口与储能设备连接：低压直流端口包括一个低压直流电容cd1，与低压储能设备dc1相连；高压直流端口包括一个高压直流电容cd2，与高压储能设备dc2相连。

38、电能转换机制：低压直流端口至高压直流端口的电能转换通过三相逆变电路以三路boost形式实现，其中boost电感为lt2。

39、储能设备类型：两个储能设备dc1、dc2可以是光伏发电系统、电池储能设备等。

40、三端口结构：包括电网10kv交流端口、低压直流端口、高压直流端口。

41、本发明的另一目的在于提供一种用于电能高效转换和控制的三端口储能复合型链式statcom系统，其特征在于，该系统结合了先进的电力电子技术和储能技术，具体包括：

42、链式statcom配置：包含三个级联的h桥电路，每个h桥电路由若干个编号1,2,…,n的小型h桥电路组成，以适应不同的电网负荷和转换需求。

43、电路和变压器设计：每个h桥电路由两个包含igbt的桥臂和一个直流侧电容组成；曲折变压器原边与链式statcom相连，副边连接至三相逆变电路，以实现高效的电能转换。

44、三相逆变电路与储能连接：三相逆变电路具有低压和高压直流端口，分别连接低压储能设备dc1和高压储能设备dc2，以实现不同电压级别的能量存储和释放。

45、储能设备的灵活应用：dc1和dc2储能设备可选用不同类型，如光伏发电系统或电池储能设备，以适应不同的能源需求和操作条件。

46、三端口系统集成：该系统集成了电网10kv交流端口、低压直流端口和高压直流端口，以实现电网与多种能源存储方式之间的高效互联。

47、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

48、第一，针对目前statcom本身没有能力控制有功功率流，无法在一段时间内向电力系统输送有功功率，本发明的设计思路是：通过进行储能复合，为链式statcom提供有功功率支撑，并向电力系统输送有功功率；为了对有功功率进行控制，引入了三相逆变电路，其直流侧作为高压直流端口；进一步，引入曲折变压器，其中性点可引出作为低压直流端口相连。本发明使得两个储能设备与电网10kv交流馈线之间形成了柔性互联，三相逆变电路的引入能够控制有功功率流，储能设备的引入能够为链式statcom提供一定的有功支持，并向电力系统输送有功功率。

49、第二，本发明通过与电网10kv交流端口相连的链式statcom实现无功功率补偿，三相逆变电路控制有功功率，三相逆变电路的直流侧与高压直流端口相连，曲折变压器连接链式statcom与三相逆变电路的交流端口，曲折变压器的中性点与低压直流端口相连，10kv交流端口与高、低压直流端口形成了三端口结构，高、低压直流端口可为链式statcom提供有功支撑，并向电力系统输送有功功率。本发明既拥有链式statcom无功补偿的功能，又能够控制有功功率流，向电力系统输送有功功率，具有灵活多样的电能调节功能

50、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明在10kv中压链式statcom的基础上，可以同时控制有功功率流和无功功率流，从而具有更加灵活和多样的电能调节功能，并为后续进一步的电能质量治理如补偿电路阻性压降、阻尼振荡、提高暂态稳定性、延长事故情况下的支持时间等，提供了一种新颖的方案。

51、(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明通过与电网10kv交流端口相连的链式statcom实现无功功率补偿，三相逆变电路控制有功功率，三相逆变电路的直流侧与高压直流端口相连，曲折变压器连接链式statcom与三相逆变电路的交流端口，曲折变压器的中性点与低压直流端口相连，既拥有链式statcom无功补偿的功能，又能够控制有功功率流，向电力系统输送有功功率，具有灵活多样的电能调节功能，提供了一种新型的储能型statcom方案。

52、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：目前大部分的储能型statcom均是将储能设备添加至级联h桥电路每个h桥电路的直流侧，并需要添加相应的直流-直流变换器。由于所需h桥电路数量较多，这种方案控制复杂，器件数量较多，成本较高。如何降低成本、简化控制，是储能型statcom需要解决的技术难点。本发明通过曲折变压器将链式statcom与三相逆变电路的交流侧相连，三相逆变电路的直流侧为高压直流端口，曲折变压器的中点引出为低压直流端口，两个直流端口为链式statcom提供有功支撑并向电力系统输送有功功率。相比而言，本发明控制更简单、器件数量更少、成本更低，为储能型statcom提供了新思路。

53、第四，本发明的三端口储能复合型链式statcom拓扑结构结构带来了以下显著的技术进步：

54、1.增强的电网稳定性和灵活性：通过结合链式statcom和三相逆变电路，本发明提供了更加灵活和高效的电网无功和有功功率控制。这种控制不仅提高了电网的稳定性，还增强了应对电网波动和负载变化的能力。

55、2.高效的能量管理：两个储能设备dc1和dc2的引入使得能量管理更加高效，允许在需求高峰时释放能量，在需求低谷时储存能量。这有助于平衡电网负载，提高整体能源利用效率。

56、3.改善电能质量：通过对电网无功功率的精确控制以及有功功率的有效管理，本发明能夾对电网质量进行改善，例如降低电压波动和谐波含量，提高电能的质量和可靠性。

57、4.灵活的储能选项：本发明允许使用多种类型的储能设备，如电池、光伏等，为不同的电网应用和条件提供了更多的灵活性和选择。

58、5.适应不同电网条件：三端口结构的设计使得该系统能够适应不同的电网条件，包括不同的电压水平和负载类型，这增加了其在多样化电力系统中的适应性和应用范围。

59、6.促进可再生能源的整合：本发明对于整合大规模可再生能源如风电、太阳能发电等至关重要，它能够提供必要的电网支持，确保可再生能源的稳定和高效接入电网。

60、本发明的三端口储能复合型链式statcom拓扑结构结构在提高电网稳定性和效率、促进可再生能源整合以及提供灵活的能量管理方案方面展现出显著的技术进步。