级联多电平STATCOM/BESS的关键控制技术研究

级联多电平变换器以低压器件形成高压输出，便于模块化设计和批量生产，在高压大容量变换器中占据重要地位。它特别适合静止同步补偿器和电池储能系统这类不需要公共直流电源的场合。被认为在当前可再生能源对电网渗透率逐渐提高的背景下有良好的应用前景。然而作为多电平家族中的晚进成员，级联多电平变换器自身尚有不少问题需要完善。本研究从工业应用中±10Mvar/10kV级联多电平STATCOM中出现的具体问题出发，研究了级联多电平变换器不平衡工况下的控制方法和级联多电平变换器并网电流直流分量抑制方法。并设计了一种无需直流电感的低纹波级联多电平电池储能系统。 电网三相不平衡工况下的运行能力是考察并网型电力电子装置的一个关键指标。特别是对于STATCOM和电池储能系统（BESS）这类电能质量调节装置而言。本文针对星形连接的级联多电平变换器提出了一种分相控制方法。通过将三相电流指令中的零序成分实时分离，该方法可以在不影响其他控制环节的情况下去除三相并网指令中的零序成分，从而实现了三线制系统下三相电流控制的解耦。使得对星形连接的级联多电平变换器也可以像三角形连接的级联多电平变换器一样进行三相独立控制。这样就可以使变换器自动地适应不平衡的电网电压，而无需为不平衡工况设置额外的处理方法。该方法已在±10Mvar/10kV级联多电平STATCOM产品中得到了应用。 除控制方式外，电网不平衡工况下影响变换器能否正常工作的另一个因素是变换器所承受的电压应力。本文从这个角度出发，力图寻找不同控制方法下级联多电平变换器适应电网不平衡程度的理论极限。结合对级联多电平变换器常用控制方法的分析，建立了基于几何原理的不平衡适应度评估模型，并求出了常用方法下变换器电压应力和电网不平衡度之间的解析表达式。 针对级联多电平STATCOM并网电流直流分量问题，本文分析了直流分量产生、放大的原因，并提出了解决方案。本文研究发现电流互感器的引入将导致并网型电力电子装置注入电网的直流分量放大，特别是当装置采用瞬时电流环下的PI控制器时，会出现直流分量持续积累的情况。针对这个问题，提出了一种基于直流侧电压工频纹波检测的并网电流直流分量抑制方法。该方法可实现在无法直接获取并网电流直流分量的情况下抑制直流分量，且无需增加额外元件。然后给出了该方法的工作原理和设计方法。实验说明，所提出方法能有效地抑制并网电流直流分量。 级联多电平变换器输出电压高，且具有多个独立直流端口。被认为十分适合用于大规模电池储能系统的功率变换系统。本文进行了100MVA级联多电平电池储能系统的方案论证和主电路参数设计。为解决电池侧无源滤波器参数过大的问题，设计了一种有源纹波抑制器（ARC）。该设计说明，通过增加2.5%的开关器件容量，可以实现将54个直流滤波电感减小10倍。随后的分析和设计说明，通过引入一种天然的负反馈机制，该ARC电路只需单闭环单参数的控制即可进行电池纹波电流抑制，同时在无需直流电源的情况下稳定自身的直流母线电压。最后PSCAD/EMTDC仿真环境中，对所设计具有54个子系统的有源纹波抑制型级联多电平储能变换器进行了全系统仿真研究，该研究显示在电网不平衡工况下，含有ARC电路的级联多电平储能变换器可以正常工作，同时流入电池的纹波电流得到了有效抑制。