基于靜止無功發(fā)生器的三態(tài)滯環(huán)控制策略研究*

張曉濱，王小艷，鐘彥儒，吳江峰

(西安理工大學自動化與信息工程學院電氣系，陜西西安710048)

無功補償對維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與經(jīng)濟運行，改善電能質(zhì)量有著極其重要的意義。近年來，新型電力電子裝備——靜止無功發(fā)生器(SVG)以其響應(yīng)速度快、補償無功連續(xù)、損耗低等優(yōu)點在國內(nèi)外得到了長足發(fā)展[1]。

SVG的控制分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制采用跟蹤型PWM控制技術(shù)對電流的瞬時值進行直接跟蹤控制的方式。間接電流控制是控制SVG的輸出電壓來達到間接控制電流的目的[2]。與間接電流控制相比，直接電流控制具有更高的響應(yīng)速度和控制精度，但開關(guān)頻率較高[3-4]。因此降低開關(guān)頻率成為當前直接電流控制方式的研究熱點。參考文獻[5]提出了一種三相關(guān)聯(lián)的滯環(huán)控制方法，降低了開關(guān)頻率；參考文獻[6]用基于滯環(huán)控制的空間矢量調(diào)制方法來降低開關(guān)頻率；參考文獻[7]提出了一種電壓空間矢量雙滯環(huán)電流控制方法降低了開關(guān)損耗，但這些方法總體上實現(xiàn)復雜，且頻率降低不明顯。

[8-10]提出一種基于單相并網(wǎng)逆變器的三態(tài)滯環(huán)控制策略，可以有效地降低開關(guān)頻率。但該方法并不適用于三相系統(tǒng)。本文通過分析SVG的傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略運行原理并結(jié)合單相三態(tài)滯環(huán)控制策略，提出一種基于SVG的三態(tài)滯環(huán)控制策略。通過仿真將三態(tài)滯環(huán)控制策略與傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略進行對比，結(jié)果證明，三態(tài)滯環(huán)控制策略既保留了傳統(tǒng)滯環(huán)控制響應(yīng)快的優(yōu)點，又明顯降低了開關(guān)損耗，對于提高整個系統(tǒng)運行效率有著重大的意義。

1 SVG的滯環(huán)控制策略

SVG的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由6個開關(guān)管構(gòu)成的逆變電路組成工作主體。直流側(cè)并接電容，交流側(cè)通過3個電感L與電網(wǎng)相連。直接電流控制策略作為其中一個重要環(huán)節(jié)，直接控制其交流側(cè)電流就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，達到實時補償無功的目的。

1.1 SVG傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略

(1)傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略的原理

根據(jù)圖1、圖3所示，設(shè)滯環(huán)寬度為2H。以A相為例，當電流Δica＞H時，S1導通，S4關(guān)斷，跟蹤電流增大，A相輸出電壓為Udc；當電流Δica＜-H時，S4導通，S1關(guān)斷，跟蹤電流減小，A相輸出電壓為-Udc。同理，B相和C相工作過程類似，只是其參考電流依次滯后120°和240°。由于輸出相電壓只有±Udc兩種狀態(tài)，所以傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略也稱為兩態(tài)滯環(huán)控制策略。

(2)傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略的頻率分析

圖3中，設(shè)t1-t0=Δt1；t2-t1=Δt2，滯環(huán)寬度為2H，電流脈動1次為1個周期T。在t0～t1段，S1導通，S4關(guān)斷，跟蹤電流增大，SVG的等效電路方程可以寫成:

同理在t1～t2段，S4導通，S1關(guān)斷，跟蹤電流減小。同樣可以得到:

根據(jù)式(2)、(3)可以得到開關(guān)頻率為:

開關(guān)頻率的導數(shù)為:

當e=0時開關(guān)頻率有最大值:

1.2 三態(tài)滯環(huán)控制策略

(1)三態(tài)滯環(huán)控制策略的原理

根據(jù)圖1、圖4所示，設(shè)滯環(huán)寬度為2H。分析A相電流的正半周:當Δica＞H時，S1導通，S4關(guān)斷，跟蹤電流增大，A相輸出電壓為Udc；當電流Δica＜-H時，S1關(guān)斷，S2、VD4和負載構(gòu)成續(xù)流回路，跟蹤電流減小，A相輸出電壓為零。分析A相電流負半周:當電流Δica＜-H時，S4開通，S1關(guān)斷，跟蹤電流負方向增大，A相輸出電壓為-Udc；當Δica＞H時，S4也關(guān)斷，S5、VD1和負載構(gòu)成續(xù)流回路，跟蹤電流負方向減小，A相輸出電壓為零。同樣，S3和S6組成B相，正半周的續(xù)流通路為S4、VD6和負載組成回路；負半周的續(xù)流通路為S1、VD3和負載組成回路。S2和S5組成C相，正半周的續(xù)流通路為S6、VD2和負載組成的回路；負半周的續(xù)流通路為S1、VD5和負載組成回路。應(yīng)用三態(tài)滯環(huán)控制策略，SVG交流側(cè)輸出的相電壓除了有±Udc兩種狀態(tài)外，還有零電壓狀態(tài)，所以也稱三態(tài)滯環(huán)控制。

(2)三態(tài)滯環(huán)控制策略的頻率分析

圖4中，設(shè)t1-t0=Δt1，t2-t1=Δt2，滯環(huán)寬度為2H。設(shè)1個開關(guān)周期為T，則電流脈動1次為半個周期T/2。在電流的正半周t0～t1段的分析和傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略一樣，所以得:

在t1～t2段S1和S4都關(guān)斷，電路處于續(xù)流狀態(tài)，跟蹤電流減小。SVG的等效電路方程可以寫成:

根據(jù)式(7)、(9)可得SVG的開關(guān)頻率為:

對開關(guān)頻率求導得:

如圖5所示，對于電流負半周的分析與正半周的分析類似，可得到同樣的結(jié)論。因此從理論推導可以得出:與傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略相比，三態(tài)滯環(huán)控制策略大大降低了開關(guān)頻率。若Udc≥2e，則傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略的開關(guān)頻率為三態(tài)滯環(huán)控制策略的3倍以上。在頻率的最大點，三態(tài)滯環(huán)控制策略的開關(guān)頻率僅為傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略的1/4。

另外，對于三態(tài)滯環(huán)控制策略，當電流為正時，只發(fā)出上橋臂開關(guān)管的PWM觸發(fā)脈沖信號，下橋臂開關(guān)管始終封鎖；當電流為負時，只發(fā)出下橋臂開關(guān)管的PWM觸發(fā)脈沖信號，上橋臂開關(guān)管始終封鎖。因此不會出現(xiàn)同一橋臂的上下管直通現(xiàn)象，不用插入死區(qū)時間，從而避免了復雜的死區(qū)控制問題。

2 仿真結(jié)果及分析

為驗證前面理論推導的正確性和有效性，利用PSIM軟件分別對傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略和三態(tài)滯環(huán)控制策略進行了仿真驗證。仿真主要參數(shù)設(shè)定:交流側(cè)線電壓為380 V，參考電流為20 A，交流側(cè)電感為4 mH，電流環(huán)寬為1 A。首先對兩種滯環(huán)控制策略的電流動態(tài)跟蹤性能進行對比。圖6反映了采用傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略SVG的A相電流跟蹤情況，其中V1為參考電流波形，V4為SVG的實際輸出電流波形。圖7為采用三態(tài)滯環(huán)控制策略SVG的A相電流跟蹤曲線，其中V1為參考電流波形，V3為SVG的實際輸出電流波形。通過對比發(fā)現(xiàn)兩種滯環(huán)控制策略的電流跟蹤動態(tài)性能基本一致。

圖8為采用傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略的A相上橋臂開關(guān)管的開關(guān)波形。圖9為采用三態(tài)滯環(huán)控制策略的A相上橋臂開關(guān)管的開關(guān)波形。通過對比兩種滯環(huán)控制策略的開關(guān)頻率發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用三態(tài)滯環(huán)控制策略SVG的開關(guān)頻率遠小于應(yīng)用傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略SVG的開關(guān)頻率。三態(tài)滯環(huán)控制策略可以很好地實現(xiàn)開關(guān)降頻的功能。

圖10為采用三態(tài)滯環(huán)控制策略SVG的A相上下橋臂開關(guān)管的開關(guān)波形。可以看出:當電流為正時上橋臂開關(guān)管連續(xù)動作，下橋臂開關(guān)管始終關(guān)斷；反之當電流為負時下橋臂開關(guān)管連續(xù)動作，而上橋臂開關(guān)管始終關(guān)斷。因此不存在上下橋臂開關(guān)管直通的可能，在開關(guān)管控制時不需要插入死區(qū)時間。

為了降低SVG在直接電流控制方式下的開關(guān)頻率，本文提出三態(tài)滯環(huán)控制策略。通過理論分析和仿真試驗，將傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略和三態(tài)滯環(huán)控制策略進行對比。比較結(jié)果表明，三態(tài)滯環(huán)控制策略在保持了傳統(tǒng)滯環(huán)控制策略動態(tài)響應(yīng)快的基礎(chǔ)上，大大降低了開關(guān)頻率，減少了開關(guān)損耗。另外，三態(tài)滯環(huán)控制策略避免了在開關(guān)控制時插入死區(qū)時間，大大簡化了開關(guān)控制算法。因此解決了直接電流控制方式開關(guān)頻率過高的問題，提高了SVG系統(tǒng)的效率。

參考文獻

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