級聯(lián)SVG控制策略及死區(qū)補償技術(shù)研究

楊榮峰， 隨順科， 徐榕， 于泳， 徐殿國

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的無功和諧波，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全與高效運行。對電能質(zhì)量要求較高的電網(wǎng)，無功與諧波補償顯得尤為重要。在大功率領(lǐng)域，對中高壓側(cè)直接補償避免了使用電力變壓器，效率更高，但傳統(tǒng)補償拓?fù)涫荛_關(guān)器件耐壓水平的限制，容量難以滿足要求。級聯(lián)式H橋SVG利用多電平變換技術(shù)，將開關(guān)器件電壓應(yīng)力降低，通過級聯(lián)，使整個裝置可以輸出高電壓，因此在中高壓大容量場合得到廣泛應(yīng)用［1］。

中壓級聯(lián)SVG通常采用解耦控制策略［2］，計算得到SVG的參考輸出電壓。采用該方法主要問題為解耦控制存在較多的PI調(diào)節(jié)，動態(tài)性能較差，難以及時補償諧波電流，因此主要用于無功補償場合。有文獻采用無差拍控制［3］以提高系統(tǒng)動態(tài)性能，但未能考慮死區(qū)等非線性因素，因而得到的電流諧波較大。器件開關(guān)過程中，橋臂上、下互補狀態(tài)的開關(guān)器件在進行切換動作時，必須加入死區(qū)，防止開關(guān)直通。死區(qū)的加入會帶來輸出電流的畸變，產(chǎn)生諧波，而SVG正是補償諧波和無功的設(shè)備，若再次向電網(wǎng)注入額外諧波，必然嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電品質(zhì)。死區(qū)補償在低壓兩電平變換器中技術(shù)比較成熟［4］，但鮮有文獻介紹級聯(lián)H橋的死區(qū)補償策略。由于級聯(lián)SVG通常采用的調(diào)制算法為移相SPWM方法［5］，不能提前獲得器件占空比，因此在相內(nèi)電壓平衡控制、死區(qū)補償?shù)葓龊峡刂扑惴ǜ鼜?fù)雜。

基于上述問題，本文提出了一種基于多回路占空比數(shù)學(xué)模型的級聯(lián)SVG控制策略。采用該控制策略，在得到SVG的參考指令電流后，直接根據(jù)SVG離散模型計算開關(guān)管占空比，并通過死區(qū)補償，單元直流電容電壓平衡補償，閉環(huán)占空比調(diào)節(jié)補償控制，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能與較低的由裝置引起的諧波電流。仿真和實驗數(shù)據(jù)驗證了所提出策略的有效性。

1 SVG結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

圖1為級聯(lián)H橋SVG的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中H橋功率單元可以根據(jù)需要進行擴展。SVG經(jīng)過連接電抗器并聯(lián)于電網(wǎng)與負(fù)載(無功和諧波發(fā)生源)之間，SVG通過注入與負(fù)載類型相反的諧波和無功電流，補償與消除負(fù)載的諧波與無功，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

在圖1中，針對SVG回路建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)KVL電壓定律，可得

式中:usa、usb、usc為網(wǎng)側(cè)三相電壓;uca、ucb、ucc，為SVG輸出三相電壓;isvg-a、isvg-b、isvg-c為三相電流;La=Lb=Lc=L為SVG與電網(wǎng)之間的連接電抗器。

從式(1)可知，通過控制降落在連接電抗上的電網(wǎng)與SVG出口電壓之間的電壓差，即可控制得到需補償?shù)碾娏鳌?/p>

圖1 級聯(lián)H橋SVG的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of cascaded H-bridge SVG

2 控制策略

2.1 基于多回路占空比離散模型的控制策略

在設(shè)計控制系統(tǒng)對電流進行控制時，常采用解耦控制方法對電流進行PI調(diào)整。但PI調(diào)節(jié)器會影響系統(tǒng)動態(tài)性能，難以滿足諧波抑制要求。為此，本文提出一種基于SVG多回路占空比離散模型的控制方法。

考慮系統(tǒng)三相電壓平衡，SVG輸出電壓對稱，即

在一個開關(guān)周期內(nèi)，用差分方程代替微分算法，有

取級聯(lián)SVG的平均值模型，將每相N個H橋單元看作一個整體，設(shè)每相所有功率單元的電容電壓和為Udck(k=a、b、c)，三相導(dǎo)通時間占空比分別為 da、db、dc，則在一個開關(guān)周期時間 Ts內(nèi)，SVG 輸出電壓等效為 uca=daUdca，ucb=dbUdcb，ucc=dcUdcc，帶入式(4)得到

式(5)利用SVG輸出電壓離散模型直接計算出了各相開關(guān)占空比，即各相的平均導(dǎo)通時間。利用該式對相內(nèi)H橋單元進行移相控制，能夠以較好的動態(tài)性能跟蹤指令電流。

式(5)所得到的占空比模型是將各相所有級聯(lián)單元作為一個整體，得到每個單元柜的平均輸出效果。為了充分利用級聯(lián)SVG多電平特點以降低di/dt，對每個單元柜的導(dǎo)通時刻進行依次滯后(移相)處理，如圖2所示，每個功率單元的導(dǎo)通時刻依次后移Ts/N，則合成的調(diào)制信號開關(guān)頻率等效為單個功率單元開關(guān)頻率的N倍，其原理與載波移相SPWM算法類似，其優(yōu)點在于可預(yù)知載波周期內(nèi)單元柜輸出各種電平的時間，便于電容電壓平衡控制及實現(xiàn)死區(qū)補償。

圖2 單元柜占空比移相控制Fig.2 The phase shift control of duty ratio

當(dāng)需對電容電壓進行平衡控制時，可調(diào)整第i個功率單元的占空比dki數(shù)值，根據(jù)電流極性及電容充放電狀態(tài)，加入電壓平衡控制量，得到最終占空比信號，獲得平衡控制效果［6］。

2.2 橋臂死區(qū)對輸出電平的影響

H橋單元結(jié)構(gòu)如圖3所示，由于開關(guān)管開通與關(guān)斷過程需要一定時間，為防止橋臂直通造成電容短路，損壞器件，需加入死區(qū)時間Td，防止由器件的非理想特性而導(dǎo)致直通。但死區(qū)的加入會造成輸出電壓和電流畸變，產(chǎn)生新的諧波分量，降低無功與諧波補償效果。

利用前述獲得的H橋開關(guān)占空比信號dki，根據(jù)電流方向?qū)崟r在線調(diào)整占空比，補償死區(qū)造成的負(fù)面影響。

圖3 H橋單元結(jié)構(gòu)Fig.3 The topology of H-bridge unit

功率單元正常工作能輸出正(+VDC)、負(fù)(-VDC)電平和零狀態(tài)，正電平時S1、S4觸發(fā)開通，S2與S3關(guān)斷，負(fù)電平時S2、S3開通，S1與S4關(guān)斷，零電平時S1、S3或S2、S4開通，其他兩管關(guān)斷。

下面以功率單元輸出正電壓為例分析各開關(guān)管狀態(tài)。功率單元在一個周期內(nèi)各狀態(tài)如圖4所示，功率單元輸出正電壓時，假設(shè)在一個周期內(nèi)輸出正電平時間為T+1，輸出電壓為+VDC，其余時間輸出0電平。在一個周期內(nèi)，控制器先后發(fā)出S1，S2，S3，S4的開關(guān)脈沖信號為1010，1001，1010，其中1代表開通開關(guān)管，0代表關(guān)斷開關(guān)管。功率單元死區(qū)設(shè)置規(guī)則為某開關(guān)管脈沖信號為0，則關(guān)斷開關(guān)管，為1則延遲死區(qū)時間Td后導(dǎo)通開關(guān)管。因此加入死區(qū)后開關(guān)管S3和S4的狀態(tài)并不會隨指令脈沖信號立刻發(fā)生變化，在死區(qū)時間內(nèi)兩個管子均處于關(guān)斷狀態(tài)。這里因為S1和S2狀態(tài)始終分別為開通和截止?fàn)顟B(tài)，因此沒有在圖上畫出。

在死區(qū)時間內(nèi)，S1和S2分別為1(開通)和0(截止)狀態(tài)，而S3和S4均處于關(guān)斷狀態(tài)時，由于電流流向不同，功率單元輸出電平將不同，如圖5所示。當(dāng)流經(jīng)功率單元電流i＞0時，電流將流經(jīng)D1，直流電容C和D4，此時功率單元輸出+VDC電壓。反之，當(dāng)流經(jīng)功率單元電流i＜0時，電流流經(jīng)D3和S1，此時功率單元輸出0電平。因此死區(qū)時間內(nèi)，由于電流流向不同，功率單元實際輸出電壓如圖4(e)、(f)所示?？梢钥吹?，功率單元電流i＞0時，實際輸出電壓將增加Td/TsVDC，而功率單元電流 i＜0時，實際輸出電壓將減少Td/TsVDC。

圖4 單元輸出正電壓狀態(tài)Fig.4 The positive voltage state of unit’s output

圖5 功率單元輸出正電壓死區(qū)時狀態(tài)Fig.5 The dead-time state when the unit’s output is positive voltage

同理可以分析功率單元在輸出負(fù)電壓時的狀態(tài)如圖6所示。可以看到功率單元在功率單元電流i＞0時，實際輸出電壓將增加Td/TsVDC，而功率單元電流i＜0時，實際輸出電壓將減少Td/TsVDC。

圖6 功率單元輸出負(fù)電壓死區(qū)時狀態(tài)Fig.6 The dead-time state when the unit’s output is negative voltage

2.3 死區(qū)時間補償

前面對功率單元開關(guān)切換過程中加入死區(qū)帶來的電壓偏差效應(yīng)進行了分析，總體來說，死區(qū)的加入會使單元輸出電壓增加或減少死區(qū)Td個時間的電容電壓偏差，造成輸出畸變。針對死區(qū)效應(yīng)帶來的影響，提出死區(qū)補償策略，當(dāng)加入死區(qū)增加輸出電壓時，補償時相應(yīng)減少對應(yīng)死區(qū)時間的輸出電壓，反之則增加輸出電壓時間，獲得補償效果。

在具體補償時，應(yīng)根據(jù)不同輸出電壓與電流極性采取不同措施。圖7顯示了補償具體操作，通過提前改變占空比時間，補償了死區(qū)造成的影響。其中Tref=Tsd，是功率單元在一個周期內(nèi)輸出+1電平或者-1電平的理論時間，Tout是補償后送到功率單元的指令占空比時間。結(jié)合圖5及圖6可知，實際功率單元輸出有效電平的時間將為Tref，即功率單元輸出了正確的電壓。

圖7 基于占空比時間調(diào)整的死區(qū)補償方法Fig.7 The dead-time compensation method based on the duty ratio

從補償過程可以看到，電流極性準(zhǔn)確判定對死區(qū)補償性能有較大影響。由于采樣電路噪聲及延時，直接根據(jù)采樣電流進行極性判定會帶來較大誤差，因此采用根據(jù)功率因數(shù)對電流過零位置進行預(yù)測的方法，即根據(jù)當(dāng)前SVG發(fā)出的有功及無功電流，確定輸出電流與電壓夾角，由于電壓過零時刻已知，故可推算出電流過零位置，從而準(zhǔn)確判定電流極性。

3 仿真和實驗驗證

利用所獲得的單元占空比指令，對級聯(lián)H橋SVG控制，通過仿真和實驗驗證如下。首先利用Matlab軟件中的Simulink平臺環(huán)境搭建了SVG仿真模型，主要參數(shù)如表1所示。為方便觀察死區(qū)補償效果，負(fù)載采用純無功負(fù)載，SVG輸出補償電流即正弦波。

表1 仿真模型主要參數(shù)Table 1 Simulation parameters

圖8 死區(qū)補償電流波形對比Fig.8 The current waveform for dead-time compensation

圖8所示在對死區(qū)補償前后SVG發(fā)出的電流波形。補償前電流峰值為17.1 A，指令值為21 A，諧波畸變THD=4.57%，從圖8(a)中明顯的可以看出電流波形畸變，存在零點箝位現(xiàn)象。同時死區(qū)的加入，減小了輸出電流大小，造成跟蹤補償指令偏差。圖8(b)為死區(qū)補償后的電流波形，峰值為20.6 A，跟蹤效果良好，消除了零點箝位現(xiàn)象，諧波畸變僅為1.92%。

為驗證提出策略的正確性，在基于DSP和FPGA芯片控制系統(tǒng)的三相H橋級聯(lián)SVG實驗裝置上進行實驗驗證。電網(wǎng)電壓400 V，每相級聯(lián)H橋單元12個，連接電抗器5 mH?？刂菩酒珼SP對諧波和無功電流檢測，計算參考指令電流，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)產(chǎn)生36路H橋單元占空比信號。

圖9為SVG發(fā)出補償電流波形。圖9(a)為未進行死區(qū)補償時的A相電流波形，可以看出電流波形有明顯畸變，出現(xiàn)了明顯的零電流箝位現(xiàn)象，并且在電流峰值處出現(xiàn)了較大的畸變;圖9(b)為采用死區(qū)補償后的電流波形，電流波形正弦度得到了明顯改善，畸變減小，有效的消除了零電流箝位現(xiàn)象。

圖9 SVG發(fā)出電流波形Fig.9 The current waveform of SVG

4 結(jié)論

本文針對中高壓大容量級聯(lián)H橋SVG，建立了多回路的占空比離散模型，直接獲得各H橋單元的實際占空比，省略了調(diào)制環(huán)節(jié)，動態(tài)跟蹤效果更好?；谡伎毡瓤刂频腟VG輸出，分析了死區(qū)的加入帶來的輸出電壓偏差，提出了一種實用有效的死區(qū)補償方法。該方法通過直接縮短或延長開關(guān)器件的占空比，無需計算補償電壓，有效的補償了死區(qū)效應(yīng)，消除了零電流箝位現(xiàn)象及波形畸變，使輸出完全跟蹤指令電流。通過仿真和實驗平臺驗證了所提出方法的有效性，獲得了理想的效果。

［1］王奎，鄭澤東，李永東.一種新型的無變壓器級聯(lián)型多電平變換器拓?fù)洌跩］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(8):1-6.WANG Kui，ZHENG Zedong，LI Yongdong.A novel transformerless cascaded multilevel converter topology［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(8):1-6.

［2］魏文輝，劉文華，宋強，等.基于逆系統(tǒng)方法有功-無功解耦PWM控制的鏈?zhǔn)絊TATCOM動態(tài)控制策略研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25(3):23-28.WEI Wenhui，LIU Wenhua，SONG Qiang，et al.Research on fast dynamic control of ststic synchronous compensation using cascade multilevel inverters［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25(3):23-28.

［3］王庚，李永東，游小杰.級聯(lián)式并聯(lián)有源電力濾波器的控制［J］.電工電能新技術(shù)，2004，23(4):51-55.WANG Geng，LI Yongdong，YOU Xiaojie.A novel control algorithm for cascaded shunt active power filter［J］.Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2004，23(4):51-55.

［4］陳銳，伊項根，王志華.級聯(lián)型高壓變頻器死區(qū)效應(yīng)分析［J］.電力自動化設(shè)備，2003，23(8):33-37.CHEN Rui，YIN Xianggen，WANG Zhihua.Analysis of dead-Time effect in cascaded multilevel medium voltage inverters［J］.Electric Power Automation Equipment，2003，23(8):33-37.

［5］HIROFUMI AKAGI，SHIGENORI INOUE，TSURUGI YOSHII.Control and performance of a transformerless cascade PWM STATCOM with star configuration［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43(43):1041-1049.

［6］房紅娟.級聯(lián)SVG控制策略研究及FPGA控制器設(shè)計［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［7］FANG Hongjuan，YANG Rongfeng，YU Yannan，et al.A study on the DC voltage control techniques of cascaded multilevel APF［C］//Power Electronics and Motion Control Conference，Harbin，China，June 2-5，2012:2727-2731.

［8］FANG Zhengpeng，JIH-SHENG LA.Dynamic performance and control of a static var generator using cascade multilevel inverters［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1997，33(3):748-755.

［9］QIANG Song，LIU Wenhua，YUAN Zhichang.Multilevel optimal modulation and dynamic control strategies for STATCOM using cascaded multilevel inverters［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22(3):1937-1946.

［10］LI Jianlin，WANG Liqiao，LI Yuling，et al.A novel current source converter with carrier phase shifted SPWM for active power filter［C］//Conference on Convergent Technologies for Asia-Pacific Region，Bangalore，India，Oct 15-17，2003:268-272.

［11］ANURADHA K，MUNI B.P，KUMAR A.D.R.Cascaded multilevel converter based DSTATCOM using p-q theory with DC link voltage balancing［C］//Power and Energy Systems International Conference，Chennai，Dec 22-24，2011:1-6.

［12］王高林，于泳，楊榮峰，徐殿國.感應(yīng)電機空間矢量PWM控制逆變器死區(qū)效應(yīng)補償［J］.中國電機工程學(xué)報，2008，28(15):79-83.WANG Gaolin，YU Yong，YANG Rongfeng，XU Dianguo.Deadtime compensation of space vector PWM inverter for induction motor［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28(15):79-83.

［13］王勇，高寧，羅悅?cè)A，蔡旭.三相三電平并網(wǎng)逆變器無死區(qū)SPWM 控制研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2011，31(21):70-75.WANG Yong，GAO Ning，LUO Yuehua，CAI Xu.SPWM research for dead-time elimination in a three-phase three-level grid-connected inverter［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31(21):70-75.

［14］何正義，季學(xué)武，瞿文龍.一種新穎的基于死區(qū)時間在線調(diào)整的 SVPWM 補償算法［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24(6):42-47.HE Zhengyi，JI Xuewu，QU Wenlong.A novel SVPWM compensation strategy based on regulating dead time on-line［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(6):42-47.

［15］吳茂剛，趙榮祥，湯新舟.正弦和空間矢量PWM逆變器死區(qū)效應(yīng)分析與補償［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26(12):101-105.WU Maogang，ZHAO Rongxiang，TANG Xinzhou.Dead-time effects analysis and compensation of SPWM and SVPWM inverter［J］.Proceedings of the CSEE，2006，26(12):101-105.

［16］胡慶波，呂征宇.一種用于三相逆變器死區(qū)效應(yīng)的數(shù)字補償方法［J］.電力電子技術(shù)，2005，39(4):9-10.HU Qingbo，Lü Zhengyu.Digital method for dead-time compensation of three-phase voltage inverter ［J］.Power Electronics，2005，39(4):9-10.

［17］楊立永，陳智剛，陳為奇.逆變器輸出電壓模型及新型死區(qū)補償方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(1):182-187.YANG Liyong，CHEN Zhigang，CHEN Weiqi.Output voltage model of VSI-inverter and a novel dead-time compensation method［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(1):182-187.

［18］劉定國，羅安，帥智康.單周控制靜止同步補償器的死區(qū)補償策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(12):159-163.LIU Dingguo，LUO An，SHUAI Zhikang.Dead-time effect compensation method of unified constant frequency integration static compensator［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22(12):159-163.

［19］CHEN Lihua，PENG Fangzheng.Dead-time elimination for voltage source inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23(2):574-580.

［20］SUMMERS T J，BETZ R E.Dead-time issues in predictive current control［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2004，40(3):835-844.