一種三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓控制方法研究

何英杰 付亞彬 段文巖

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 401121)

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一種三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓控制方法研究

何英杰1，2付亞彬1段文巖1

(1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 401121)

通過(guò)對(duì)三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓均衡控制進(jìn)行深入研究，建立三層直流側(cè)電壓均衡控制系統(tǒng)。第一層為總直流側(cè)電壓，通過(guò)產(chǎn)生基波正序有功電流維持三相所有H橋模塊直流側(cè)電壓之和恒定；第二層為三相之間均衡控制，通過(guò)在變流器指令電壓中注入零序電壓產(chǎn)生零序電流實(shí)現(xiàn)三相功率的再分配，實(shí)現(xiàn)三相均衡；第三層為每相內(nèi)部各H橋模塊均衡控制，通過(guò)沿電流方向微調(diào)每相各模塊指令電壓實(shí)現(xiàn)各模塊吸收的功率重新分配，進(jìn)而保證模塊直流側(cè)電壓等于給定值。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的可靠性和有效性。

三角形聯(lián)結(jié) 級(jí)聯(lián)H橋SVG 直流側(cè)電壓控制

0 引言

近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于電能質(zhì)量的要求不斷提高，柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)發(fā)展迅速。其中，靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVG)由于具有控制性能優(yōu)越、補(bǔ)償效果好、諧波含量低、能有效補(bǔ)償電壓波動(dòng)與閃變等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用。串聯(lián)H橋多電平結(jié)構(gòu)SVG與其他多電平結(jié)構(gòu)SVG相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需元器件較少，易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，因此備受關(guān)注[1-18]。串聯(lián)H橋多電平結(jié)構(gòu)SVG有星形和三角形兩種聯(lián)結(jié)方式。當(dāng)電網(wǎng)中存在不平衡負(fù)載時(shí)，需要SVG輸出負(fù)序電流，采用星形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)，SVG需要中心點(diǎn)偏移。當(dāng)負(fù)載嚴(yán)重不對(duì)稱時(shí)，其中一相要產(chǎn)生較小的指令電壓，需要的H橋逆變單元很少，而另外一相要產(chǎn)生較大的指令電壓，需要的H橋逆變單元很多。因此，星形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG不適合補(bǔ)償嚴(yán)重不對(duì)稱負(fù)載。而采用三角形聯(lián)結(jié)，三相獨(dú)立的H橋逆變單元可進(jìn)行單獨(dú)的控制、投入和運(yùn)行，相當(dāng)于改變了不平衡負(fù)載的結(jié)構(gòu)，對(duì)平衡負(fù)載和不平衡負(fù)載都有很好的補(bǔ)償效果，這是星形聯(lián)結(jié)無(wú)法做到的。所以本文對(duì)三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG進(jìn)行研究。

串聯(lián)H橋SVG還存在一些技術(shù)上的難題。其中，直流側(cè)電壓的均衡問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵性難題。在實(shí)際運(yùn)行中，由于各功率單元器件的參數(shù)、損耗的差異和開(kāi)關(guān)模式不平衡等原因，各功率單元的直流側(cè)電壓會(huì)發(fā)生不對(duì)稱。這將會(huì)影響SVG的運(yùn)行性能，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件承受的電壓超過(guò)耐壓等級(jí)而被燒毀。因此，串聯(lián)H橋多電平結(jié)構(gòu)SVG的直流側(cè)電壓控制方法的研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[4-18]。目前對(duì)星形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓控制有大量文獻(xiàn)報(bào)道，三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓控制的文獻(xiàn)則較少。文獻(xiàn)[9，14]提出一種串聯(lián)H橋多電平SVG串聯(lián)模塊間直流側(cè)電壓均衡控制方法，但其未考慮三相模塊之間的直流側(cè)電壓均衡，不能用于輸出負(fù)序電流的情況。文獻(xiàn)[12]提出一種串聯(lián)H橋三相之間直流側(cè)電壓均衡控制方法，但其只能在電網(wǎng)電壓對(duì)稱的情況下實(shí)現(xiàn)三相功率的再分配，均衡直流側(cè)電壓，不能用于電網(wǎng)電壓不對(duì)稱的情況。文獻(xiàn)[13]提出一種結(jié)合零序電流注入和分相控制的相間直流側(cè)平衡控制方法，但該方法會(huì)在電網(wǎng)中引入額外的負(fù)序電流，污染電網(wǎng)。在詳細(xì)研究三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋直流側(cè)電壓控制方法的基礎(chǔ)上，提出了直流側(cè)電壓三層控制結(jié)構(gòu)。這種三層控制結(jié)構(gòu)在保證電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)總的有功功率控制、有功功率在三相之間的重新分配以及有功功率在每相各模塊間的重新分配，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制理論研究的可靠性。

1 三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋SVG主電路數(shù)學(xué)模型和控制系統(tǒng)

串聯(lián)H橋多電平SVG主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，a、b、c三相三角形聯(lián)結(jié)，每相由N個(gè)H橋模塊串聯(lián)構(gòu)成。再經(jīng)連接電抗器L與電網(wǎng)相連。圖中，usa、usb和usc分別為三相電網(wǎng)電壓，icab、icbc和icca分別為串聯(lián)多電平SVG三相輸出電流，電抗器L為SVG與電網(wǎng)連接時(shí)的進(jìn)線電感，R為電感的等效電阻，udc_ik(i=ab，bc，ca；k=1，2，…，N)為H橋單相電路模塊直流側(cè)電壓，Rdc_ik、C分別為各H橋模塊等效損耗和直流側(cè)電容值。

圖1 串聯(lián)H橋多電平SVG主電路Fig.1 Main circuit of cascaded H bridge multilevel inverter with delta connection

將ab、bc、ca每相中各H橋模塊的開(kāi)關(guān)函數(shù)等效表示為Sij(i=ab，bc，ca；j=1，2，…，N)，其中i表示第i相，j表示該相中的第j個(gè)H橋模塊，得該串聯(lián)H橋多電平SVG數(shù)學(xué)模型為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Sab、Sbc和Sca為每相所有H橋的等效開(kāi)關(guān)函數(shù)。從式(2)和式(4)可看出，通過(guò)微調(diào)每相各H橋模塊指令電壓，能調(diào)節(jié)其直流側(cè)電壓，保持每相的總指令電壓不變，則每相各H橋模塊直流側(cè)電壓之和不變。

對(duì)式(4)進(jìn)行正負(fù)零序分解，得到

(5)

從式(3)和式(5)可看出，在輸出無(wú)功負(fù)序電流確定的情況下，正序指令電壓和負(fù)序指令電壓惟一確定。此時(shí)可在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期調(diào)節(jié)零序指令電壓產(chǎn)生零序電流來(lái)調(diào)節(jié)ab、bc、ca三相直流側(cè)電壓。如三相直流側(cè)電壓不平衡，可注入零序電壓生成零序電流控制其平衡。以上分析為H橋模塊直流側(cè)電壓控制提供理論基礎(chǔ)。

圖2所示為該串聯(lián)H橋多電平SVG整個(gè)控制框圖，控制系統(tǒng)分為直流側(cè)電壓控制環(huán)和輸出電流跟蹤控制環(huán)兩部分。電壓環(huán)維持SVG直流側(cè)電壓恒定，包括總直流側(cè)電壓控制、相間均壓控制和模塊間均壓控制三部分。電流環(huán)可分為求取補(bǔ)償電流參考值的上層算法模塊和跟蹤參考電流的控制模塊兩部分。本文在上層算法模塊中，采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的無(wú)功檢測(cè)法；在控制模塊中采用dq狀態(tài)解耦PI控制方法。

圖2 系統(tǒng)總控制框圖Fig.2 The block diagram of the total control system

2 直流側(cè)電壓控制

在三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋多電平SVG中，ab、bc、ca三個(gè)串聯(lián)H橋鏈獨(dú)立連接在三相電壓之間，可分別運(yùn)行相互不影響。所以可分別控制其直流側(cè)電壓，產(chǎn)生有功電流。當(dāng)3個(gè)串聯(lián)H橋鏈參數(shù)差別不明顯時(shí)，各相損耗近似相等，各相需要從電網(wǎng)吸收有功電流大小相等。但如果3個(gè)串聯(lián)H橋鏈自身參數(shù)差別較大，且要補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)序電流時(shí)，各相需要從電網(wǎng)吸收有功電流大小則不相同，如圖3所示。圖3從電網(wǎng)吸收的三相有功電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流之和，矢量圖如圖4所示。經(jīng)分解后，最終輸出的補(bǔ)償電流中除了包含需要的正序電流外，還包含一定數(shù)量的負(fù)序電流分量，當(dāng)三相不平衡度加大時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)序分量值可能會(huì)很大，如果這部分基波負(fù)序分量流入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。所以必須對(duì)三相所有H橋模塊綜合考慮，一起進(jìn)行控制。

圖3 各相從電網(wǎng)吸收有功電流矢量圖Fig.3 The vector diagram of active current absorbed by each phase from grid

圖4 分解后有功電流矢量圖Fig.4 The vector diagram of active current after decomposition

本文提出的直流側(cè)電壓控制環(huán)分為三層結(jié)構(gòu)：第一層為總直流側(cè)電壓控制，第二層為相間均壓控制，第三層為模塊間均壓控制?？傊绷鱾?cè)電壓控制如圖5所示。檢測(cè)SVG三相所有H橋模塊直流側(cè)電壓值Udc_ai、Udc_bi、Udc_ci(i=1，2，…，N)，并對(duì)其求平均；將求得平均值的平方與給定值的平方相比較，輸出經(jīng)過(guò)比例積分調(diào)節(jié)器調(diào)整，作為基波正序有功電流指令。根據(jù)總控制框圖，將基波正序有功電流指令與之前求得的無(wú)功負(fù)序指令電流相加得到最終的指令電流。

圖5 總電壓控制框圖Fig.5 The block diagram of the total voltage control system

要總直流側(cè)電壓恒定，也就是要交流側(cè)和直流側(cè)達(dá)到總功率平衡?？紤]電壓環(huán)響應(yīng)速度較慢，有功指令電流icd一個(gè)基波周期僅調(diào)節(jié)幾次，icd在一個(gè)基波周期變化不大。以基波周期為單位考慮功率變化，忽略連接電感等效電阻，則連接電感在一個(gè)基波周期吸收功率為零，電網(wǎng)在一個(gè)基波周期提供的有功功率等于串聯(lián)H橋所有模塊吸收的有功功率

(6)

式中，T為電網(wǎng)基波周期；Updc為三相所有H橋模塊直流側(cè)電壓平均值。由式(6)得

(7)

將式(7)兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

(8)

采用PI控制器，控制器采用式(8)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。該電壓環(huán)等效為一個(gè)二階系統(tǒng)，選擇合理阻尼比ξ和自然振蕩頻率ωn進(jìn)行控制。根據(jù)ξ、ωn，設(shè)計(jì)出該電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)KP、KI。

圖6 總直流側(cè)電壓控制參數(shù)設(shè)計(jì)框圖Fig.6 The block diagram of the total voltage control parameter design

第一層控制將總直流側(cè)電壓控制為給定值，但由于三相之間的損耗存在差異性，當(dāng)三相不平衡度較大時(shí)，各相直流母線電壓也會(huì)存在較大差異。如果不加以控制，直流電壓偏高的相模塊超額工作，且開(kāi)關(guān)器件存在過(guò)電壓損壞的危險(xiǎn)，而直流電壓較低的相模塊又常欠額工作，模塊的效用不能充分發(fā)揮。而且，當(dāng)補(bǔ)償電流含有負(fù)序分量時(shí)，負(fù)序補(bǔ)償電流和正序電網(wǎng)電壓將產(chǎn)生功率偏移，使各相直流母線電壓產(chǎn)生差異。

如圖1所示，電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)包含負(fù)序分量，不妨設(shè)電網(wǎng)電壓為

(9)

式中，Up為線電壓正序分量的有效值；Un為線電壓負(fù)序分量的有效值；φ為線電壓負(fù)序分量的初始相位。SVG在補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功和負(fù)序電流，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的輸出電流(忽略第一層產(chǎn)生的補(bǔ)償裝置有功電流)為

(10)

式中，Ip為正序電流的有效值；In為負(fù)序電流的有效值；φ為負(fù)序電流的初相位，參考值為電網(wǎng)電壓正序ab相的相位。SVG變流器各相每個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)吸收的平均功率為

(11)

式(11)中3個(gè)公式相加得

(12)

式(11)、式(12)說(shuō)明電網(wǎng)正序電壓和負(fù)序補(bǔ)償電流、電網(wǎng)負(fù)序電壓和正序補(bǔ)償電流作用均會(huì)使SVG三相之間有功功率產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，但并不改變串聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)SVG從電網(wǎng)吸收的有功功率，會(huì)引起相間直流側(cè)總電壓的不均衡，但對(duì)SVG所有H橋模塊的總直流側(cè)電壓無(wú)影響；電網(wǎng)正序電壓和正序無(wú)功補(bǔ)償電流作用不會(huì)影響從電網(wǎng)吸收的有功功率，也不會(huì)導(dǎo)致SVG三相之間有功功率的轉(zhuǎn)移；電網(wǎng)負(fù)序電壓和負(fù)序補(bǔ)償電流作用會(huì)影響SVG從電網(wǎng)吸收的有功功率，會(huì)導(dǎo)致所有H橋模塊的直流側(cè)總電壓發(fā)生變化，不會(huì)使SVG三相之間有功功率產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。

當(dāng)三相變流器損耗不同時(shí)，可利用負(fù)序電流改變?nèi)辔盏墓β蕘?lái)進(jìn)行控制。但這樣會(huì)向電網(wǎng)注入額外的負(fù)序電流，造成電網(wǎng)的二次污染。下面分析在變流器中注入零序電壓，產(chǎn)生零序電流，是否會(huì)對(duì)三相功率產(chǎn)生影響。設(shè)三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)SVG變流器中注入的零序電流表達(dá)式為

(13)

式中，θ為零序電流的初始相位，參考值為電網(wǎng)電壓正序ab相的相位；I0為零序電流的有效值。零序電流引起的三相功率變化為

(14)

式(14)中3個(gè)公式的和為零，說(shuō)明零序電流不影響三相變流器的總功率，會(huì)導(dǎo)致三相之間功率的重新分配。因此，可采用零序電流對(duì)三相功率進(jìn)行再分配，校正因?yàn)檠b置損耗和輸出負(fù)序電流時(shí)，三相相間直流側(cè)總電壓的不均衡。式(14)中3個(gè)公式的和為零，也說(shuō)明3個(gè)公式線性相關(guān)。根據(jù)第1個(gè)和第2個(gè)公式進(jìn)行求解，得

(15)

由此，根據(jù)均衡三相直流側(cè)電壓所需要的功率調(diào)節(jié)量，由式(15)計(jì)算出零序電流指令值。其中，Up可通過(guò)將電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)dq變換，采用低通濾波器求出其直流分量得到；Un、sinφ、cosφ可通過(guò)將電網(wǎng)電壓經(jīng)反向dq變換采用低通濾波器求出其直流分量求得；sinωt和cosωt由鎖相環(huán)得出。

控制框圖如圖7所示，根據(jù)式(11)計(jì)算出ab、bc、ca每相應(yīng)平衡的功率。然后求出每相H橋模塊直流側(cè)電壓值的平均值，將求得平均值的平方與給定值平方相比較，輸出經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)整，求出考慮模塊損耗的功率偏差調(diào)節(jié)量。將式(11)計(jì)算的每相應(yīng)平衡的功率和PI調(diào)節(jié)器輸出的功率偏差量相加，作為均衡三相直流側(cè)電壓所需要的功率調(diào)節(jié)量，由式 (15)計(jì)算出需要的零序電流指令值。其中，Ip、In、φ可通過(guò)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的無(wú)功負(fù)序檢測(cè)環(huán)節(jié)得到。該控制方法在變流器需要補(bǔ)償負(fù)序電流和裝置損耗相間不均衡時(shí)，通過(guò)在指令電壓中疊加零序電壓，產(chǎn)生零序電流，變流器在不向電網(wǎng)額外注入負(fù)序電流的前提下達(dá)到自身相間直流母線電壓的平衡。

圖7 三相直流母線電壓均衡控制框圖Fig.7 The block diagram of the three-phase DC side voltage balancing control system

由式(5)，考慮電壓環(huán)響應(yīng)速度較慢，以基波周期為單位考慮直流側(cè)電壓變化

(16)

所以串聯(lián)H橋多電平變流器輸出零序電壓引起的ab相吸收功率變化量與直流側(cè)電壓變化量關(guān)系為

(17)

將式(17)兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

(18)

控制器采用PI控制器，采用式(18)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，相間控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。具體PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)同總電壓控制環(huán)。

圖8 相間直流側(cè)電壓PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)框圖Fig.8 The block diagram of the three-phase DC side voltage balancing control parameter design

在電網(wǎng)吸收的總有功功率已被控制為給定值，在三相之間直流母線電壓已實(shí)現(xiàn)均衡控制的前提下，如果每相N個(gè)H橋模塊指令電壓相同，從電網(wǎng)吸收的有功電流將在N個(gè)H橋模塊間平均分配。由于N個(gè)H橋模塊自身?yè)p耗不同，平均分配有功功率可能會(huì)造成損耗小的模塊由于吸收了過(guò)多的有功功率，直流側(cè)電壓值高于期望值，損耗大的模塊直流側(cè)電壓值小于期望值。

根據(jù)每個(gè)模塊直流側(cè)電壓的情況，沿變流器輸出電流的方向微調(diào)其指令電壓，可最快速地調(diào)節(jié)從電網(wǎng)吸收的有功功率。每相各串聯(lián)模塊直流側(cè)電壓均衡控制方法的控制框圖如圖9所示。每相N-1個(gè)模塊根據(jù)模塊直流側(cè)電壓的情況，用ab相各串聯(lián)模塊直流側(cè)電壓平均值的平方作為指令，用各模塊直流側(cè)實(shí)際電壓值的平方作為反饋，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，再乘以ab相的輸出電流，便得到了ab相相應(yīng)模塊調(diào)制波的微調(diào)量，將微調(diào)指令與原指令電壓相加，作為串聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)SVG ab相各H橋模塊最終指令電壓。各模塊沿變流器輸出電流的方向微調(diào)其指令電壓，調(diào)節(jié)其吸收的有功功率，進(jìn)而達(dá)到控制各模塊直流側(cè)電壓均衡的目的。第N個(gè)模塊指令電壓為該相指令電壓減去N-1個(gè)模塊微調(diào)后的指令電壓，從而維持該相總輸出指令電壓不變。因?yàn)槊肯嗟目傠妷涸诘诙右驯豢刂茷榻o定值，所以只要N-1個(gè)模塊直流側(cè)電壓是平衡的，第N個(gè)模塊直流側(cè)電壓也是平衡的。以此類推得到bc相、ca相中H橋模塊最終指令電壓。

根據(jù)式(2)所示的電壓關(guān)系，由控制系統(tǒng)框圖9，考慮電壓環(huán)響應(yīng)速度較慢，以基波周期為單位考慮直流側(cè)電壓變化，可得

(19)

式中，ΔEab1為模塊交流側(cè)指令電壓PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)量。將式(19)兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

(20)

圖9 每相模塊間均衡控制框圖Fig.9 The block diagram of DC voltage balancing control of each module in each phase

采用PI控制器，控制器采用式(20)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，如圖10所示。具體PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)同上。

圖10 每相內(nèi)部各模塊直流側(cè)電壓PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)框圖Fig.10 The block diagram of DC voltage balancing control parameter design of each module in each phase

該三層直流側(cè)電壓控制方法，總直流側(cè)電壓控制環(huán)和輸出電流dq狀態(tài)解耦PI跟蹤控制環(huán)生成d軸和q軸指令電壓，相間均壓控制環(huán)產(chǎn)生零軸指令電壓，總直流側(cè)電壓控制環(huán)和相間均壓控制環(huán)不在同一坐標(biāo)軸，不存在耦合的關(guān)系。每相模塊間均壓控制環(huán)調(diào)節(jié)后該相總輸出指令電壓不變，也不和第一層和第二層產(chǎn)生耦合關(guān)系。該三層直流側(cè)電壓控制方法具有較好的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路由DSP+FPGA共同實(shí)現(xiàn)。DSP選擇TI公司的TMS320F28335，主要實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)控制；FPGA選擇Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C35F484C8，主要產(chǎn)生PWM信號(hào)。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：電網(wǎng)相電壓幅值50 V，電網(wǎng)電壓頻率50 Hz，連接電感值6 mH，連接電感等效電阻值0.5 Ω，H橋模塊直流側(cè)電壓60 V，每相H橋模塊數(shù)量N=2。

圖11a～圖11c分別為ab相上下兩個(gè)模塊輸出的三電平電壓信號(hào)以及通過(guò)相移載波調(diào)制疊加而成每相輸出的五電平信號(hào)?？擅黠@看出串聯(lián)H橋SVG中開(kāi)關(guān)器件開(kāi)斷時(shí)承受直流電壓值僅為H橋模塊直流電容電壓，適合應(yīng)用于中高壓電網(wǎng)。圖12為SVG輸出a相電網(wǎng)電壓和a相SVG補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流波形，可看出串聯(lián)H橋SVG輸出超前電網(wǎng)電壓90°的10 A無(wú)功電流，對(duì)指令電流實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確跟蹤。圖13為和圖12對(duì)應(yīng)ab相上下兩個(gè)模塊直流側(cè)電壓、ab相總直流側(cè)電壓以及三相總直流側(cè)電壓，可看出直流側(cè)電壓被控制在給定值附近。

圖14為當(dāng)指令電流從10 A跳到-10 A時(shí)，SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償BC相無(wú)功電流、BC相電網(wǎng)電壓以及BC相直流側(cè)電壓的波形，可看出SVG能夠準(zhǔn)確快速的進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，直流側(cè)電壓被控制得很好。圖15為補(bǔ)償不平衡負(fù)載時(shí)，三相SVG補(bǔ)償電流及AB相電網(wǎng)電壓波形。

圖11 ab相上下兩模塊輸出電壓信號(hào)和ab相總輸出電壓波形Fig.11 The waveform of output voltage of two modules and total output voltage of phase ab in SVG

圖12 ab相電壓和ab相SVG補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流波形 Fig.12 The waveform of grid voltage and output current of phase ab in SVG

圖13 SVG ab相上下兩模塊直流側(cè)電壓、ab相總直流側(cè)電壓和三相總直流側(cè)電壓波形 Fig.13 The waveform of DC side voltage of two modules，total DC side voltage of phase ab and total DC side voltage of three phase ab，bc and CA in SVG

圖16為相應(yīng)所有模塊直流側(cè)電壓之和以及各相模塊直流側(cè)電壓之和的波形，可看出SVG能夠很好地補(bǔ)償三相不平衡負(fù)載，同時(shí)將直流側(cè)電壓控制在給定值附近。

圖14 bc相電網(wǎng)電壓、直流側(cè)電壓和bc相SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流波形Fig.14 The waveform of grid voltage，DC side voltage and dynamic compensation output current of phase bc in SVG

圖15 補(bǔ)償負(fù)載不平衡時(shí)，ab相電網(wǎng)電壓和>SVG輸出三相電流波形Fig.15 The waveform grid voltage and three phase of output current by SVG at the unbalanced load

圖16 補(bǔ)償負(fù)載不平衡時(shí)，三相直流側(cè)電壓波形和三相直流側(cè)總電壓波形Fig.16 The waveform of total DC voltage and total DC voltage of three phase ab，bc and ca at the unbalanced load

圖17為不平衡程度較小的負(fù)載突變?yōu)椴黄胶獬潭容^大的負(fù)載時(shí)，SVG三相補(bǔ)償電流和ab相電網(wǎng)電壓波形。圖18為相應(yīng)所有模塊直流側(cè)電壓之和以及各相模塊直流側(cè)電壓之和的波形。圖19為不平衡程度較大的負(fù)載突變?yōu)椴黄胶獬潭容^小的負(fù)載時(shí)，SVG補(bǔ)償三相電流和ab相電網(wǎng)電壓波形。圖20為相應(yīng)所有模塊直流側(cè)電壓之和以及各相模塊直流側(cè)電壓之和的波形?？煽闯鲈谪?fù)載發(fā)生突變時(shí)，SVG能夠很好地輸出無(wú)功負(fù)序電流，同時(shí)使直流側(cè)電壓保持在給定值附近。

圖17 不平衡度較小負(fù)載突變?yōu)椴黄胶舛容^大負(fù)載時(shí)，ab相電網(wǎng)電壓和SVG輸出電流波形Fig.17 The grid voltage of phase ab and the output current of SVG when load with smaller degree of imbalance mutate into load with larger degree of imbalance

圖18 不平衡度較小負(fù)載突變?yōu)椴黄胶舛容^大負(fù)載時(shí)，三相直流側(cè)電壓和三相直流側(cè)總電壓波形Fig.18 The waveform of total DC voltage and total DC voltage of three phase ab，bc and ca when load with smaller degree of imbalance mutate into load with larger degree of imbalance

圖19 不平衡度較大負(fù)載突變?yōu)椴黄胶舛容^小負(fù)載時(shí)，ab相電網(wǎng)電壓和SVG輸出電流波形Fig.19 The grid voltage of phase ab and the output current of SVG when load with larger degree of imbalance mutate into load with smaller degree of imbalance

圖20 不平衡度較大負(fù)載突變?yōu)椴黄胶舛容^小負(fù)載時(shí)，三相直流側(cè)電壓波形和三相直流側(cè)總電壓波形Fig.20 The waveform of total DC voltage and total DC voltage of three phase ab，bc and ca when load with larger degree of imbalance mutate into load with smaller degree of imbalance

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)三角形聯(lián)結(jié)串聯(lián)H橋多電平SVG直流側(cè)電壓控制進(jìn)行研究，建立了一種三層控制體系。根據(jù)不同H橋模塊各自所需，將從電網(wǎng)吸收的有功功率重新分配，進(jìn)而保證ab、bc、ca三相所有H橋模塊直流側(cè)電容電壓值相等且等于給定值。而且，這種方法不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成任何污染，可在保證電能質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)模塊直流母線電壓的均衡。最后，對(duì)這種控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可靠性和有效性。

[1] Akagi H.Classification，terminology，and application of the modular multilevel cascade converter (MMCC)[C].International Power Electronics Conference，Sapporo，2010：508-515.

[2] 陶興華，李永東，孫敏.一種H橋級(jí)聯(lián)型PWM整流器的直流母線電壓平衡控制新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(8)：85-90. Tao Xinghua，Li Yongdong，Sun Min.A new method of DC bus voltage balance control for cascaded H-bridge PWM rectifier[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(8)：85-90.

[3] 單慶曉，李永東，潘孟春.級(jí)聯(lián)型逆變器的新進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19(2)：1-9. Shan Qingxiao，Li Yongdong，Pan Mengchun.New progress of cascaded inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2004，19(2)：1-9.

[4] Maharjan L，Inoue S，Akagi H.A transformerless energy storage system based on a cascade multilevel PWM converter with star configuration[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44(5)：1621-1630.

[5] Barrena J A，Marroyo L，Vidal M A R，et al.Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-bridge converter-based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industry Electronics，2008，55(1)：21-29.

[6] Vazquez S，Leon J I，Carrasco J M，et al.Analysis of the power balance in the cells of a multilevel cascaded h-bridge converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(7)：2287-2296.

[7] Song Wenchao，Huang A Q.Fault-tolerant design and control strategy for cascaded H-bridge multilevel converter-based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(8)：2700-2708.

[8] 聶子玲，張波濤，孫馳，等.級(jí)聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電容電壓的二次諧波計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(4)：111-116. Nie Ziling，Zhang Botao，Sun Chi，et al.The 2ndharmonic calculation of the capacitor voltage in the DC link of the cascaded H-bridge SVG[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2006，21(4)：111-116.

[9] Liu Zhao，Liu Bangyin，Duan Shanxu，et al.A novel DC capacitor voltage balance control method for cascade multilevel STATCOM[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(1)：14-27.

[10]武健，劉瑜超，徐殿國(guó).基于模塊多電平變換器的并聯(lián)有源濾波器控制策略研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(12)：52-59. Wu Jian，Liu Yuchao，Xu Dianguo.Control strategy of shunt active power filter based on modular multilevel converter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(12)：52-59.

[11]Akagi H，Inoue S，Yoshii T.Control and performance of a transformerless cascade PWM STATCOM with star configuration[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43(4)：1041-1049.

[12]Hagiwara M，Maeda R，Akagi H.Negative-sequence reactive power control by a PWM STATCOM based on a modular multilevel cascade converter (MMCC-SDBC)[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)，Phoenix，AZ，2011：3728-3735.

[13]季振東，趙劍鋒，孫毅超，等.三角形聯(lián)結(jié)的鏈?zhǔn)紿橋并網(wǎng)逆變器相間直流側(cè)電壓平衡控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(12)：191-206. Ji Zhendong，Zhao Jianfeng，Sun Yichao，et al.Interphase DC voltage balancing control of cascaded H-bridge grid-connected inverter with delta configuration[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(12)：191-206.

[14]劉釗，劉邦銀，段善旭，等.鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器的直流電容電壓平衡控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，29(30)：7-12. Liu Zhao，Liu Bangyin，Duan Shanxu，et al.DC capacitor voltage balancing control for cascaded multilevel STATCOM[J].Proceedings of the CSEE，2013，29(30)：7-12.

[15]宮力，康勇，陳晶晶.鏈?zhǔn)絊TATCOM直流電容電壓分布式控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(10)：217-223. Gong Li，Kang Yong，Chen Jingjing.DC capacitor voltage distributed control system for cascaded multilevel STATCOM[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(10)：217-223.

[16]萬(wàn)承寬，楊耕，張桐碩.基于星形接法的三相鏈?zhǔn)焦β收{(diào)節(jié)系統(tǒng)直流母線電壓平衡控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，12(27)：256-263. Wan Chengkuan，Yang Geng，Zhang Tongshuo.DC bus voltage balancing control of three-phase cascade power regulation system with star connection[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，12(27)：256-263.

[17]Chou Shih-Feng，Wang Bo-Siang，Chen Sheng-Wan，et al.Average power balancing control of a STATCOM based on the cascaded H-bridge PWM converter with star configuration[J].IEEE Power Electronics，2013，50(6)：3893-3901.

[18]Ota J I Y，Shibano Y，Niimura N，et al.Current control of a phase-shifted-PWM STATCOM using the modular multilevel cascade converter based on single-star bridge-cells(MMCC-SSBC)[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)，Denver，CO，2013：420-427.

Research on DC Voltage Control Method of Delta Connection Cascaded H Bridge SVG

HeYingjie1，2FuYabin1DuanWenyan1

(1.Electrical Engineering College of Xi’an Jiao Tong University Xi’an 710049 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 401121)

The in-depth study of the DC voltage balancing for the delta connection cascaded H bridge SVG has been carried out in this paper.A three layer DC voltage balancing control system is proposed.The first layer is the total DC side voltage control.Through generating fundamental positive sequence active current，the total DC side voltage of all three-phase H bridge modules is maintained constant.The second layer is the balancing control between three phases.Through injecting zero sequence voltage into the command voltage to produce zero sequence current，the three-phase power can be redistributed，thus the DC voltage balancing between three phases is achieved.The third layer is the balancing control between each module in each phase.Through fine tuning of the command voltage of each module in each phase along the direction of the current，the absorbed power of each module can be redistributed，thus the DC side voltage of each module in each phase can be kept as the reference value.Experimental results verify the correctness and reliability of the proposed control method in the end.

Delta connection，cascaded H bridge SVG，DC side voltage control

國(guó)家自然科學(xué)基金(50907052)，陜西省自然科學(xué)基金(2014JQ7271)和輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室訪問(wèn)學(xué)者項(xiàng)目(2007DA10512714405)資助。

2014-12-05 改稿日期2015-02-03

TM464

何英杰 男，1978年生，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槎嚯娖郊夹g(shù)、有源電力濾波器和無(wú)功補(bǔ)償。(通信作者)

付亞彬 男，1985年生，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嚯娖郊夹g(shù)、有源電力濾波器和無(wú)功補(bǔ)償。