一種星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓均衡控制方法研究

何英杰　付亞斌　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　400044)

一種星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓均衡控制方法研究

何英杰1，2付亞斌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400044)

摘要對(duì)星接H橋級(jí)聯(lián)型靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)直流側(cè)電壓均衡控制進(jìn)行了深入研究，建立了三層直流側(cè)電壓均衡控制系統(tǒng)。第一層為總直流側(cè)電壓控制，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實(shí)現(xiàn)三相功率的再分配，從而實(shí)現(xiàn)三相均衡；在該方法中，通過(guò)對(duì)H橋級(jí)聯(lián)型SVG的輸出電壓和輸出電流產(chǎn)生的功率進(jìn)行前饋，以達(dá)到快速地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。第三層為每相內(nèi)部各模塊均衡控制，通過(guò)沿電流方向微調(diào)每相各模塊指令電壓，使各H橋模塊吸收的功率重新分配，進(jìn)而保證相內(nèi)所有H橋模塊直流側(cè)電壓值等于給定值。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的正確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓控制

0引言

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，各種非線性、沖擊性負(fù)荷大量增加，這對(duì)電能質(zhì)量控制提出了更高的要求。靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)因補(bǔ)償效果好、響應(yīng)速度快、儲(chǔ)能元件體積小以及諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)，在改善電能質(zhì)量、補(bǔ)償無(wú)功等方面起到了很重要的作用。其中，H橋級(jí)聯(lián)型SVG因具有易于模塊化擴(kuò)展、各逆變單元獨(dú)立、無(wú)需多重變壓器接入以及在輸出相同電平下所需開(kāi)關(guān)器件少等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注[1-3]。

然而，直流側(cè)電壓不均衡是H橋級(jí)聯(lián)型SVG的一個(gè)關(guān)鍵難題。造成直流側(cè)電壓不均衡的原因主要有器件損耗存在差異和各模塊充放電時(shí)間不同。不平衡的直流側(cè)電壓會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致各開(kāi)關(guān)器件承受的電壓不同。不平衡嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)归_(kāi)關(guān)器件上的電壓超過(guò)耐壓等級(jí)，導(dǎo)致器件燒毀。因此，H橋級(jí)聯(lián)型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)[4-24]。目前直流側(cè)電壓控制方法已有很多研究，文獻(xiàn)[5，6]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)[7]得出可以通過(guò)控制變流器負(fù)序電流、零序電壓或負(fù)序電壓的方式達(dá)到控制單相直流電壓平衡的控制規(guī)律，提出基于正負(fù)序電流分離解耦控制的通用三級(jí)直流母線電壓控制方法。但其計(jì)算控制用負(fù)序電流分量、零序電壓分量和負(fù)序電壓分量時(shí)做了很大簡(jiǎn)化，計(jì)算會(huì)有誤差。文獻(xiàn)[8，9]提出一種H橋級(jí)聯(lián)型SVG串聯(lián)模塊間直流側(cè)電壓均衡控制方法，但其沒(méi)有考慮三相模塊之間的直流側(cè)電壓均衡，不能用于電網(wǎng)電壓不對(duì)稱和輸出負(fù)序電流的情況。文獻(xiàn)[10，11]提出一種H橋級(jí)聯(lián)型SVG基于負(fù)序電流的相間直流電壓平衡控制方法，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)。

本文深入研究了星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓控制方法，提出了一種直流側(cè)電壓三層控制體系，通過(guò)總直流側(cè)電壓控制、三相之間電壓均衡控制、每相內(nèi)部各模塊電壓均衡控制實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。采用基于注入零序電壓的三相之間電壓均衡控制方法，變流器達(dá)到相間平衡，并且不會(huì)向電網(wǎng)注入額外負(fù)序電流污染電網(wǎng)。在該方法中，通過(guò)對(duì)H橋級(jí)聯(lián)型SVG的輸出電壓和輸出電流產(chǎn)生的功率進(jìn)行前饋，以達(dá)到快速地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的正確性和可靠性。

1星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

H橋級(jí)聯(lián)型SVG主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，A、B、C三相星形聯(lián)結(jié)，每相由N個(gè)完全相同的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；ica、icb和icc分別為串聯(lián)多電平SVG三相輸出電流，Li(i=a，b，c)為SVG與電網(wǎng)連接時(shí)的進(jìn)線電感；udc_ik(i=a，b，c；k=1，2，…，N)為H橋單相電路模塊直流側(cè)電壓；Rdc_ik和Cdc_ik(i=a，b，c；k=1，2，…，N)為各H橋模塊等效損耗和直流側(cè)電容值。

圖1　星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG主電路結(jié)構(gòu)Fig.1　Main circuit of star connection cascaded H bridge SVG

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

圖2為該H橋級(jí)聯(lián)型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；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，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；在電流跟蹤控制模塊中采用dq狀態(tài)解耦PI控制方法。

2星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓控制

直流側(cè)電壓控制分為三層結(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3所示。檢測(cè)H橋級(jí)聯(lián)型SVG的 A、B、C三相所有H橋單相電路模塊直流側(cè)電壓值udc_ai、udc_bi、udc_ci(i=1，2，…，N)，并對(duì)其求平均；將求得的平均值的平方與給定值的平方相比較，輸出經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器調(diào)整，作為H橋級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)與交流側(cè)能量交換指令，也即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)功指令電流相加得最終的指令電流。當(dāng)uave值小于uref時(shí)，指令電流中將含有正的基波正序有功分量，H橋級(jí)聯(lián)型SVG將從電網(wǎng)吸收相應(yīng)的有功功率，使得uave上升到給定值。反之，當(dāng)uave值大于uref時(shí)，指令電流中將含有負(fù)的基波正序有功分量，H橋級(jí)聯(lián)型SVG主電路向電網(wǎng)釋放相應(yīng)的有功功率，使得H橋級(jí)聯(lián)型SVG 的H橋模塊直流側(cè)電壓平均值uave下降到給定值。

圖3　總電壓控制框圖Fig.3　The block diagram of the total voltage control system

(1)

式中，T為電網(wǎng)基波周期；Uave為三相所有H橋模塊直流側(cè)電壓平均值。由式(1)得

(2)

將式(2)兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

(3)

采用PI控制器，控制器采用式(3)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。該電壓環(huán)等效為一二階系統(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和ωn，設(shè)計(jì)出該電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)KP和KI。

圖4　總直流側(cè)電壓控制參數(shù)設(shè)計(jì)框圖Fig.4　The block diagram of the total voltage control parameter design

第一層直流側(cè)電壓控制使三相總直流側(cè)電壓穩(wěn)定在參考值附近，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。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

(4)

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

(5)

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A相的相位。各相吸收的功率分別為

psa=UpIpsin(2ωt)+UpIncosφ-UpIncos(2ωt+φ)+UnIncos(φ-φ)-UnIncos(2ωt+φ+φ)+UnIpsinφ+UnIpsin(2ωt+φ)

psb=UpIpsin(2ωt-240°)+UpIncos(φ-120°)-UpIncos(2ωt+φ)+UnIncos(φ-φ)-UnIncos(2ωt+φ+φ-120°)+UnIpsin(φ-120°)+UnIpsin(2ωt+φ)

psc=UpIpsin(2ωt+240°)+UpIncos(φ+120°)-UpIncos(2ωt+φ)+UnIncos(φ-φ)-UnIncos(2ωt+φ+φ+120°)+UnIpsin(φ+120°)+UnIpsin(2ωt+φ)

(6)

SVG變流器各相吸收的功率分別為

(7)

SVG變流器各相每個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)吸收的平均功率分別為

(8)

式(8)中3個(gè)公式相加得

(9)

每相吸收功率相對(duì)于三相吸收功率平均值的偏差量分別為

(10)

式(8)和式(9)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)償電流作用會(huì)引起SVG三相之間有功功率的轉(zhuǎn)移，但并不改變H橋級(jí)聯(lián)型SVG從電網(wǎng)吸收的有功功率，會(huì)引起相間直流側(cè)電壓的不均衡，對(duì)SVG所有H橋模塊的總直流側(cè)電壓不影響；電網(wǎng)正序電壓和正序無(wú)功補(bǔ)償電流作用不會(huì)改變H橋級(jí)聯(lián)型SVG從電網(wǎng)吸收的有功功率，也不會(huì)引起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)改變H橋級(jí)聯(lián)型SVG從電網(wǎng)吸收的有功功率，會(huì)引起所有H橋模塊的直流側(cè)總電壓發(fā)生變化，不會(huì)引起SVG三相之間有功功率的轉(zhuǎn)移。

由式(8)，當(dāng)三相變流器損耗不同時(shí)，可以在指令電流中加入負(fù)序分量改變?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。因此提出了一種三相之間直流母線電壓均衡控制方法，變流器附加零序電壓使三相直流母線電壓達(dá)到均衡。下面分析在變流器中注入零序電壓是否會(huì)對(duì)三相功率產(chǎn)生影響。假設(shè)零序電壓為

(11)

式中，θ為零序電壓的初始相位，參考值為電網(wǎng)電壓正序A相的相位；U0為零序電壓的有效值，零序電壓引起的三相功率變化為

U0Incos(φ-θ+120°)-U0Incos(2ωt+120°+φ+θ)

U0Incos(φ-θ-120°)-U0Incos(2ωt-120°+φ+θ)

(12)

式(12)中3個(gè)公式的和為零，說(shuō)明零序電壓不影響三相變流器的總功率，會(huì)引起三相之間功率的重新分配。因此，可以采用零序電壓對(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。對(duì)式(12)求周期平均得

(13)

式(13)中3個(gè)公式的和也為零，說(shuō)明3個(gè)公式線性相關(guān)。根據(jù)前兩個(gè)公式進(jìn)行求解，得

(14)

由此，根據(jù)均衡三相直流側(cè)電壓所需要的功率偏差量，由式(14)計(jì)算出零序電壓指令值。其中，Ip、In、sinφ、cosφ可通過(guò)無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行檢測(cè)，由檢出的無(wú)功和負(fù)序指令電流得到；sin(ωt)和cos(ωt)由鎖相環(huán)得出。三相相間均衡控制框圖如圖5 所示，根據(jù)式(10)計(jì)算出A、B、C相應(yīng)調(diào)節(jié)的功率。然后求出A、B、C相H橋模塊直流側(cè)電壓值的平均值，將求得的平均值的平方與給定值相比較，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(10)計(jì)算的每相應(yīng)調(diào)節(jié)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(14)計(jì)算出需要的零序電壓指令值。其中，Up可以通過(guò)將電網(wǎng)電壓經(jīng)dq變換，采用低通濾波器求出其直流分量得到；Un、sinφ、cosφ可以通過(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得到。該控制方法通過(guò)在指令電壓中疊加零序電壓，變流器達(dá)到自身相間直流母線電壓平衡，不會(huì)向電網(wǎng)注入額外負(fù)序電流，通過(guò)對(duì)H橋級(jí)聯(lián)型SVG的輸出電壓和輸出電流產(chǎn)生的功率進(jìn)行前饋，以達(dá)到快速地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

圖5　三相相間均衡控制框圖Fig.5　The block diagram of the three-phase balancing control system

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

(15)

所以H橋級(jí)聯(lián)型多電平變流器輸出零序電壓引起的A相吸收功率變化量與直流側(cè)電壓變化量關(guān)系為

(16)

將式(16)兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

(17)

采用PI控制器，控制器采用式(17)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6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6　相間直流側(cè)電壓PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)框圖Fig.6　The block diagram of PI control parameter design of DC side voltage balancing control between three phases

在SVG從電網(wǎng)吸收的總有功功率已經(jīng)得到控制和三相之間直流母線電壓已經(jīng)實(shí)現(xiàn)均衡控制的前提下，每相變流器輸出端口電壓與電網(wǎng)電壓之間的夾角是確定的。由于每相中的N個(gè)H橋模塊是串聯(lián)關(guān)系，且N個(gè)H橋模塊直流側(cè)電壓期望值相同，N個(gè)模塊的出力相同。若不加直流側(cè)電壓均衡控制，從電網(wǎng)吸收的總有功電流將在N個(gè)不同H橋模塊間平均分配。由于N個(gè)H橋模塊自身?yè)p耗會(huì)有或多或少的差異，為了補(bǔ)償自身?yè)p耗，需要從電網(wǎng)吸收的有功功率大小會(huì)不相同，平均分配有功功率的后果很可能就是損耗小的模塊由于吸收了過(guò)多的有功功率，直流側(cè)電壓值會(huì)高于期望值，損耗大的模塊由于實(shí)際分配的有功功率不足以補(bǔ)償自身?yè)p耗，直流側(cè)電壓值小于期望值。

保證N個(gè)H橋模塊直流側(cè)電壓相同，就是要保證每相變流器輸出電壓不變的同時(shí)微調(diào)每個(gè)模塊輸出電壓，使各模塊電網(wǎng)吸收的有功功率剛好補(bǔ)償自身?yè)p耗。每個(gè)模塊沿著變流器輸出電流的方向微調(diào)輸出電壓，可以最快速地調(diào)節(jié)從電網(wǎng)吸收的有功功率，這是最簡(jiǎn)單且能保證直流母線利用率最高的方法，其控制原理可用圖7來(lái)說(shuō)明(以兩個(gè)模塊串聯(lián)為例)。圖中Ica為A相輸出電流，Ua為A相總輸出電壓，Ua1和Ua2分別為A相兩串聯(lián)模塊各自的輸出電壓，將輸出電壓在輸出電流方向上投影，可得到各模塊輸出電壓的有功分量Ua1d和Ua2d，將輸出電壓投影到垂直于輸出電流的方向得到輸出電壓的無(wú)功分量Ua1q和Ua2q。當(dāng)兩串聯(lián)模塊的直流側(cè)損耗相同時(shí)，兩模塊的輸出電壓相同，此時(shí)Ua1=Ua2；當(dāng)兩串聯(lián)模塊的直流側(cè)損耗不同時(shí)(這里假設(shè)模塊2的損耗較大)，由圖7可知，模塊2沿輸出電流方向的有功電壓增加，而模塊1沿輸出電流方向的有功電壓減小，此時(shí)各模塊輸出的電壓也發(fā)生變化，但輸出電壓的無(wú)功分量Ua1q和Ua2q和兩個(gè)模塊輸出電壓之和卻保持不變，所以，各模塊直流側(cè)均壓控制不會(huì)影響電流的跟蹤控制。

圖7　每相各模塊直流側(cè)電壓均衡控制原理Fig.7　The schematic diagram of DC voltage balancing control of each module in each phase

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8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A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)，對(duì)輸出電流進(jìn)行歸一化，再乘以A相輸出電流標(biāo)幺值，便得到了A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H橋級(jí)聯(lián)型SVG的A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颖豢刂圃趨⒖贾蹈浇?，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B相、C相中H橋模塊最終指令電壓。

圖8　每相各模塊直流側(cè)電壓均衡控制方法控制框圖Fig.8　The block diagram of DC voltage balancing control of each module in each phase

由圖8，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

(18)

式中，ΔEa1為模塊交流側(cè)指令電壓PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)量。將式(18)兩邊進(jìn)行拉氏變換，得

(19)

采用PI控制器，控制器采用式(19)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，如圖9所示。具體PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)同上。

圖9　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.9　The block diagram of DC voltage balancing control parameter design of each module in each phase

在這三層直流側(cè)電壓控制方法中，第一層總直流側(cè)電壓控制環(huán)注入的有功電流只和直流側(cè)電壓值有關(guān)，不受功率因數(shù)和無(wú)功負(fù)序補(bǔ)償電流大小的影響。第二層相間均壓控制環(huán)只要模塊直流側(cè)電壓設(shè)計(jì)合理，就能注入零序電壓，不受功率因數(shù)的影響；而且當(dāng)無(wú)功負(fù)序補(bǔ)償電流不同時(shí)，注入的零序電壓也隨之改變，相間均壓控制能力不受無(wú)功負(fù)序補(bǔ)償電流大小的影響。第三層每相模塊間均壓控制環(huán)是將PI調(diào)節(jié)量乘以各相輸出電流的標(biāo)幺值作為調(diào)制波的微調(diào)量，從而沿輸出電流的方向調(diào)節(jié)模塊直流側(cè)電壓，不受功率因數(shù)和無(wú)功負(fù)序補(bǔ)償電流大小的影響。因此，該三層直流側(cè)電壓控制方法適用于全功率范圍，而且控制能力不受功率因數(shù)變化和無(wú)功負(fù)序補(bǔ)償電流大小的影響。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖10所示，為驗(yàn)證該控制算法的正確性和可靠性，搭建了以N=2每相2個(gè)H橋模塊串聯(lián)的SVG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主控制器由DSP和FPGA共同實(shí)現(xiàn)。DSP選擇的是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驅(qū)動(dòng)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)為：電網(wǎng)電壓幅值100 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)電壓值60 V。

圖10　樣機(jī)圖Fig.10　The picture of prototype

圖11為A相上下兩個(gè)模塊輸出的三電平電壓信號(hào)和通過(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H橋級(jí)聯(lián)型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H橋級(jí)聯(lián)型SVG輸出超前電網(wǎng)電壓90°的10 A無(wú)功電流，具有很好的無(wú)功補(bǔ)償能力。

圖13為A相上下兩模塊直流側(cè)電壓、A相總直流側(cè)電壓和三相總直流側(cè)電壓波形?？煽闯龈髂K直流側(cè)電壓都穩(wěn)定在參考值附近。

圖11　A相上下兩模塊輸出電壓信號(hào)和A相總輸出電壓波形Fig.11　The waveforms of output voltages of upper and lower modules in phase A and total output voltage of phase A

圖12　A相電網(wǎng)電壓和A相SVG補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流波形Fig.12　The waveforms of grid voltage and compensating reactive current of phase A in SVG

圖13　SVG A相上下兩模塊直流側(cè)電壓，A相總直流側(cè)電壓和A、B、C三相直流側(cè)總電壓波形Fig.13　The waveforms of DC side voltages of upper and lower modules in phase A，total DC side voltage of phase A，and total DC side voltage of phase A，B，C in SVG

圖14為當(dāng)指令電流從10A跳到-10A，SVG動(dòng)態(tài)補(bǔ)償B相無(wú)功電流、B相電網(wǎng)電壓以及B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，并且直流側(cè)電壓也很穩(wěn)定。圖15為當(dāng)負(fù)載發(fā)生不平衡突變時(shí)，三相SVG補(bǔ)償三相無(wú)功電流及A相電網(wǎng)電壓波形。圖16為負(fù)載發(fā)生不平衡突變時(shí)，三相直流側(cè)電壓和A相輸出補(bǔ)償無(wú)功負(fù)序電流波形。可看出在三相負(fù)載不平衡時(shí)，SVG能夠?qū)Σ黄胶庳?fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，并且控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

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

圖15　補(bǔ)償負(fù)載不平衡時(shí)，A相電網(wǎng)電壓和SVG輸出的三相無(wú)功電流波形Fig.15　The waveforms of grid voltage of phase A and three phase of reactive current of SVG when compensating the unbalanced loads

圖16　補(bǔ)償負(fù)載不平衡時(shí)，SVG輸出A相的無(wú)功電流及三相直流側(cè)電壓波形Fig.16　The waveforms of reactive current of phase A and DC side voltage of three phases in SVG when compensating the unbalanced loads

4結(jié)論

對(duì)星接H橋級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓控制進(jìn)行了深入研究，建立了一種三層控制體系：總直流側(cè)電壓控制、三相之間直流母線電壓均衡控制、每相內(nèi)部各模塊直流側(cè)電壓均衡控制。總直流側(cè)電壓控制根據(jù)三相H橋模塊總直流側(cè)電壓與指令值的差值，決定從電力系統(tǒng)獲取有功功率的多少，與電網(wǎng)交換的有功功率由三相電網(wǎng)平均承擔(dān)，與電網(wǎng)交換的有功電流只有基波正序成分，因此不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成任何電能質(zhì)量問(wèn)題。三相之間直流母線電壓的均衡控制作為第二層控制，可以保證三相直流母線電壓的均衡，而不會(huì)額外向電網(wǎng)注入負(fù)序電流。實(shí)現(xiàn)方法是附加零序電壓使三相功率達(dá)到均衡，通過(guò)對(duì)H橋級(jí)聯(lián)型SVG的輸出電壓和輸出電流產(chǎn)生的功率進(jìn)行前饋，以達(dá)到快速地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。每相內(nèi)部各模塊直流側(cè)電壓的均衡控制作為第三層控制，通過(guò)控制將從電網(wǎng)吸收的總有功功率根據(jù)不同H橋模塊各自所需重新分配進(jìn)而保證A、B、C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。最后，對(duì)這種控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括穩(wěn)態(tài)過(guò)程和暫態(tài)過(guò)程，進(jìn)一步證明了提出的控制方法的合理、可靠性。

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Research on DC Voltage Balancing Control Method of Star Connection Cascaded H Bridge Static Var Generator

He Yingjie1，2Fu Yabin1Duan Wenyan1

(1.Electrical Engineering CollegeXi’an Jiaotong UniversityXi’an710049China 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment &System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400044China)

AbstractThe in-depth study of the DC voltage balancing of the star connection cascaded H bridge multilevel static var generator(SVG)has been made in this paper.And the control system with three layers of the DC voltage balance has been established.The first layer is the total DC side voltage control,which is maintained to be constant through generating the fundamental positive sequence active current.The second layer is the balancing control between three phases.Through the injection of the zero sequence voltage into the command voltage,we can make the redistribution of the three-phase power,so as to realize the DC voltage balance between three phases.In this method,through feeding forward the power generated by the grid voltage and the output current,the rapid dynamic regulation can be achieved.The third layer is the balancing control among modules in each phase.Through fine tuning the command voltage of each module in each phase along the direction of the current,we can make the redistribution of the power absorbed by each module,so as to ensure that the DC side voltage of each module in each phase is equal to the given value.Experimental results verify the correctness and reliability of the proposed control method in the end.

Keywords：Star connection，cascaded H bridge SVG，DC side voltage control

收稿日期2015-03-19改稿日期2015-06-08

作者簡(jiǎn)介E-mail：yjhe@mail.xjtu.edu.cn(通信作者) E-mail：2270957008@qq.com

中圖分類號(hào)：TM464

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。

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。

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。