結(jié)合空間矢量法的D-STATCOM滯環(huán)電流控制方法

常鮮戎，殷繞方

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結(jié)合空間矢量法的D-STATCOM滯環(huán)電流控制方法

常鮮戎，殷繞方

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

D-STATCOM的控制方法直接影響其補償精度、開關(guān)頻率和功率損耗。為保證D-STATCOM具有較高的補償精度并降低開關(guān)頻率，提出了結(jié)合空間矢量法的滯環(huán)電流控制新方法。通過滯環(huán)電流控制法與空間矢量法結(jié)合，將D-STATCOM跟蹤誤差進行分區(qū)域處理，針對不同大小的跟蹤誤差采用不同的控制方法降低開關(guān)頻率。同時，考慮到采用不同控制方法時D-STATCOM具有不同的補償延時，對電流誤差限值的確定方法進行了分析。仿真和試驗樣機表明，該方法能有效降低D-STATCOM開關(guān)頻率且具有較高的補償精度，證明了方法的正確性和可行性。

配電網(wǎng)靜止無功發(fā)生器；三相四橋臂；滯環(huán)電流控制；空間矢量滯環(huán)控制；開關(guān)頻率

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和自動化設(shè)備的大量投入，電能質(zhì)量越來越受到廣大電力用戶的重視。不同用戶對電能質(zhì)量的要求不同，定制電力技術(shù)向用戶提供用戶所要求的電能質(zhì)量。D-STATCOM(配電網(wǎng)靜止無功發(fā)生器)具有優(yōu)異的補償系統(tǒng)無功功率、濾除諧波和補償系統(tǒng)不對稱電流的能力，能動態(tài)跟蹤補償指令電流，是定制電力技術(shù)的重要研究內(nèi)容。同時D-STATCOM也是建設(shè)智能電網(wǎng)、提高電力供應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟性、保證電能質(zhì)量的重要設(shè)備。

由于D-STATCOM所使用的控制方法直接影響其補償性能，因此，良好的控制策略是提高D-STATCOM的前提和關(guān)鍵。目前常用的控制方法有三角波比較法、空間矢量法和滯環(huán)電流控制法三種[1-6]；另外無差拍控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等新型控制方法[7-11]也有學(xué)者提出，目前較少使用這類控制方法。三角波比較法具有輸出開關(guān)頻率固定、跟蹤精度較低的特點；空間矢量法的開關(guān)頻率較低、但計算量大控制較為復(fù)雜；滯環(huán)電流控制實現(xiàn)簡單、控制精度高但開關(guān)頻率不固定。

由于滯環(huán)電流控制具有對非線性系統(tǒng)優(yōu)越的控制性能及較好的魯棒性等優(yōu)點，在D-STATCOM等電力電子設(shè)備的電流跟蹤控制中得到了廣泛的應(yīng)用。針對滯環(huán)電流控制開關(guān)頻率不固定的缺陷，主要的解決方法有以下幾種：(1)?采用變環(huán)寬的方法，通過對D-STATCOM系統(tǒng)進行電路等效，并以此獲得滯環(huán)環(huán)寬與開關(guān)頻率的關(guān)系，并根據(jù)這種關(guān)系來改變環(huán)寬，從而限制開關(guān)頻率[12-14]；(2)?采用恒頻或者準恒頻的滯環(huán)電流控制，通過定時滯環(huán)比較的方法來使開關(guān)頻率固定[15-16]；(3)將滯環(huán)電流控制與空間矢量法結(jié)合，利用空間矢量法的優(yōu)點來降低開關(guān)頻率[17]。本文詳細分析了傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制方法，在此基礎(chǔ)上提出三維電壓空間矢量滯環(huán)電流控制方法，為進一步減小開關(guān)頻率，提出針對不同大小的D-STATCOM電流跟蹤誤差采用不同的控制策略。通過仿真和試驗驗證該方法的有效性。

1 ?傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制方法

D-STATCOM補償非線性負載的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。D-STATCOM采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)。圖中，si(a,?b,?c)為系統(tǒng)電源電壓，ci(a,?b,?c,?n)為D-STATCOM輸出濾波電抗器端電壓，si(a,?b,?c,?n)為系統(tǒng)電流，ci(a,?b,?c,?n)為補償電流。D-STATCOM通過霍爾元件對系統(tǒng)電壓電流以及補償電流進行測量并提供給DSP進行指令電流的計算。DSP將計算出來的指令電流通過電流的跟蹤控制形成IGBT的驅(qū)動信號。滯環(huán)電流跟蹤控制將計算出的指令電流c與實際輸出電流c相比較，差值Δc作為輸入信號，通過滯環(huán)比較電路形成脈沖驅(qū)動信號。滯環(huán)電流控制的開關(guān)頻率與環(huán)寬的關(guān)系由式(1)給出。

可以看出，滯環(huán)寬度大，開關(guān)頻率低，但滯環(huán)寬度過大必然會導(dǎo)致跟蹤誤差過大，達不到所需要的補償效果。通常，滯環(huán)寬度取負載峰值電流的1%~ 10%。對于采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)的D-STATCOM來說，每個橋臂都需要設(shè)置滯環(huán)電流比較器，由于各相滯環(huán)比較器之間獨立工作，開關(guān)頻率較大。

2 新型控制方法

2.1 基于三維電壓空間矢量滯環(huán)電流控制方法

為保留滯環(huán)電流控制精度高的優(yōu)點，弱化開關(guān)頻率高的缺陷，將空間矢量法與滯環(huán)電流控制結(jié)合，分析基于三維電壓空間矢量滯環(huán)電流控制方法。

為了方便分析，將并聯(lián)D-STATCOM的等效電路簡化為圖2。用理想開關(guān)(a、b、c、n)等效IGBT并忽略電抗器的電阻則有：

圖2 D-STATCOM的等效電路

以系統(tǒng)中性點O為參考點，有：

(3)

其中式(3)中電壓can、cbn、ccn可以由開關(guān)函數(shù)表示為

(4)

將can、cbn、ccn經(jīng)變換可得到復(fù)平面上的U、U、U：

由于四橋臂主電路共有24=16種開關(guān)狀態(tài)，將16種不同的開關(guān)模式帶入式(5)，可以得到不同開關(guān)模式下復(fù)平面的D-STATCOM輸出端電壓U、U、U，U(=0~15)為與開關(guān)狀態(tài)abcn(0000~1111)對應(yīng)的電壓空間矢量，并滿足：

(6)

(=0~15)的16種開關(guān)模式所對應(yīng)的電壓空間矢量0~15形成復(fù)平面1個空間正六棱柱，其中0、15位于整個區(qū)域的中心，1~14位于空間正六棱柱的6個正三棱柱區(qū)域。每個正三棱柱區(qū)域包含8個電壓空間矢量，并且都含電壓矢量0、1、14和15，如圖3所示。

圖3 αβγ復(fù)平面三維電壓空間矢量圖

由于D-STATCOM輸出補償電流滿足：

將式(3)經(jīng)過矩陣33變換，并結(jié)合式(7)，可得：

(8)

并將式(8)寫成矢量方程：

(10)

用式(10)減去式(9)可得：

式(11)可以看出電流誤差矢量?變化率的大小由指令電壓矢量和D-STATCOM實際輸出端電壓矢量的差值所決定。在運算出指令電流以后，通過式(10)可以算出同一時刻的指令電壓矢量。再結(jié)合同一時刻的補償誤差電流，確定出合適的D-STATCOM輸出電壓矢量，使輸出補償電流的跟蹤誤差盡可能小。對于指令電壓矢量所在正三棱柱區(qū)域的判斷，只需考慮每個電壓矢量的、分量，見表1。

表1區(qū)域判定表

Table 1 regional decision table

Table 1 regional decision table

的判定條件所在三棱柱區(qū)域 Uβ>0Uβ>∣Uα∣Ⅱ Uβ≤∣Uα∣Uα>0Ⅰ Uα≤0Ⅲ Uβ≤0Uβ0Ⅵ Uα≤0Ⅳ

設(shè)定滯環(huán)比較器上限閾值和下限閾值分別為1和?1(1>0)，且滿足：

(13)

結(jié)合此刻(a、b、c、n)的狀態(tài)值以及所在三棱柱區(qū)域，可以選擇合適的電壓空間矢量，進而確定在該時刻主電路的開關(guān)模式(a、b、c、n)。假如此刻U在三棱柱I區(qū)域，(a、b、c、n)的狀態(tài)值為(1、0、0、0)，那么此刻應(yīng)該選擇電壓空間矢量8；如果此刻(a、b、c、n)的狀態(tài)值在I區(qū)域沒有與之對應(yīng)的電壓矢量，則選擇輸出零電壓矢量0或15。整個基于三維電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制的流程如圖4所示。

圖4基于三維電壓空間矢量滯環(huán)電流控制的流程圖

表2k的選擇表

Table 2 Uk selection table

2.2 電流分區(qū)域控制方法

由上分析可知，由于滯環(huán)電流控制方法采用的各相滯環(huán)控制器相互獨立，沒有考慮相間影響，導(dǎo)致開關(guān)頻率較高；基于三維電壓空間矢量滯環(huán)電流控制通過系統(tǒng)分配零序電壓矢量，能有效地降低開關(guān)頻率。因此，滯環(huán)電流跟蹤控制方法具有控制精度高，響應(yīng)速度快，程序開銷小但開關(guān)頻率較高，損耗大的特點；而基于三維電壓空間矢量滯環(huán)電流控制計算較多，程序開銷大但具有較低的開關(guān)頻率。為進一步降低開關(guān)頻率并結(jié)合兩種控制方法的優(yōu)點，可以針對不同大小的電流跟蹤誤差采用不同的控制策略的方法。

具體做法如下：設(shè)容許的跟蹤誤差為||，將計算出的指令電流與輸出電流差Δc--分為三個區(qū)域：(1) Δc--處于滯環(huán)之外(即|Δc--->)；(2)Δc處于滯環(huán)內(nèi)但大于容許的跟蹤誤差(即||<|Δc|<)；(3)Δc--處于滯環(huán)內(nèi)且小于容許的跟蹤誤差(即||>|Δc|)。算出指令電流與輸出電流差Δc之后，先判斷Δc所在的區(qū)域，根據(jù)Δc所在的區(qū)域不同選擇不同的控制方法：當(dāng)Δc處于區(qū)域(1)時，跟蹤誤差較大，采用滯環(huán)電流控制方法迅速減小輸出電流誤差；當(dāng)Δc--處于區(qū)域(2)時，跟蹤誤差相對較小，采用三維電壓空間矢量滯環(huán)電流控制方法，在減小輸出電流誤差的同時減小開關(guān)頻率；當(dāng)Δc--處于區(qū)域(3)時，由于跟蹤誤差很小，為了降低開關(guān)頻率，應(yīng)保持開關(guān)狀態(tài)不變。控制流程圖如圖5所示。

圖5電流分區(qū)控制流程圖

2.3 考慮補償延時電流誤差限值的確定

由于電流傳感器、AD采樣、指令電流計算、驅(qū)動控制以及開關(guān)信號的開關(guān)動作延遲的影響，電流控制策略可能產(chǎn)生錯誤的驅(qū)動脈沖信號致使輸出電流不能實時跟蹤指令電流。因此，在確定電流誤差限值時需要考慮補償延時的影響。為方便分析，這里將用滯環(huán)電流控制時的補償延時記為dhcc，用空間矢量滯環(huán)電流控制時產(chǎn)生的補償延時記為dsvpwm。在ccs編程軟件中，可以通過斷點設(shè)置和Clock工具獲得dhcc和dsvpwm。

圖6表示電流誤差隨時間的變化關(guān)系。為方便分析，選取電流誤差Δc<0的部分進行分析。由圖可以看出，最優(yōu)的電流跟蹤誤差應(yīng)處于-~0之間(即(1)區(qū))，此時電流跟蹤誤差很小，只需保持開關(guān)狀態(tài)不變；但是由于沒有對開關(guān)狀態(tài)進行更新，隨時間推移，電流跟蹤誤差必然會進入-~ -的區(qū)域((2)區(qū))，實際上(1)區(qū)域是一個不穩(wěn)定的區(qū)域。

圖6電流誤差與時間關(guān)系

當(dāng)電流誤差處于(2)區(qū)域時，采用基于空間矢量的滯環(huán)電流比較法減小電流跟蹤誤差。但是，當(dāng)Δc接近-時，由于dsvpwm-相對比較大，這時會由于補償延時導(dǎo)致跟蹤誤差電流越過進入(3)區(qū)，導(dǎo)致電流誤差過大。為了防止這種情況，可以在-和之間確定-h，在Δc-<-h時使用滯環(huán)電流比較法，并且使得當(dāng)Δc-<-h時,使用基于空間矢量的滯環(huán)電流比較法時誤差電流進入(3)區(qū)，而當(dāng)Δc-≥-h時使用基于空間矢量的滯環(huán)電流比較法誤差電流在(1)區(qū)或(2)區(qū)。由上分析有：

(15)

3 ?仿真分析

將滯環(huán)電流控制方法與本文所提的新型電流控制方法在Matlab上進行仿真分析。仿真系統(tǒng)拓撲如圖1所示。仿真參數(shù)為：系統(tǒng)電壓有效值為380?V，D-STATCOM直流側(cè)電容為15?mF，電容電壓800 V，濾波電感為2.5 mH。負載側(cè)為三相整流橋帶250 Ω電阻的純阻性負載。滯環(huán)寬度取系統(tǒng)電流峰值的1%，允許電流誤差為系統(tǒng)電流峰值的0.4%。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7仿真結(jié)果

從圖中可以看出：D-STATCOM補償前，系統(tǒng)電流發(fā)生了嚴重的畸變，由FFT分析可以看出其畸變率為29.22%，采用滯環(huán)電流跟蹤控制之后系統(tǒng)電流畸變率變?yōu)?.38%，此時開關(guān)頻率約為10 kHz，極大地改善了電能質(zhì)量；采用基于空間矢量滯環(huán)電流跟蹤控制之后系統(tǒng)電流畸變率變?yōu)?.47%，此時開關(guān)頻率約為5.6 kHz；采用電流分區(qū)控制后其畸變率為3.84%，開關(guān)頻率約為6 kHz?？梢钥闯?，采用電流分區(qū)控制在減小系統(tǒng)電流諧波畸變率的性能上面與滯環(huán)電流跟蹤控制的方法差別較小，與基于空間矢量滯環(huán)電流跟蹤控制的開關(guān)頻率相差不大，能有效地降低D-STATCOM的功率損耗。

根據(jù)上面的理論研究與仿真分析，研制了一臺實驗樣機進行實驗，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 實驗結(jié)果

可以看出，補償前系統(tǒng)電流發(fā)生了嚴重的畸變，補償后系統(tǒng)電流波形基本為正弦波，所研制的D-STATCOM能有效地改善系統(tǒng)電流波形，從而證明了所用方法的有效性。

4 ?結(jié)論

結(jié)合滯環(huán)電流跟蹤控制與空間矢量控制的優(yōu)點，將計算出的跟蹤誤差電流分成在滯環(huán)外、滯環(huán)內(nèi)較大和滯環(huán)內(nèi)較小三種不同情況來采用不同的控制方法。該方法能有實現(xiàn)快速跟蹤指令電流，改善電能質(zhì)量，同時減小D-STATCOM的開關(guān)損耗，具有較好的實用性。

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(編輯 葛艷娜)

A hysteresis current control method combined with SVPWM for D-STATCOM

CHANG Xianrong, YIN Raofang

(School of Electric and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The control strategy of D-STATCOM directly influence its compensation accuracy, switch frequency and power loss. A novel control strategy is proposed to reduce the switch frequency on the assurance of its compensation accuracy. Combining hysteresis current control method with SVPWM, the control strategy proposes that different current size uses different control method to realize fast track and low switch frequency; at the same time, the determination of current error threshold method is analyzed considering different control strategy has different compensation delay for D-STATCOM. Simulation and experiment show this method can reduce switch frequency efficiently and high compensation accuracy, so the correctness and feasibility of the proposed method is proved.

D-STATCOM; three-phase-four leg; hysteresis current control; space-vector-based hysteresis control; switch frequency

10.7667/PSPC151127

2015-07-02；

2015-08-17

常鮮戎(1956-)，男，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制；

殷繞方(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制。Email:?863517618@qq.com