中壓級聯(lián)SVG直流側(cè)電壓均衡控制策略

彭詠龍， 黃江浩， 李亞斌， 杜 鵬， 賀 寧

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

0 引言

靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)作為電力電子行業(yè)中一種能夠高效實(shí)時地補(bǔ)償無功的新型逆變裝置[1-2]，已被廣泛應(yīng)用于低壓或高壓領(lǐng)域，但在中壓大容量場合的應(yīng)用受到一定限制。 H橋級聯(lián)型SVG直流側(cè)各電容之間相互獨(dú)立、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單且輸出電壓諧波含量少，無需多重變壓器的接入便可直接應(yīng)用于中高壓電網(wǎng)[3-5]，而級聯(lián)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在高壓驅(qū)動和無功補(bǔ)償領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，故目前更適合于中壓配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償。但各H橋逆變單元之間會因開關(guān)損耗、脈沖延時及電路器件參數(shù)的差異性導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的波動并偏離設(shè)定值[6-9]，會直接影響到裝置的補(bǔ)償效果及輸出波形的質(zhì)量[10]。因此如何有效解決直流側(cè)電壓不平衡問題便成為了中壓SVG在實(shí)時補(bǔ)償無功電流過程中要解決的一個關(guān)鍵性難題。

目前人們針對解決電壓不平衡的問題所提出的方法已屢見不鮮。文獻(xiàn)[11～12]是從硬件上入手，通過附加一定的均壓電路來實(shí)現(xiàn)交—直流側(cè)的功率交換進(jìn)而平衡直流電壓，但改裝后的設(shè)備體積大、運(yùn)行成本高、功率損耗大，不利于生產(chǎn)。文獻(xiàn)[13]實(shí)現(xiàn)了中壓領(lǐng)域級聯(lián)STATCOM直流側(cè)電壓的三級平衡控制，但該系統(tǒng)控制較為復(fù)雜，實(shí)用性差。文獻(xiàn)[14]采用一種基于模糊控制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制的電壓平衡方法，雖獲得了較好的穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)響應(yīng)速度依舊很慢。文獻(xiàn)[15]提出了在主調(diào)制波信號基礎(chǔ)上疊加一個能夠?qū)崿F(xiàn)交直流側(cè)能量互換的微調(diào)量方法來進(jìn)行均壓控制，但并未給出具體的實(shí)施方案。

本文通過分析級聯(lián)SVG的主電路結(jié)構(gòu)，并結(jié)合公式推導(dǎo)證明了直流側(cè)電壓的波動過程，同時引入了一種自適應(yīng) PI控制取代原來的PI控制。接下來深入研究了中壓級聯(lián)SVG直流側(cè)電壓平衡分層控制策略，上層穩(wěn)壓結(jié)合改進(jìn)的瞬時無功檢測算法并引入自適應(yīng) PI控制產(chǎn)生有功、無功指令電流，再通過前饋解耦控制及dq反變換生成的主調(diào)制波分量來改變SVG與外部的能量交換來完成對電容的充放電，進(jìn)而維持各相總電壓的穩(wěn)定及相與相之間的均衡。下層控制基于單位化輸出電流的思想重構(gòu)調(diào)制波微調(diào)量，用于疊加到上層控制生成的輸出量中，從而控制各相內(nèi)各單元電容電壓均衡。最后基于 MATLAB/SIMULINK平臺對此進(jìn)行了仿真研究，并使用TI公司生產(chǎn)的DSPTMS320 F28336高性能核心控制器設(shè)計(jì)了3 kV中壓三級聯(lián) SVG試驗(yàn)裝置，證明了該控制策略的有效性。

1 直流側(cè)電壓波動過程

在H橋級聯(lián)的SVG主電路結(jié)構(gòu)中，由于不存在直流母線，會出現(xiàn)多種連接方式，其中星型連接所需級聯(lián)模塊最少，簡單且易于實(shí)現(xiàn)，同時能夠?qū)Ψ橇阈螂娏鬟M(jìn)行有效補(bǔ)償，故相與相之間采用星型連接方式。首先每相是由多個相同的H橋單元級接而成，且各單元電容之間互不影響，再經(jīng)過串聯(lián)輸出電感L、單相損耗的等效電阻R并入電網(wǎng)。其中usi、isi(i=a,b,c)分別為電網(wǎng)的三相輸出電壓、電流，iLi、ici(i=a,b,c)分別為三相負(fù)載電流和SVG的補(bǔ)償電流。Udcai、Ucai(i=1,2,3)分別為A相各單元電容電壓及經(jīng)H橋逆變后的輸出電壓，其他兩相以此類推。

H橋級聯(lián)的SVG主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 H橋級聯(lián)SVG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，直流側(cè)的波動過程可通過如下的公式推導(dǎo)得以證明：

(1)

設(shè)各H橋單元直流側(cè)電壓均為Udc, 由功率平衡可得：

(2)

設(shè)SVG的調(diào)制比為m,無功控制角為δ，則有：

(3)

聯(lián)立(1)(3)式，并經(jīng)過dq變換后可得：

(4)

由于無功控制角δ趨于0，故式(4)中的第三行可以簡化為

(5)

將式(5)兩邊同時乘以Udc進(jìn)一步變形為

(6)

當(dāng)SVG主電路參數(shù)L、C和調(diào)制比m已知時，公式(5)表明直流側(cè)電壓的不平衡可以用d軸的有功分量來表征，同時調(diào)制比的改變也會引起直流側(cè)電壓的波動，因此需要一定平衡控制方法對電網(wǎng)輸出的有功指令電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使直流側(cè)電壓穩(wěn)定在某個波動范圍。

2 控制原理

2.1 自適應(yīng)PI控制原理

在整個電壓平衡控制系統(tǒng)中，需要用到大量的PI控制器，為了克服由于傳統(tǒng)PI參數(shù)固定造成的SVG裝置響應(yīng)速度慢、實(shí)時性差、跟蹤性能不好的缺陷，提出了一種基于自適應(yīng)PI控制用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制的方法，該方法能夠在負(fù)載躍變的條件下，運(yùn)用PI調(diào)節(jié)參數(shù)自適應(yīng)地對誤差進(jìn)行在線辨識并加以控制,直至控制器達(dá)到最佳狀態(tài)為止。以下(7)～(11)式構(gòu)成了整個自適應(yīng)PI控制算法。

(7)

L=K1KL

(8)

(9)

(10)

KI=K3Kp-K4LR

(11)

式中：KL為電感計(jì)算系數(shù)；K1、K2、K3、K4為修正系數(shù)；L、R分別為等效電感、電阻計(jì)算值；X為控制器輸入值；Y為控制器輸出值；Y*為控制器的期望輸出值；KP、KI分別為自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)，二者將作為整個算法的核心控制部分。KP能夠加快響應(yīng)速度和增強(qiáng)穩(wěn)定性，KI可以在短時間內(nèi)消除穩(wěn)態(tài)誤差，結(jié)合二者的優(yōu)勢，靈活地運(yùn)用電壓自適應(yīng)參數(shù)KP和KI進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，用電流自適應(yīng)參數(shù)KP、KI進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)過程中需要根據(jù)采樣電壓、電流的變化率，利用修正系數(shù)對相關(guān)參數(shù)不斷地更新，從而完成整個自適應(yīng)PI控制過程。

2.2 直流側(cè)電壓平衡控制原理

由圖2可以看出整個控制原理可以敘述為：基于瞬時無功理論和上層穩(wěn)壓控制的檢測環(huán)節(jié)產(chǎn)生了有功指令電流id*、無功指令電流iq*。同時，SVG裝置輸出的補(bǔ)償電流經(jīng)dq變換后將生成實(shí)際的有功電流分量id、無功電流分量iq，指令值與實(shí)際值在進(jìn)行前饋解耦控制后再經(jīng)dq變換即可生成SVG的三相輸出電壓主調(diào)制波，在此基礎(chǔ)上分別疊加一個由下層均壓控制產(chǎn)生的調(diào)制波微調(diào)量Δucmi(m=a,b,c;i=1,2,3)，最后生成逆變器開關(guān)的驅(qū)動信號，從而控制各直流側(cè)電壓的均衡。

圖2 整個系統(tǒng)控制框圖

3 分層控制策略

級聯(lián)型SVG已被逐漸應(yīng)用在中壓場合來進(jìn)行無功補(bǔ)償，但直流側(cè)電壓的波動會造成器件功率損耗的增加和輸出波形質(zhì)量的下降，使得SVG裝置的補(bǔ)償效果變差?？梢?，控制直流側(cè)電壓的平衡是保證中壓SVG能夠正常工作的前提條件，由此本文提出了一種新穎的分層控制方法。

3.1 上層穩(wěn)壓控制

上層控制主要通過調(diào)節(jié)有功分量的大小來維持直流側(cè)各相總電壓的穩(wěn)定，進(jìn)而確保SVG能夠快速跟蹤指令電流的變化。

3.2 下層均壓控制

圖3 上層穩(wěn)壓控制框圖

(12)

(13)

基于以上理論分析便得出如圖4所示的A相相內(nèi)均壓過程。

圖4 A相直流側(cè)各單元均壓控制

由圖4可知下層控制主要是控制每相各單元直流電壓的均衡。它是保證SVG每相輸出電壓不變的同時，在全局穩(wěn)壓控制的基礎(chǔ)上每相各單元疊加一個基于單位化電流構(gòu)造的調(diào)制波微調(diào)量Δudci，通過從電網(wǎng)吸收不同的有功功率來補(bǔ)償各單元自身的功率損耗，從而動態(tài)地改善各模塊吸收的能量，以達(dá)到相內(nèi)直流電壓均衡的目的。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

為了證實(shí)本文所提出改進(jìn)方法的準(zhǔn)確性，基于MATLAB/SIMULINK的平臺，并以阻感型三相不控整流橋作為非線性負(fù)載，對3 kV星接H橋中壓三級聯(lián)SVG進(jìn)行了仿真研究。其主要仿真參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)線電壓為3 kV, 級聯(lián)SVG容量為300 kVA, 各單元直流電壓為900 V, 直流電容為 2 mF, 主電感為 3 mF, 開關(guān)頻率為10 Hz。

僅加入上層穩(wěn)壓控制時，可得到如圖5所示的A相直流側(cè)總電壓波形，設(shè)參考電壓值為2 700 V，初始電壓為2 300 V，從圖中可以得知起初經(jīng)過短暫的波動后，基本上收斂于2 700 V左右，同時反應(yīng)了自適應(yīng)PI控制響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)性能好的特點(diǎn)，很好地實(shí)現(xiàn)了上層穩(wěn)壓控制。

圖6為僅采用了上層控制后直流側(cè)各單元電壓的波動情況，各單元參考電壓值為 900 V，初始電壓設(shè)為860 V，從圖中可以看出由于各單元之間存在的自身損耗差異，造成了電壓較大的波動并呈發(fā)散趨勢，嚴(yán)重時會因開關(guān)應(yīng)力過大而導(dǎo)致器件損壞。在引入下層均壓控制后，從圖7中可以看出各單元間電壓在短時間內(nèi)能夠較快地收斂于900 V左右并趨于穩(wěn)定，上下波動不超過25 V，誤差率為2.7%，較好地實(shí)現(xiàn)了各單元均壓。

圖5 A相直流側(cè)上層穩(wěn)壓控制

圖6 A相各單元電壓不均衡控制情況

圖7 采用均壓控制后各單元電壓

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步使所提出直流側(cè)電壓平衡控制策略得到有效和精確地驗(yàn)證，本文采用基于TI公司的TMS320F28336型DSP芯片作為主開發(fā)板，搭建了3 kV中壓級聯(lián)SVG實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示，其參數(shù)設(shè)置與仿真參數(shù)基本上保持一致。

當(dāng)加入分層控制策略后，為了進(jìn)一步體現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)性能，圖9顯示了0.48 s之前每個模塊電壓都趨于一穩(wěn)定值，在0.48 s時刻負(fù)載突然發(fā)生了變化，并經(jīng)過0.1 s的波動后均能夠迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，且偏差較小，電壓均衡效果顯著。

圖8 SVG實(shí)驗(yàn)平臺圖

為了進(jìn)一步體現(xiàn)SVG最終的補(bǔ)償效果，圖10中展示了電網(wǎng)電流的動態(tài)補(bǔ)償情況，從圖中可以看出網(wǎng)側(cè)電流波形幾乎接近正弦，補(bǔ)償后的諧波畸變率為2.78%，即使在負(fù)載迅速變化時也具有良好的動態(tài)補(bǔ)償效果，充分證明了改進(jìn)的分層控制方法在中壓領(lǐng)域應(yīng)用的可靠性。

圖9 突變前后直流側(cè)各單元電壓實(shí)驗(yàn)波形

圖10 引入控制方法后的三相補(bǔ)償電流

5 結(jié)論

針對中壓級聯(lián)H橋SVG系統(tǒng)，本文從整體穩(wěn)壓和各模塊均壓兩個層面來解決直流側(cè)電壓不均衡問題。上層控制主要由全局穩(wěn)壓控制、相間均壓及無功電流檢測3部分構(gòu)成，它通過引入以電壓平方差為輸入量的自適應(yīng)PI外環(huán)控制提高電流跟蹤能力，通過生成的有功指令電流與改進(jìn)的瞬時無功檢測算法相結(jié)合建立直流側(cè)電壓主調(diào)制波分量，用來維持各相總電壓的穩(wěn)定；下層均壓控制則通過重構(gòu)一種基于單位化電流的調(diào)制波微調(diào)量，用來疊加在上層控制產(chǎn)生的主調(diào)制波上實(shí)現(xiàn)相內(nèi)電壓均衡。本文所提方法不僅實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)電壓平衡，且在負(fù)載突變情況下也達(dá)到了良好的均壓效果，同時提高了電流的跟蹤補(bǔ)償精度。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該分層控制算法的準(zhǔn)確性，并在中壓領(lǐng)域存在一定的實(shí)用性。

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