杜少通，楊 擎，汪山林，周 娟

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五電平H橋級聯(lián)型STATCOM脈沖輪換控制策略研究

杜少通，楊 擎，汪山林，周 娟

(中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為改善采用載波同相層疊調(diào)制策略時五電平H橋級聯(lián)型靜止同步補償器(Static synchronous compensator，STATCOM)輸出電流的波形質(zhì)量，提出一種直流側(cè)電壓平衡控制策略?；赟TATCOM的控制原理闡述載波層疊調(diào)制策略下脈沖周期輪換的方法，分析脈沖輪換時序?qū)Ω鲉卧绷鱾?cè)電壓的影響，推導(dǎo)占空比變化量與各單元吸收功率的關(guān)系。以此為基礎(chǔ)改進了脈沖輪換控制策略，該策略在脈沖周期輪換的基礎(chǔ)上通過調(diào)整脈沖輪換時序的占空比來維持各單元直流側(cè)電壓平衡。通過對改進前后脈沖輪換控制策略仿真分析，結(jié)果表明改進的脈沖輪換控制策略能夠有效地平衡直流側(cè)電容電壓。

H橋級聯(lián)；靜止同步補償器；直流側(cè)電壓平衡；載波層疊；五電平

0 引言

1976年美國學(xué)者L. Gyugyi提出用電力半導(dǎo)體器件進行無功補償以來，靜止同步補償器(Static synchronous compensator，STATCOM)在最近的30年得到快速發(fā)展，從帶耦合變壓器的多重化逆變器到無耦合變壓器的多電平逆變器，H橋級聯(lián)型逆變器以其無可比擬的優(yōu)點成為當(dāng)前無功補償領(lǐng)域的研究熱點。工業(yè)生產(chǎn)中配電網(wǎng)電壓等級較多，如我國煤礦生產(chǎn)配電中存在1140 V和3300 V電壓等級，依據(jù)目前電力電子器件的發(fā)展水平，五電平STATCOM在工業(yè)配電網(wǎng)中具有一定的應(yīng)用范圍。

脈寬調(diào)制(Pulse width modulation，PWM)技術(shù)是H橋級聯(lián)型STATCOM的核心技術(shù)，它關(guān)系到STATCOM輸出電壓的諧波特性、直流側(cè)電容電壓的平衡及功率器件開關(guān)次數(shù)的均衡?；谳d波的正弦PWM（Sinusoidal PWM，SPWM）控制實現(xiàn)方法簡單，響應(yīng)速度快，在H橋級聯(lián)型變流器中有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)載波的空間位置不同，SPWM調(diào)制可分為載波相移(Carrier phase-shift SPWM，CPS-SPWM)與載波層疊(Carrier disposition SPWM，CD-SPWM)。CPS-SPWM能夠在較低的開關(guān)頻率下獲得較好的輸出電壓諧波特性，自然實現(xiàn)功率器件開關(guān)次數(shù)的均衡分配，但三角載波相位的差異會造成各單元吸收有功功率不等，影響直流側(cè)電壓的均衡；載波同相層疊調(diào)制(Phase disposition PWM，PD-PWM)具有優(yōu)秀的線電壓消諧特性，但該方法存在H橋單元間功率器件開關(guān)狀態(tài)不均衡的固有缺陷，同樣會導(dǎo)致直流側(cè)電壓不均衡。

針對此問題，文獻[10-11]通過外部電路來實現(xiàn)直流側(cè)電容電壓平衡，該方法可以簡化平衡控制算法，但大大增加了系統(tǒng)的成本，也增加了系統(tǒng)的負擔(dān)。文獻[12]提出通過交換冗余開關(guān)狀態(tài)的直流側(cè)電壓平衡控制策略，該方法能夠在不影響上層控制的前提下完成對直流側(cè)電容電壓的控制。文獻[9]提出通過脈沖循環(huán)實現(xiàn)H橋級聯(lián)型變流器各單元負載均衡，但如果考慮到STATCOM實際元件參數(shù)、逆變橋損耗等并聯(lián)損耗差異，文獻[9]所提出方法便不能有效的控制直流側(cè)電壓平衡。

本文以PD-PWM為基礎(chǔ)，介紹H橋級聯(lián)型STATCOM的控制原理，闡述脈沖周期輪換的實現(xiàn)方法和平衡直流側(cè)電壓的局限性；分析脈沖輪換時序改變對直流側(cè)電壓的影響，推導(dǎo)輪換時序占空比變化量所能控制功率流動的范圍并給出相對應(yīng)的控制方法；通過搭建仿真模型對該平衡策略進行仿真驗證。

1 H橋級聯(lián)型STATCOM控制系統(tǒng)

H橋級聯(lián)型STATCOM控制框圖如圖1所示。圖1中為單元直流側(cè)電容電壓給定值，為三相直流側(cè)電容電壓的平均值，為STATCOM電流的有功分量，為無功分量，、、為電流環(huán)控制輸出。H橋單元直流側(cè)電容電壓均衡控制的目的是在不影響電流內(nèi)環(huán)控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)裝置各單元有功功率的按需分配，以均衡各單元直流側(cè)電容電壓。

圖1 H橋級聯(lián)型STATCOM控制框圖

2 載波層疊調(diào)制與脈沖周期輪換

五電平載波同相層疊調(diào)制原理如圖2(a)所示。為了便于理論分析，假設(shè)為理想情況，各單元直流側(cè)電容電壓近似為給定值，圖2(a)中、分別為單元1和單元2輸出電壓。H橋級聯(lián)型變流器通過四列載波縱向疊加后與調(diào)制波比較來獲得各H橋單元的輸出電平狀態(tài)。由圖2(a)可知各單元功率器件開關(guān)狀態(tài)不均衡，這是載波層疊的固有缺陷。針對H橋級聯(lián)型多電平逆變器，可采用脈沖周期輪換的方法使得各單元在若干周期內(nèi)達到平衡?，F(xiàn)將圖2(a)中兩個單元的脈沖每間隔1/2調(diào)制波周期進行一次交換，各H橋單元理想電平狀態(tài)如圖2(b)所示。由圖2(b)可知每個調(diào)制波周期內(nèi)兩個單元的開關(guān)狀態(tài)可達到均衡。

圖2 載波同相層疊調(diào)制原理圖及脈沖周期輪換波形

該調(diào)制策略應(yīng)用于H橋級聯(lián)型STATCOM時，輸出脈沖的周期輪換只能實現(xiàn)有功功率的平均分配，當(dāng)各單元由參數(shù)差異及并聯(lián)損耗、混合損耗造成有功功率需求不均時，該方法則難以實現(xiàn)對各單元有功功率的按需分配，進而影響裝置的性能及運行。

3 改進的脈沖輪換控制策略

3.1脈沖輪換時序?qū)卧绷鱾?cè)電容電壓的影響分析

以靜止同步補償器向電網(wǎng)輸出超前無功電流為例，調(diào)制波電壓和STATCOM輸出電流如圖3所示，圖3中為調(diào)制波電壓，為STATCOM輸出電流，電流超前的弧度為且+=π/2。選取基準(zhǔn)輪換周期為調(diào)制波周期的1/2，則輸出電平狀態(tài)與圖2(b)相對應(yīng)，兩單元直流側(cè)電容電壓的充放電區(qū)域如圖3所示，圖2(b)中和在半個周期內(nèi)輸出PWM波不同，故圖3中用不同圖例表示其充放電區(qū)域。圖3中，flag、flag分別為單元1和單元2電容充放電示意圖，、分別為單元1和單元2電平狀態(tài)輪換時序，該時序與調(diào)制波同步。結(jié)合圖3以為例說明電平狀態(tài)輪換時序的占空比對各單元直流側(cè)電容電壓的影響：當(dāng)基準(zhǔn)占空比時，兩單元在一個調(diào)制波周期內(nèi)充放電相等；如果下降沿右移，即一個周期內(nèi)占空比增大，單元1在一個調(diào)制波周期內(nèi)充電時間增長，右移范圍為+π/2；如果上升沿右移，即減小，單元1充電時間縮短，右移范圍為+π/2。現(xiàn)統(tǒng)一采用右移方式調(diào)整各單元直流側(cè)電容充放電時間，則在一定范圍內(nèi)，增大使單元1直流側(cè)電容電壓升高，減小會使單元1直流側(cè)電容電壓降低。若STATCOM向電網(wǎng)輸出滯后無功電流，則變換規(guī)則相反。由此可知，合理調(diào)整占空比可控制各單元直流側(cè)電壓達到平衡。

圖3 各單元直流側(cè)電容充放電區(qū)域示意圖

3.2脈沖輪換時序占空比與各單元功率關(guān)系分析

假設(shè)調(diào)制波電壓與變流器輸出電流分別為

(2)

以開關(guān)頻率周期求平均值模型，單元1輸出電壓近似等效為其調(diào)制波電壓。在一個調(diào)制波周期內(nèi)，占空比為時，單元1調(diào)制波波形示意圖如圖4所示。圖4中為為基準(zhǔn)單元1輸出調(diào)制波，，選取的基準(zhǔn)輪換周期與3.1節(jié)一致。

圖4 單元1電壓調(diào)制波波形示意圖

Fig. 4 Schematic diagram of voltage modulation waveform for the module 1

單元1在一個調(diào)制波周期內(nèi)實際吸收功率為

(6)

其中

(7)

(9)

為確保STATCOM有較好的調(diào)制效果，實際運行中調(diào)制比不宜過低；考慮到STATCOM主要補償系統(tǒng)無功，其吸收有功功率僅用來補償裝置的損耗，故輸出電流超前電壓的相角接近?，F(xiàn)取，，定義功率調(diào)節(jié)比，則功率調(diào)節(jié)比與占空比變化量在范圍內(nèi)關(guān)系如圖5所示。在范圍內(nèi)曲線與關(guān)于坐標(biāo)原點對稱。

圖5 功率調(diào)節(jié)比與占空比變化量關(guān)系圖

由圖5可知：在占空比變化的有效范圍內(nèi)，單調(diào)遞增，可見改變可有效控制有功功率在各單元的分配。注意到圖5中可為的數(shù)倍，事實上，當(dāng)=時，該調(diào)制波周期內(nèi)從網(wǎng)側(cè)吸收的全部有功功率均轉(zhuǎn)移給單元1，而當(dāng)>時，單元1將不僅獲得從網(wǎng)側(cè)吸收的全部有功功率而且會吸收單元2釋放出的有功功率，這表明該方法不但能控制網(wǎng)側(cè)流入有功功率的分配，還能實現(xiàn)單元間功率的流動，具有較強的功率調(diào)節(jié)能力。

3.3改進的脈沖輪換控制策略

圖5分析基于STATCOM輸出超前電流，當(dāng)STATCOM輸出滯后電流時，其控制作用相反。改進的脈沖輪換控制策略通過各單元直流側(cè)電壓來決定脈沖輪換時序的占空比。

基于的占空比變化規(guī)則，五電平H橋級聯(lián)型STATCOM脈沖輪換控制原理框圖如圖6所示。圖6中，為兩個單元直流側(cè)電容電壓的平均值，為單元1的直流側(cè)電容電壓，為直流側(cè)電壓波動量，sign為符號函數(shù)，當(dāng)裝置向電網(wǎng)輸出超前無功電流時，；當(dāng)輸出滯后無功電流時，。單元2脈沖輪換時序方波占空比與單元1互補。基于該策略即可實現(xiàn)各單元直流側(cè)電容電壓的均衡控制。

圖6 改進的脈沖輪換策略控制原理圖

4 仿真分析

為驗證本文所提出的改進脈沖輪換控制策略的有效性，基于Matlab進行仿真研究。建立五電平STATCOM仿真模型，各單元直流側(cè)電容分別并聯(lián)不同阻值的電阻以等效實際工況中電容損耗，其仿真關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 仿真關(guān)鍵參數(shù)

為凸顯改進的脈沖輪換策略(策略2)相比于脈沖周期輪換策略(策略1)對各單元直流側(cè)電壓平衡控制的優(yōu)越性，本文對策略1和策略2進行仿真對比分析。圖7(a)、圖7(b)為策略1與策略2直流側(cè)電容電壓波形，圖中與分別為單元1與單元2直流側(cè)電容電壓波形。

圖7 直流側(cè)電容電壓波形圖

由圖7可以看出，當(dāng)實際工況中存在因電容損耗引發(fā)的直流側(cè)電容電壓不平衡時，脈沖周期輪換便不能維持直流側(cè)電容電壓平衡，電容電壓差值在100 V左右。采用本文提出的平衡策略后，直流側(cè)電容電壓平均值穩(wěn)定在600 V左右，控制效果良好。

圖8為采用兩種平衡策略變流器輸出電壓電流波形。圖8(a)與圖8(b)為采用策略1輸出波形，圖8(c)與圖8(d)為采用策略2輸出波形。對兩種策略輸出電壓進行總諧波畸變分析(Total Harmonic Distortion THD)，策略1與策略2總諧波畸變率分別為14.86%與14.60%，兩種平衡策略下裝置輸出電壓THD差別不大。然而由于損耗差異，采用策略1直流側(cè)電容電壓不平衡，裝置輸出電流也受到了影響，采用策略2后裝置輸出電流波形明顯優(yōu)于策略1輸出電流波形，電流總諧波畸變率由3.21%降為1.12%。

圖8 STATCOM輸出電壓電流波形

5 結(jié)論

本文結(jié)合STATCOM控制原理和載波層疊調(diào)制特點，研究了一種適用于五電平H橋級聯(lián)型STATCOM的脈沖輪換直流側(cè)電壓平衡策略，分析和推導(dǎo)了脈沖輪換時序的改變對各單元功率流動的影響，給出了該策略的控制方法并進行了仿真研究，結(jié)果表明改進的脈沖輪換控制策略可在不影響裝置上層控制和幾乎不額外增加開關(guān)器件動作次數(shù)的前提下較好地實現(xiàn)直流側(cè)電壓的均衡控制。該策略具有較寬的功率調(diào)整范圍，同樣適用于H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)的整流器。

本文所提方法僅針對五電平H橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，將該方法應(yīng)用于更多電平數(shù)的STATCOM將在下一步研究工作中進行完善。

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Research on pulse rotation control strategy for 5-level cascaded H-bridge STATCOM

DU Shao-tong, YANG Qing, WANG Shan-lin, ZHOU Juan

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China)

In order to improve current quality of the 5-level cascaded H-bridge static synchronous compensator (STATCOM) based on carrier phase disposition pulse width modulation (PD-PWM), a control strategy aiming to balance the DC voltage is proposed. The STATCOM control system and the method of pulse cycle rotation based on PD-PWM are described. The influence that the pulse rotation time sequence exerts on DC side voltage of each H-bridge module is analyzed. Relation between duty ratio of the pulse rotation time sequence and positive power absorbed by the H-bridge module is deduced. Based on this, an improved pulse rotation control strategy which can adjust the duty ratio of pulse rotation time sequence to balance the DC side voltage of each H-bridge module is put forward. The simulations of the pulse cycle rotation and the improved strategy are analyzed based on STATCOM system. The simulation results verify the validity of the improved strategy.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51037004 and No. 51407184).

H-bridge cascade; static synchronous compensator; DC voltage balance; carrier disposition; 5-level

TM76

A

1674-3415(2014)21-0017-06

2014-01-23；

2014-03-10

杜少通（1985-），男，博士研究生，研究方向為電能質(zhì)量控制技術(shù)；E-mail: gdj4321@163.com

楊 擎（1988-），男，碩士研究生，研究方向為無功補償與諧波治理；E-mail: yang880422@gmail.com

周 娟（1976-），女，通信作者，博士，副教授，從事電能質(zhì)量控制、電力電子技術(shù)與應(yīng)用的研究和教學(xué)工作。E-mail: zhjcumt@126.com

國家自然科學(xué)基金（51037004，51407184）