李文娟++邸金霖++馮杰

摘要：為了降低靜止無功發(fā)生器SVG的導通損耗，在SVG中引入TNPC型三電平主電路，構建了TNPC型三電平SVG的總體方案。在分析TNPC型三電平主電路工作狀態(tài)和死區(qū)效應的基礎上，提出了無死區(qū)效應的三載波層疊PWM控制策略。該方法采用上、下兩層載波，每層載波均包含原載波、相位超前和相位滯后載波，超前與滯后的相位與死區(qū)時間有關。推導了在不同工作狀態(tài)各功率開關器件的驅動信號和調制波與三載波比較所得信號的邏輯關系。建立了TNPC型三電平SVG仿真模型，搭建了相應實驗平臺，仿真與實驗結果表明該方法在補償后電網電流電壓同相位，功率因數(shù)提高，證明了該方法的有效性和正確性。表明引入無死區(qū)效應的TNPC型三電平SVG具有更好的無功補償能力，同時避免了死區(qū)效應帶給SVG的不利影響。

關鍵詞：

靜止無功發(fā)生器；三電平；三波層疊PWM；無死區(qū)效應

DOI：10.15938/j.jhust.2017.05.009

中圖分類號： TM46

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0046-06

Threelevel Static VarGenerator by TNPC Type With No Deadzone Effect

LI Wenjuan，DI Jinlin，F(xiàn)ENG Jie

（School of Electric and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：In order to reduce the turnon loss of SVG， the TNPCtype threelevel main circuit is introduced into the SVG， and the overall scheme of the TNPCtype threelevel SVG is constructed. On the basis of analyzing the working state and dead zone effect of TNPCtype threelevel main circuit， a three carrier disposition PWM control strategy without dead zone effect is proposed. The proposed method uses the upper and lower carrier waves， each carrier contains primary carrier， phase lead and phase lag carrier， and the phase of lead and lag is related to deadtime. In this paper， the logic relations between the driving signal of each power switch device and the signal acquired by the modulation wave compared with the three carriers in different working conditions are inferred. The TNPCtype threelevel SVG simulation model is established， and the corresponding experimental platform is built. The simulation and experimental results show that the proposed method can make the current and voltage of the grid same phase and the power factor is increased after compensation， and the validity and correctness of the method are proved. It is shown that the TNPCtype threelevel SVG with no dead zone effect has better reactive power compensation capability and avoids the adverse effect of dead zone effect on SVG.

Keywords：Static Var Generator； threelevel； three carrier disposition PWM； no dead zone effect

收稿日期： 2017-06-27

基金項目： 黑龍江省自然科學基金 （E201444）.

作者簡介：

李文娟（1968—），女，教授，碩士研究生導師，Email：liwenjuan@hrbust.edu.cn；

邸金霖（1988—），男，碩士研究生；

馮杰（1991—），女，碩士研究生.

0引言

電力電子設備的廣泛應用，在電網中產生大量的無功和諧波，嚴重影響了電網的安全與高效運行，靜止無功發(fā)生器（static var generator，SVG）作為一種補償無功和諧波的新型電力電子裝置得到了廣泛研究。其中三電平SVG因具有輸出電流諧波含量低，直流側電壓利用率高等優(yōu)點而成為當今的研究重點。三電平SVG核心部件是一個三電平逆變電路，傳統(tǒng)的三電平逆變電路主要有二極管中點箝位式、飛跨電容箝位式和混合箝位式，而 TNPC（Ttype neutral point clamped）型三電平逆變電路比傳統(tǒng)的三電平逆變電路節(jié)省了更多的驅動電源，它利用反向串聯(lián)的兩個功率開關器件來實現(xiàn)直流側中點箝位功能。較傳統(tǒng)三電平逆變電路具有導通損耗低、總諧波失真小及電壓利用率高等優(yōu)點[1-2]，因此TNPC型逆變電路勢必成為三電平逆變電路的主流裝置。endprint

在三相逆變電路中，為了防止開關器件發(fā)生“直通”現(xiàn)象，在同一橋臂的兩個開關器件開通與關斷之間必須設置一定的死區(qū)時間。而死區(qū)的加入會引起逆變電路輸出電流諧波含量增加、直流電壓利用率下降、電壓相位出現(xiàn)偏差等死區(qū)效應問題[3-8]，進而會影響SVG的補償性能。

有效解決死區(qū)效應的方法主要有兩種，一種是通過檢測誤差電壓及死區(qū)時間，對電壓及時間進行有效補償，一種是通過調整驅動信號抑制產生死區(qū)效應。文[9]采用附加電路的方法解決死區(qū)效應，導致逆變主電路結構復雜。文[10]利用功率因數(shù)角對電流方向進行間接檢測，再對死區(qū)效應進行補償，不利于實際應用。文[11]在級聯(lián)SVG中，通過直接縮短或延長開關器件的占空比來補償死區(qū)效應，建立模型復雜且計算量大。文[12]采用多載波脈寬調制技術實現(xiàn)無死區(qū)控制以解決死區(qū)效應對兩電平逆變電路的影響，但無法應用到三電平逆變電路中。本文針對TNPC型三電平SVG，在分析主電路工作過程和死區(qū)效應的基礎上，提出了一種無死區(qū)效應的三載波層疊PWM調制法，通過仿真和實驗驗證了所提方案及方法的有效性。

1總體方案設計及主電路分析

1.1總體設計

TPNC型三電平SVG的控制可分為電流內環(huán)和電壓外環(huán)兩部分，電流內環(huán)負責無功電流跟蹤控制，電壓外環(huán)保證直流側電壓穩(wěn)定，由此控制思想確定了如圖1所示的總體方案。在圖中，uA 、uB 、uC為TNPC型三電平SVG主電路三相交流相電壓；iA、iB、iC 為主電路輸出的電流，C1 、C2為直流側的兩個電容，Udc為直流側母線電壓；iqref為無功電流參考值，iq是SVG交流側輸出的補償電流變換后的無功電流分量，需要iq通過PI調節(jié)器跟蹤iqref；Udcref為直流側電壓參考值，通過計算直接給出，讓檢測到的實際直流側電壓Udc通過PI調節(jié)器跟蹤參考值Udcref，同時兩者差值經過PI后得到有功電流參考值ipref；id是SVG交流側輸出的補償電流dq變換后的有功電流分量，使id跟蹤有功電流參考值ipref。然后通過dq反變換，得到三相電流信號，并作為PWM調制法的調制波與三重三角載波比較，生成提前關斷、滯后導通的開關信號，再通過不同工作狀態(tài)對開關信號進行邏輯運算，最終得到無死區(qū)效應的驅動信號，其中工作狀態(tài)要根據(jù)SVG交流側瞬時電壓電流極性得到，最后送入到TPNC型主電路中控制相應的功率器件。

1.2主電路分析

以A相為例分析TNPC型三電平SVG主電路的工作狀態(tài)。設電流iA的正方向為從主電路流向電網。當iA<0，uA>0，時，主電路工作在第一種情況即為I，Ta2常斷，Ta4常通，Ta1和Ta3作為PWM切換。當Ta1和Ta3分別加載驅動信號1和0時，電流流入電容C1正極，途中流經Tal的反并聯(lián)二極管，A相輸出的電平為高電平；當Ta1和Ta3加載驅動信號分別為0和1時，電流流經Ta4和Ta3的反并聯(lián)二極管，A相輸出的電平為零電平。同理，可得到另三種工作狀態(tài)下器件的開關狀態(tài)，如表1所示。

2無死區(qū)效應的控制策略

2.1死區(qū)效應分析

當TNPC型主電路中的A相工作在狀態(tài)Ⅳ時，功率開關器件Ta2 、Ta4分別加0和1。分析時，都是將功率開關器件視為理想情況下，即導通和關斷能夠瞬間完成。不加死區(qū)時功率開關器件Ta1 、Ta3的驅動信號Sa1和 Sa3與輸出相電壓的關系如圖2（a）所示。其中Ta3的信號與Ta1的信號互補，uA為A相輸出的電壓，t2～t4內電壓為正的Udc/2，0～t2、t4～t7內電壓為0。

在實際應用時則需要在信號中加入死區(qū)時間。加死區(qū)時Ta1 、Ta3的驅動信號Sa11、Sa31與輸出相電壓的關系如圖2（b）所示。死區(qū)的加入，導致在t2～t3、t4～t5、t7～t8期間內驅動信號Sa11和Sa31的電平都為低電平，功率開關器件將Ta1和Ta3延時導通，此時電流流經Ta4和Ta3的反并聯(lián)二極管最后流向連接電抗器。由圖可知，uA1在t3～t4內電壓為正的Udc/2，在0～t3和t4～t8內電壓為0。Sa11、Sa31之間存在死區(qū)后，由于在死區(qū)時間內反并聯(lián)二極管可以起到續(xù)流的作用，導致電壓畸變，在其他三個工作狀態(tài)中也會出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。為了避免加入死區(qū)而帶來的死區(qū)效應，通過調整驅動信號，來實現(xiàn)既存在死區(qū)又不會產生死區(qū)效應的功能。

在前面分析的基礎上，對驅動信號進行了調整，如圖2（c）中所示信號，Sa12、Sa32分別是調整后Ta1、Ta3的驅動信號，uA2為改進后A相輸出的電壓。Ta1仍然在t2～t4內導通，在0～t2 和t4～t7內關斷，與圖2（a）中的Sa1一樣。而Ta3在0～t1和t5～t6內導通，即Ta3需要提前關斷和滯后導通。在t1～ t2、t4～ t5、t6～ t7期間的驅動信號 Sa12和Sa32都為低電平，此時電流由Ta3 和Ta4的反并聯(lián)二極管流向連接電抗器，輸出電壓uA2為0。t2～t4內uA2的電壓為正Udc/2，0～t2、t4～t7內uA2電壓為0。與圖2（a）中的電壓uA相比，可知uA2的導通關斷時間與uA的導通關斷時間相同。所以利用該方法不僅在互補的驅動信號之間加入了死區(qū)時間，而且通過反并聯(lián)二極管的續(xù)流作用，在源頭上避免了死區(qū)效應的生成[13]。

2.2無死區(qū)效應三載波層疊PWM法

通過以上分析，為了防止死區(qū)效應帶來的危害，功率開關器件需要產生提前關斷和滯后導通的驅動信號。本文在載波層疊PWM法的基礎上進行改進，提出了無死區(qū)效應的三載波層疊PWM法[14]，如圖3所示。其上層載波分別為相位超前載波ufu、原有載波uu、相位滯后載波uhu，下層載波分別為相位超前載波ufd、原有載波ud、相位滯后載波uhd。超前和滯后相位與需要的死區(qū)時間有關，在這里設載波移相時間為Ty，死區(qū)時間為Ts，則實際應用中使Ty=1.5Ts時，就可以保證互補驅動信號相差的相位滿足死區(qū)要求。endprint

為了更清晰的分析三載波層疊調制法的工作原理把圖3進行局部放大，如圖4所示。

從圖中可知，調制波與載波uu比較生成驅動信號Sua；與載波ufu比較生成提前導通的驅動信號Sfua和提前關斷的驅動信號！Sfua；與載波uhu比較生成滯后關斷的驅動信號Shua和滯后導通的驅動信號！Shua。同理，與下層原有載波ud比較生成驅動信號Sda，與載波ufd比較生成提前導通的驅動信號Sfda和提前關斷的驅動信號！Sfda，與載波uhd比較生成滯后關斷的驅動信號Shda和滯后導通的驅動信號！Shda。若此時iA>0，uA>0，TNPC型主電路工作在狀態(tài)Ⅳ，Ta1的驅動信號S1為Sua，而Ta3的驅動信號S3為！Sfua&！Shua。

通過類似的分析，可以推導出不同工作狀態(tài)下實現(xiàn)無死區(qū)效應的各功率開關器件的驅動信號，進而控制TNPC型SVG主電路中的功率開關器件，達到無功補償?shù)哪康?。?給出了A相工作在不同狀態(tài)時驅動信號的邏輯關系。

3仿真和實驗分析

3.1仿真模型的建立

為了驗證所設計系統(tǒng)和所提出方法的有效性，搭建了圖5 所示的TNPC型三電平SVG系統(tǒng)的仿真模型。

在仿真中，選取電阻為15Ω、電感為50mH的三相對稱的阻感負載。主電路和電網間的連接電阻為3Ω和串聯(lián)電感為3mH，直流側電容選5000μF。無功電流檢測模塊將三相電網電流信號進行dq變換，分離出有功分量與無功分量，讓SVG補償電流的無功分量跟蹤電網的無功分量，實現(xiàn)電流閉環(huán)。調節(jié)直流側電容電壓跟蹤給定電壓值，實現(xiàn)電壓閉環(huán)。PWM信號生成模塊根據(jù)檢測到的SVG補償電流的方向和連接電抗器的電壓極性，判斷主電路的工作狀態(tài)，通過無死區(qū)效應載波層疊PWM算法產生多路PWM信號，根據(jù)主電路的工作狀態(tài)將多路PWM信號進行邏輯組合，生成無死區(qū)效應的驅動信號，驅動SVG補償電網無功功率。

3.2仿真結果及分析

在所建立的仿真模型的基礎上進行了有死區(qū)和無死區(qū)效應兩種驅動方式下的仿真實驗，得到SVG加入前后電網電壓和電流的波形，如圖6所示。

圖6（a）是傳統(tǒng)直接在PWM信號后加入死區(qū)后的補償效果圖，由圖可知SVG補償前電流滯后電壓，在0.06s時SVG投入運行，電路迅速補償?shù)娏鞑]有完全與電壓同相位，而是存在一定的相位差。圖6（b）是無死區(qū)效應產生驅動信號的方法，在其他仿真參數(shù)相同的情況下，在0.06s時SVG投入運行，電流迅速調整到與電壓同相位。可見無死區(qū)效應的TNPC型三電平SVG能夠快速地對無功功率進行補償。

圖7（a）為直接加入死區(qū)時SVG補償后電網的功率因數(shù)，由圖可知采用這種驅動信號時補償后的功率因數(shù)為0.96左右，說明加入死區(qū)后，對SVG補償電網的無功功率造成一定的影響，圖7（b）為采用無死區(qū)效應的SVG補償后的功率因數(shù)曲線，補償后功率因數(shù)穩(wěn)定在0.99。證明本文設計的無死區(qū)效應的控制策略能有效的提高功率因數(shù)，具有實際的應用意義。

3.3實驗驗證

在前面理論研究和仿真驗證的基礎上，設計了無死區(qū)效應的TNPC型三電平SVG硬件和相應的軟件。硬件設計主要包括檢測調理電路、輔助電源和驅動電路等。軟件部分主要闡述了主程序、中斷程序、無死區(qū)效應的載波層疊PWM程序等。選用TMS320F2812作為主處理器，EP2C35F484C8N作為從處理器，搭建了TNPC型三電平SVG的實驗平臺，如圖8所示，針對阻感負載進行了實驗。

補償前電網中電壓與電流的波形圖如圖9所示，從圖中可知電流滯后電壓46°左右。圖10所示為補償后電網中電壓與電流的波形圖，可見電流滯后電壓1°左右，證明本文所設計的SVG能夠對阻感性負載產生的無功功率進行有效的補償。

4結論

本文將TNPC型三電平逆變電路引入到靜止無功發(fā)生器，構架了TNPC型三電平靜止無功發(fā)生器的總體方案。在分析TNPC型三電平主電路工作狀態(tài)和死區(qū)效應的基礎上，提出了無死區(qū)效應的三載波層疊PWM控制方法，并在MATLAB中進行了仿真驗證。仿真結果表明，采用無死區(qū)效應控制策略的SVG對電網的無功功率補償效果好，補償后電網的功率因數(shù)得到了提高，證明了本文設計的SVG的可行性與正確性。最后在理論研究和仿真驗證的基礎上，搭建了實驗平臺，并對阻感負載下SVG補償無功功率的情況進行了實驗。實驗結果證明對本文所設計的無死區(qū)效應的控制策略可以使SVG系統(tǒng)對電網進行更好的無功補償。

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（編輯：王萍）endprint