彭詠龍， 黃江浩， 李亞斌， 杜 鵬， 賀 寧

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，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)中一種能夠高效實時地補償無功的新型逆變裝置[1-2]，已被廣泛應用于低壓或高壓領域，但在中壓大容量場合的應用受到一定限制。 H橋級聯型SVG直流側各電容之間相互獨立、拓撲結構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用于中高壓電網[3-5]，而級聯式拓撲結構在高壓驅動和無功補償領域的應用已經比較成熟，故目前更適合于中壓配電網的無功補償。但各H橋逆變單元之間會因開關損耗、脈沖延時及電路器件參數的差異性導致直流側電容電壓的波動并偏離設定值[6-9]，會直接影響到裝置的補償效果及輸出波形的質量[10]。因此如何有效解決直流側電壓不平衡問題便成為了中壓SVG在實時補償無功電流過程中要解決的一個關鍵性難題。

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[11～12]是從硬件上入手，通過附加一定的均壓電路來實現交—直流側的功率交換進而平衡直流電壓，但改裝后的設備體積大、運行成本高、功率損耗大，不利于生產。文獻[13]實現了中壓領域級聯STATCOM直流側電壓的三級平衡控制，但該系統(tǒng)控制較為復雜，實用性差。文獻[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)響應速度依舊很慢。文獻[15]提出了在主調制波信號基礎上疊加一個能夠實現交直流側能量互換的微調量方法來進行均壓控制，但并未給出具體的實施方案。

本文通過分析級聯SVG的主電路結構，并結合公式推導證明了直流側電壓的波動過程，同時引入了一種自適應 PI控制取代原來的PI控制。接下來深入研究了中壓級聯SVG直流側電壓平衡分層控制策略，上層穩(wěn)壓結合改進的瞬時無功檢測算法并引入自適應 PI控制產生有功、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調制波微調量，用于疊加到上層控制生成的輸出量中，從而控制各相內各單元電容電壓均衡。最后基于 MATLAB/SIMULINK平臺對此進行了仿真研究，并使用TI公司生產的DSPTMS320 F28336高性能核心控制器設計了3 kV中壓三級聯 SVG試驗裝置，證明了該控制策略的有效性。

1 直流側電壓波動過程

在H橋級聯的SVG主電路結構中，由于不存在直流母線，會出現多種連接方式，其中星型連接所需級聯模塊最少，簡單且易于實現，同時能夠對非零序電流進行有效補償，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，再經過串聯輸出電感L、單相損耗的等效電阻R并入電網。其中usi、isi(i=a,b,c)分別為電網的三相輸出電壓、電流，iLi、ici(i=a,b,c)分別為三相負載電流和SVG的補償電流。Udcai、Ucai(i=1,2,3)分別為A相各單元電容電壓及經H橋逆變后的輸出電壓，其他兩相以此類推。

H橋級聯的SVG主電路結構如圖1所示。

圖1 H橋級聯SVG的拓撲結構

根據主電路的結構，直流側的波動過程可通過如下的公式推導得以證明：

(1)

設各H橋單元直流側電壓均為Udc, 由功率平衡可得：

(2)

設SVG的調制比為m,無功控制角為δ，則有：

(3)

聯立(1)(3)式，并經過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進一步變形為

(6)

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

2 控制原理

2.1 自適應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參數固定造成的SVG裝置響應速度慢、實時性差、跟蹤性能不好的缺陷，提出了一種基于自適應PI控制用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)PI控制的方法，該方法能夠在負載躍變的條件下，運用PI調節(jié)參數自適應地對誤差進行在線辨識并加以控制,直至控制器達到最佳狀態(tài)為止。以下(7)～(11)式構成了整個自適應PI控制算法。

(7)

L=K1KL

(8)

(9)

(10)

KI=K3Kp-K4LR

(11)

式中：KL為電感計算系數；K1、K2、K3、K4為修正系數；L、R分別為等效電感、電阻計算值；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PI調節(jié)器的比例、積分系數，二者將作為整個算法的核心控制部分。KP能夠加快響應速度和增強穩(wěn)定性，KI可以在短時間內消除穩(wěn)態(tài)誤差，結合二者的優(yōu)勢，靈活地運用電壓自適應參數KP和KI進行電壓調節(jié)，用電流自適應參數KP、KI進行電流調節(jié)，且調節(jié)過程中需要根據采樣電壓、電流的變化率，利用修正系數對相關參數不斷地更新，從而完成整個自適應PI控制過程。

2.2 直流側電壓平衡控制原理

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裝置輸出的補償電流經dq變換后將生成實際的有功電流分量id、無功電流分量iq，指令值與實際值在進行前饋解耦控制后再經dq變換即可生成SVG的三相輸出電壓主調制波，在此基礎上分別疊加一個由下層均壓控制產生的調制波微調量Δucmi(m=a,b,c;i=1,2,3)，最后生成逆變器開關的驅動信號，從而控制各直流側電壓的均衡。

圖2 整個系統(tǒng)控制框圖

3 分層控制策略

級聯型SVG已被逐漸應用在中壓場合來進行無功補償，但直流側電壓的波動會造成器件功率損耗的增加和輸出波形質量的下降，使得SVG裝置的補償效果變差?？梢姡刂浦绷鱾入妷旱钠胶馐潜ＷC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節(jié)有功分量的大小來維持直流側各相總電壓的穩(wěn)定，進而確保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相相內均壓過程。

圖4 A相直流側各單元均壓控制

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)壓控制的基礎上每相各單元疊加一個基于單位化電流構造的調制波微調量Δudci，通過從電網吸收不同的有功功率來補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，以達到相內直流電壓均衡的目的。

4 仿真及實驗驗證

4.1 仿真驗證

為了證實本文所提出改進方法的準確性，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載，對3 kV星接H橋中壓三級聯SVG進行了仿真研究。其主要仿真參數設置如下：系統(tǒng)線電壓為3 kV, 級聯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相直流側總電壓波形，設參考電壓值為2 700 V，初始電壓為2 300 V，從圖中可以得知起初經過短暫的波動后，基本上收斂于2 700 V左右，同時反應了自適應PI控制響應速度快、穩(wěn)態(tài)性能好的特點，很好地實現了上層穩(wěn)壓控制。

圖6為僅采用了上層控制后直流側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，嚴重時會因開關應力過大而導致器件損壞。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%，較好地實現了各單元均壓。

圖5 A相直流側上層穩(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 實驗驗證

為進一步使所提出直流側電壓平衡控制策略得到有效和精確地驗證，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SVG實驗樣機如圖8所示，其參數設置與仿真參數基本上保持一致。

當加入分層控制策略后，為了進一步體現系統(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時刻負載突然發(fā)生了變化，并經過0.1 s的波動后均能夠迅速恢復到平衡狀態(tài)，且偏差較小，電壓均衡效果顯著。

圖8 SVG實驗平臺圖

為了進一步體現SVG最終的補償效果，圖10中展示了電網電流的動態(tài)補償情況，從圖中可以看出網側電流波形幾乎接近正弦，補償后的諧波畸變率為2.78%，即使在負載迅速變化時也具有良好的動態(tài)補償效果，充分證明了改進的分層控制方法在中壓領域應用的可靠性。

圖9 突變前后直流側各單元電壓實驗波形

圖10 引入控制方法后的三相補償電流

5 結論

針對中壓級聯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部分構成，它通過引入以電壓平方差為輸入量的自適應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的瞬時無功檢測算法相結合建立直流側電壓主調制波分量，用來維持各相總電壓的穩(wěn)定；下層均壓控制則通過重構一種基于單位化電流的調制波微調量，用來疊加在上層控制產生的主調制波上實現相內電壓均衡。本文所提方法不僅實現了直流側電壓平衡，且在負載突變情況下也達到了良好的均壓效果，同時提高了電流的跟蹤補償精度。仿真和實驗結果驗證了該分層控制算法的準確性，并在中壓領域存在一定的實用性。

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