基于電壓冗余狀態(tài)的鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容電壓平衡控制策

1、基于電壓冗余狀態(tài)的鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電容電壓平衡控制策略胡應(yīng)宏,任佳佳,申科,王建賾,紀(jì)延超(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001摘要:分析了鏈?zhǔn)絊TATCOM 電流和開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)直流側(cè)電壓的影響,當(dāng)變流器電流I >0、模塊輸出電壓為正時(shí),直流電容充電,電壓升高;當(dāng)模塊輸出電壓為負(fù)時(shí),直流電容放電,電壓降低;當(dāng)電流I <0時(shí)情況相反。在此基礎(chǔ)上,提出了一種新的基于交換冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài)的直流側(cè)電壓平衡控制策略,將閥組內(nèi)直流側(cè)電壓高的模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)向直流側(cè)電壓降低的開(kāi)關(guān)狀態(tài)交換,同時(shí)把直流側(cè)電壓低的模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)向直流側(cè)電壓升高的開(kāi)關(guān)狀態(tài)交換,改變電容的充放電

2、時(shí)間,維持直流側(cè)電壓的平衡。所提控制策略易于實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)單可行,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明其能很好地維持直流側(cè)電壓平衡。關(guān)鍵詞:靜止同步補(bǔ)償器;鏈?zhǔn)蕉嚯娖?逆變器;直流側(cè)電容電壓;冗余;電壓控制中圖分類號(hào):TM 714文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-6047(201111-0033-05收稿日期:2010-12-06;修回日期:2011-09-05基金項(xiàng)目:國(guó)際科技合作計(jì)劃(2010RR0002;黑龍江省高教強(qiáng)省計(jì)劃(01314766;黑龍江省科技廳省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(0131-4025Project supported by the International Technology Cooperation

3、Plan (2010RR0002,Heilongjiang Province Universities Plans (01314766and the Heilongjiang Province Science and Tech -nology Department Project (01314025 電力自動(dòng)化設(shè)備Electric Power Automation EquipmentVol.31No .11Nov.2011第31卷第11期2011年11月0引言鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)1-2是實(shí)現(xiàn)高壓大容量的重要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由直流側(cè)相互獨(dú)立的全橋模塊串聯(lián)組成。與變壓器多重化結(jié)構(gòu)相比,該結(jié)構(gòu)省略了變壓器,節(jié)約了成本

4、,但帶來(lái)顯著優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也帶來(lái)了問(wèn)題3-4。各模塊直流側(cè)電容互相獨(dú)立、直流側(cè)電容電壓不平衡是鏈?zhǔn)絊TATCOM 5-7在實(shí)際應(yīng)用中必須解決的問(wèn)題。文獻(xiàn)8-9分析了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中造成直流側(cè)電容電壓不平衡的原因,諧波和串聯(lián)型損耗的差異不會(huì)造成電容電壓不平衡;電容器容量差異會(huì)影響動(dòng)態(tài)過(guò)程中電容電壓的分配,但不會(huì)造成穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓不平衡;穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓的不平衡主要是由于混合型損耗差異、并聯(lián)型損耗差異以及脈沖延時(shí)不同造成的?，F(xiàn)有的一些直流側(cè)電壓平衡控制的方法10-12應(yīng)用到鏈?zhǔn)絊TATCOM 中,取得了較好的性能,事實(shí)上,直流側(cè)電壓平衡的控制也一直是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文首先對(duì)鏈?zhǔn)絊TATCOM 調(diào)制策略進(jìn)行

5、了分析,指出調(diào)制策略也能造成直流側(cè)不平衡,在此基礎(chǔ)上提出一種新的基于電壓冗余狀態(tài)的鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電壓平衡控制策略,其直流側(cè)電容電壓平衡控制與STATCOM 控制系統(tǒng)相互獨(dú)立,系統(tǒng)控制部分只需產(chǎn)生所需的參考波形即可,省略了直流側(cè)電壓平衡調(diào)節(jié)PI 環(huán),隨著鏈?zhǔn)絺€(gè)數(shù)的增加,算法的復(fù)雜度略有增加,所需硬件資源少,擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)方便。1STATCOM 調(diào)制策略分析相移載波調(diào)制PSCPWM (Phase -Shifted Carrier Pulse Width Modulation ,通過(guò)比較參考波和載波輸出PWM 波形,具有控制簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn),適用于鏈?zhǔn)蕉嚯娖秸{(diào)制。以雙極性相移載波調(diào)制為例

6、,在N 個(gè)模塊串聯(lián)的鏈?zhǔn)侥孀兤髦?每相均采用N 個(gè)具有相同頻率f c 、相同峰峰值A(chǔ) c 的三角載波,將各三角載波的相位互相錯(cuò)開(kāi)2/N ,分別與一個(gè)頻率為f m 、幅值為A m 的正弦調(diào)制波相比較,如果調(diào)制波的幅值大于載波則開(kāi)通相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件,反之則關(guān)斷相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件,單相2H 橋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)和相移載波調(diào)制的原理分別如圖1和圖2所示。載波和調(diào)制波都是周期性波形,通常采用雙重傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行分析,N 個(gè)H 橋串聯(lián)時(shí),整體輸出電壓表達(dá)式如式(1所示 : V T1V T2V T 1V T 2V T1V T2V T 1V T 2U a1U a2U dcU dcAC圖1鏈?zhǔn)紿 橋逆變器主電路F

7、ig.1Main circuit of cascaded H -bridge inverter第31卷電力自動(dòng)化設(shè)備 圖3平衡控制策略原理框圖Fig.3Schematic diagram of balancing control(b 交換判斷模塊排序計(jì)算平均值及最值U dc1U dc2U dc n不平衡交換判斷交換輸出觸發(fā)脈沖U ca1U ca n U ref(a 交換脈沖框圖開(kāi)始判斷電流方向直流側(cè)電壓最大、最小(或次小對(duì)應(yīng)的輸出電壓有冗余交換結(jié)束U P (t =鄱NU n (t =U dcNM sin (m t +4鄱m =1鄱n =-+鄱cos (m +n +1J 2n -1(mM 

8、15;鄱鄱i =1Nsin 2m ct -i -1N鄱鄱+(2n -1m鄱t 鄱鄱(1其中,J 2n -1(mM 為Bessel 函數(shù),U P 為正橋臂輸出電壓,N 為級(jí)聯(lián)的H 模塊數(shù),M 為三角波頻率與參考波頻率之比,m 為調(diào)制波角頻率,c 為三角載波角頻率。經(jīng)過(guò)相移載波雙極性調(diào)制后,在不提高單個(gè)開(kāi)關(guān)頻率f c (f c =c /(2的前提下,每相等效的開(kāi)關(guān)頻率為N f c ,整體開(kāi)關(guān)頻率提高了N 倍,極大提高了整相輸出電壓諧波性能,特別適合于鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鳌９絤 c t +n s t =±s t 反映了三角波頻率對(duì)基波的影響,在級(jí)聯(lián)多電平逆變器中,載波頻率低(一般為500Hz

9、 以下,即N 較小,滿足條件的m 也就比較小,低階Bessel 函數(shù)的影響不可忽略,這將造成模塊輸出基波相位、幅值的差異,在STATCOM 中,直流側(cè)電容取值有限,造成電流對(duì)直流電容充放電時(shí)間不同,這種差異使得在理想無(wú)損情況下,鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)各個(gè)直流電壓也會(huì)有很大的不平衡。2新型直流側(cè)平衡控制策略針對(duì)直流側(cè)電容電壓不平衡,利用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)輸出電壓存在較多的冗余開(kāi)關(guān)狀態(tài),本文根據(jù)電流方向和輸出電壓冗余狀態(tài)的不同,有選擇地交換各個(gè)橋的觸發(fā)脈沖來(lái)平衡直流側(cè)電壓13。文中以單相4H 橋拓?fù)錇槔M(jìn)行分析,表1給出了總輸出電壓值和對(duì)應(yīng)各個(gè)H 橋的輸出電壓值,可以看出除輸出電壓值為±4U dc 時(shí)沒(méi)有冗余狀

10、態(tài),其他狀態(tài)下均有冗余。當(dāng)流入變流器的電流I >0、模塊輸出電壓為+U dc時(shí),直流電容充電,直流電容電壓升高;當(dāng)模塊輸出電壓為-U dc 時(shí),直流電容放電,直流側(cè)電壓降低;當(dāng)電流I <0時(shí)情況相反,所以當(dāng)輸出狀態(tài)和電流方向不同時(shí),直流側(cè)電壓的變化趨勢(shì)也不同。本文所采用的方法是當(dāng)直流側(cè)電壓不平衡超過(guò)一定范圍時(shí),將各個(gè)直流側(cè)電壓進(jìn)行排序,然后根據(jù)電流方向和輸出狀態(tài),選擇合適的冗余狀態(tài)進(jìn)行交換,將直流側(cè)電壓最高的模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)向使直流側(cè)電壓降低的開(kāi)關(guān)狀態(tài)交換,同時(shí)把直流側(cè)電壓低的模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)向使直流側(cè)電壓升高的開(kāi)關(guān)狀態(tài)交換,使兩者向平均值方向變化,減小直流側(cè)電壓不平衡14-15。當(dāng)U

11、 dc4>U dc2>U dc1>U dc3時(shí),4個(gè)橋臂的輸出狀態(tài)依次為+U dc 、-U dc 、-U dc 、+U dc ,電流方向?yàn)榱魅?則電流對(duì)U dc4充電,對(duì)U dc3放電,該狀態(tài)使不平衡加大,根據(jù)提出的方法,橋臂總的輸出電壓為0時(shí),該輸出電壓具有冗余狀態(tài),故可以將輸出脈沖交換為+U dc 、-U dc 、+U dc 、-U dc ,讓電壓最高的模塊放電,而電壓最低的模塊充電,使得電容電壓趨向于平衡。平衡控制策略實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖3所示。對(duì)單相4H 橋進(jìn)行仿真分析,其中一個(gè)H 橋的輸出電壓u o 仿真波形如圖4所示。輸出電壓橋1橋2橋3橋44U dc U dc U

12、 dc U dc U dc 2U dcU dc U dc U dc -U dc U dc U dc -U dc U dc U dc -U dc U dc U dc -U dc U dc U dc U dc 0U dc U dc -U dc -U dc -U dc -U dc U dc U dc U dc -U dc U dc -U dc -U dc U dc -U dc U dc -U dc U dc U dc -U dc U dc -U dc -U dc U dc -2U dc -U dc -U dc -U dc U dc -U dc -U dc U dc -U dc -U dc U dc

13、-U dc -U dc U dc -U dc -U dc -U dc -4U dc-U dc -U dc -U dc -U dc表1總輸出電壓值和各H 橋輸出電壓值Tab.1Total output voltages and differentH -bridge output voltages圖2相移載波調(diào)制的原理圖Fig.2Schematic diagram of PSCPWM0u 2tu a202tU dc -U dc02tu o -2U dc0u u cu ref2tu a102tU dc -U dc2U dc胡應(yīng)宏,等:基于電壓冗余狀態(tài)的鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電容電壓平衡控制策略第

14、11期 (b 直流側(cè)電壓平均值波形圖10005000u d c ,a v e /V 1.0t /s0.6圖8理想無(wú)損循環(huán)交換的直流側(cè)電壓波形Fig.8Waveforms of DC capacitor voltagewithideal lossless cyclic transposition(a 直流側(cè)電壓瞬時(shí)值波形圖1000800600u d c /V 1.0t /s0.610005000u d c ,a v e /V 1.0t /s(b 直流側(cè)電壓平均值波形圖0.6圖7理想無(wú)損不循環(huán)交換的直流側(cè)電壓波形Fig.7Waveforms o

15、fDC capacitor voltage withideal lossless acyclic transposition12500-1250u o /V0.010.04t /s圖6采用改進(jìn)平衡方法后的一個(gè)H 橋輸出電壓Fig.6Waveform of one H-bridge output voltageunder improved balancing control12500-1250u o /V0.010.04t /s圖4采用平衡控制策略后的一個(gè)H 橋輸出電壓波形Fig.4Waveform of one H -bridge outputvoltageunder balancing co

16、ntrol(a 直流側(cè)電壓瞬時(shí)值波形圖1000800600u d c /V 1.0t /s0.63直流側(cè)電壓平衡控制策略的改進(jìn)由圖4可見(jiàn),采用所提的方法后,開(kāi)關(guān)頻率明顯增大,截取輸出波形0.02s 至0.03s 之間輸出電壓和直流側(cè)電壓的波形(見(jiàn)圖5進(jìn)行分析(假設(shè)輸出容性電流,該時(shí)間段電流為正,0.02s 時(shí)刻H 橋輸出電壓為正,對(duì)電容充電,電容電壓升高;隨著對(duì)電容的充電,該模塊直流電壓逐漸升高,高于平均值,出現(xiàn)直流側(cè)電壓不平衡,根據(jù)提出的平衡控制策略,將該輸出的正電壓與其他某個(gè)輸出為負(fù)電壓的模塊進(jìn)行交換,交換后,該模塊輸出電壓為負(fù),電容放電,直流電壓降低;隨著該模塊直流側(cè)電

17、壓降低,電容電壓又滿足平衡條件,然后恢復(fù)H 橋原先的觸發(fā)脈沖,輸出電壓變?yōu)檎?電容電壓再次升高;一段時(shí)間后直流側(cè)電壓又出現(xiàn)不平衡時(shí),根據(jù)判斷再次交換脈沖,這種交換循環(huán)往復(fù),導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率嚴(yán)重增加?？紤]到上述開(kāi)關(guān)頻率增加的情況,基于提出的平衡控制策略,在交換判斷依據(jù)中加入一個(gè)滯環(huán)比較器,當(dāng)不平衡出現(xiàn)時(shí),根據(jù)電流方向,若直流側(cè)電容電壓最大和最小對(duì)應(yīng)的輸出電壓有冗余,則交換觸發(fā)脈沖,從而使最大電容電壓值降低,最小電容電壓值升高;然后保持這個(gè)觸發(fā)脈沖,直到直流側(cè)最小電容電壓值與最大電容電壓值之差大于平均值的一定范圍為止。對(duì)改進(jìn)直流側(cè)電壓平衡方法進(jìn)行仿真分析,其中一個(gè)H 橋輸出電壓波形如圖6所示,從圖可知

18、開(kāi)關(guān)頻率大為降低,且能保證直流側(cè)電容電壓平衡且不影響輸出電壓波形質(zhì)量。4仿真結(jié)果分析本文針對(duì)基于電壓冗余狀態(tài)的直流側(cè)電壓平衡方法和改進(jìn)平衡方法,對(duì)4H 橋鏈?zhǔn)絊TATCOM 進(jìn)行了仿真分析。仿真參數(shù):系統(tǒng)電壓為2200V ,直流側(cè)電容為5000F ,三角載波頻率為500Hz ,調(diào)制比為0.9,參考波滯后系統(tǒng)電壓0.04rad 。不對(duì)直流側(cè)電壓平衡進(jìn)行控制時(shí)的仿真波形如圖7所示,可以看出4個(gè)H 橋直流側(cè)電壓出現(xiàn)了明顯的不平衡,時(shí)間越長(zhǎng),出現(xiàn)的直流側(cè)不平衡越明顯,在理想情況下也會(huì)出現(xiàn)直流側(cè)不平衡,所以必須對(duì)直流側(cè)電容電壓不平衡進(jìn)行控制。在理想情況下,采用脈沖循環(huán)交換方法,對(duì)4H 橋STATCOM

19、進(jìn)行仿真分析,其直流側(cè)電容電壓瞬時(shí)值和平均值波形如圖8所示。由圖可知,在理想情況圖5一個(gè)H 橋輸出電壓波形與對(duì)應(yīng)的直流側(cè)電容電壓波形Fig.5Waveforms of one H -bridge output voltageand corresponding DC capacitor voltage950850750u d c /V0.0400.0420.050t /s(b 直流側(cè)電壓波形0.046(a 輸出電壓波形10000-1000u o /V0.0200.0220.026(a 直流側(cè)電壓瞬時(shí)值波形圖1000800600u d c /V 1.0t /s 0.6100050

20、00u d c ,a v e /V 1.0t /s(b 直流側(cè)電壓平均值波形圖0.6圖10采用改進(jìn)平衡控制策略后的直流側(cè)電壓波形Fig.10Waveforms of DC capacitor voltage underimproved balancing control(a 直流側(cè)電壓瞬時(shí)值波形圖1100850600u d c /V 1.0t /s 0.610005000u d c ,a v e /V 1.0t /s(b 直流側(cè)電壓平均值波形圖0.6圖9有損循環(huán)交換的直流側(cè)電壓波形Fig.9Waveforms of DC capacitor

21、 voltagewith lossy cyclic transposition第31卷電力自動(dòng)化設(shè)備下直流側(cè)電壓是平衡的,平衡所需時(shí)間較長(zhǎng),直流側(cè)慣性較大,效果不太理想。計(jì)及各種損耗造成直流側(cè)電容電壓的不平衡時(shí),脈沖循環(huán)交換只能消除調(diào)制所帶來(lái)的不平衡,不能解決器件個(gè)體差異造成的不平衡。仿真是針對(duì)4H 橋進(jìn)行的,在其直流側(cè)加入了一個(gè)等效損耗的10k 并聯(lián)電阻,循環(huán)交換直流側(cè)電容電壓的波形見(jiàn)圖9。由圖可知,依然存在直流側(cè)電壓不平衡現(xiàn)象。對(duì)本文所提出的直流側(cè)電壓平衡控制新方法進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出,利用冗余狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)直流電壓,直流側(cè)電壓維持在平均值附近上下波動(dòng)。該方法能夠很好

22、地維持直流側(cè)電壓平衡,不影響輸出電壓波形質(zhì)量,開(kāi)關(guān)頻率增加較少。5結(jié)論基于電壓冗余狀態(tài)的直流側(cè)電壓平衡方法和改進(jìn)平衡方法,分析了鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電壓與輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流之間的關(guān)系,并以此為依據(jù)提出了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)直流側(cè)電壓的平衡控制策略,并對(duì)平衡方法進(jìn)行了詳細(xì)分析和改進(jìn),給出了仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明所提出的直流電壓平衡控制策略簡(jiǎn)單、有效,隨著輸出電平數(shù)的增加,算法復(fù)雜度增加非常小,平衡效果較好,具有很高的實(shí)用價(jià)值。通過(guò)理論和仿真分析可知,當(dāng)鏈?zhǔn)紿 橋個(gè)數(shù)較多時(shí),電壓的冗余狀態(tài)會(huì)增多,將更有利于直流側(cè)電容電壓的平衡控制。參考文獻(xiàn):1HANSON D J ,HORWILL C.A STATCO

23、M -based relocatable SVCproject in the UK for National Grid C IEEE Power Engineering Society Winter Meeting.New York ,USA :IEEE Power Engineering Society ,2002:532-537.2沈斐,王婭嵐,劉文華,等.大容量STATCOM 主電路結(jié)構(gòu)的分析和比較J .電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003,27(8:59-65.SHEN Fei ,WANG Yalan ,LIU Wenhua ,et al.Analysis and comparison of ca

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30、based on cascade multilevelinverters J .Proceedings of the CSEE ,2004,24(4:145-150.12劉文華,宋強(qiáng),滕樂(lè)天,等.基于集成門極換向晶閘管與鏈?zhǔn)侥孀兤鞯?#177;50Mvar 靜止同步補(bǔ)償器J .中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(15:55-60.LIU Wenhua ,SONG Qiang ,TENG Letian ,et al.±50Mvar STATCOM based on chain circuit converter employing IGCT s J .Proceedings of the

31、 CSEE ,2008,28(15:55-60.Balancing control of DC capacitor voltage for cascaded H -bridge STATCOMbased on voltage redundant statesHU Yinghong ,REN Jiajia ,SHEN Ke ,WANG Jianze ,JI Yanchao(School of Electrical Engineering and Automation ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China Abstract :Th

32、e impact of the current and switch state of cascaded STATCOM on DC -side voltage is analyzed.When converter current I >0and module output voltage U >0,DC capacitor is charged and its voltage rises ;when I >0and U <0,DC capacitor is discharged and its voltage drops ;when I <0,the situa

33、tion is opposite.A DC voltage balancing strategy based on swap redundant switching states is thus proposed ,which changes the switch state of the module with high DC voltage into the switch state causing voltage dropping while changes the switch state of the module with low DC voltage into the switc

34、h state causing voltage rising.The charge /discharge time of capacitor is thus changed and the DC -side voltage balance is maintained.The proposed control strategy is simple and easy to realize and its effectiveness is verified by simulative results.Key words :STATCOM ;cascaded multilevel ;electric

35、inverters ;DC capacitor voltage ;redundancy ;voltage control胡應(yīng)宏,等:基于電壓冗余狀態(tài)的鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流側(cè)電容電壓平衡控制策略 第11期(上接第32頁(yè)continued from page 32!Real -time power control of ultracapacitor energy storage systemSHEN Yangwu ,PENG Xiaotao ,YANG Jun ,SUN Yuanzhang ,WU Yunliang ,MA Xiyuan(School of Electrical Enginee

36、ring ,Wuhan University ,Wuhan 430072,China Abstract :According to the mathematical model of voltage source converter ,the real -time power control is studied to enhance the dynamic power tracking characteristics of UC (UltraCapacitor energy storage system based on the decoupling control of AC -side currents under d -q synchronous reference frame.The DC -DC converter for connecting UC with the voltage source converter is designed and the control strategy for compensating DC voltage variation by UC charge /discharge is realized.Sim