鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器直流側(cè)電壓穩(wěn)定性分析_圖文

1、：鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器直流側(cè)電壓穩(wěn)定性分析熊橋坡，羅安，王曉，黎小聰，馬伏軍，肖華根（國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心，湖南大學(xué)，湖南省長沙市；湖南省電力公司檢修公司，湖南省長沙市）摘要：鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器（）直流側(cè)電容電壓存在二倍頻波動(dòng)，電壓檢測時(shí)常采用濾波電路對直流側(cè)電壓信號進(jìn)行調(diào)理。文中重點(diǎn)研究了濾波環(huán)節(jié)對鏈?zhǔn)街绷鱾?cè)電容電壓穩(wěn)定性的影響。根據(jù)能量平衡的思想對鏈?zhǔn)街绷鱾?cè)電壓控制進(jìn)行了建模，建立包含濾波環(huán)節(jié)的系統(tǒng)閉環(huán)模型，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)大于濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)是系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件。搭建了電平樣機(jī)，在和電壓下分別進(jìn)行了并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文中穩(wěn)定性分析的正確性。關(guān)鍵詞

2、：級聯(lián)型多電平逆變器；靜止無功發(fā)生器；直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制；穩(wěn)定性分析；根軌跡法收稿日期：；修回日期：。國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（計(jì)劃）資助項(xiàng)目（）。引言鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器（）采用橋級聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有模塊化、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，在中、高壓無功補(bǔ)償領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鏈?zhǔn)街绷鱾?cè)一般采用直流電容起電壓支撐作用，維持電容電壓穩(wěn)定是裝置正常工作的前提條件。鏈?zhǔn)街绷鱾?cè)電壓控制原理與脈寬調(diào)制（）整流器和有源濾波器（）相似，檢測各級聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓，采用負(fù)反饋的方式控制裝置與電網(wǎng)的有功功率交換以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定；控制環(huán)節(jié)普遍采用簡單而有效的比例積分（）調(diào)節(jié)器。文獻(xiàn)根據(jù)能量平衡的

3、思想將電壓環(huán)等效為積分環(huán)節(jié)，并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和控制參數(shù)設(shè)計(jì)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該控制模型的有效性。與整流器和不同的是，鏈?zhǔn)經(jīng)]有公共的直流側(cè)，各相鏈節(jié)與電網(wǎng)進(jìn)行無功交換，將導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓出現(xiàn)二倍頻波動(dòng)。直流側(cè)電壓二倍頻波動(dòng)可經(jīng)反饋通道引入控制回路，并在并網(wǎng)電流中產(chǎn)生三次諧波。為抑制直流側(cè)電容電壓二倍頻波動(dòng)的影響，在直流側(cè)電壓檢測時(shí)常采用濾波電路對直流側(cè)電壓信號進(jìn)行調(diào)理。本文重點(diǎn)研究了濾波環(huán)節(jié)對鏈?zhǔn)街绷鱾?cè)電容電壓穩(wěn)定性的影響。根據(jù)能量平衡的思想建立包含濾波環(huán)節(jié)的系統(tǒng)閉環(huán)模型。利用勞思赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可得調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)大于濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)是系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件。同時(shí)，運(yùn)用根

4、軌跡法分析了調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)對系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的影響。鏈?zhǔn)焦ぷ髟砑澳芰科胶饽Ｐ蛦蜗噫準(zhǔn)较到y(tǒng)框圖如圖所示，主電路采用單相全橋結(jié)構(gòu)作為級聯(lián)單元，級聯(lián)單元在交流端直接串聯(lián)，再經(jīng)連接電抗器（電抗值為）與電網(wǎng)相連。直流側(cè)采用直流電容起電壓支撐作用，各級聯(lián)單元直流側(cè)電容相互獨(dú)立，且處于高電位 。圖單相鏈?zhǔn)较到y(tǒng)框圖第卷第期年月 日，維持各級聯(lián)單元直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定是裝置正常工作的前提條件。本文所研究的鏈?zhǔn)诫妷和猸h(huán)采用控制，根據(jù)直流側(cè)總電壓與設(shè)定值的誤差，生成有功指令電流有效值：（）（）（）乘以與電網(wǎng)電壓同步的正弦信號，得到有功指令電流的瞬時(shí)值，再與無功指令電流疊加，生成指令電流。電流內(nèi)環(huán)采用無差拍

5、跟蹤控制生成調(diào)制信號。此外，為抑制級聯(lián)單元直流側(cè)電壓的不平衡現(xiàn)象，采用文獻(xiàn)中所述的平衡控制策略，根據(jù)各級聯(lián)單元的直流側(cè)電壓實(shí)際值與平均值之間的差異，微調(diào)各級聯(lián)單元的調(diào)制信號：（）（）式中：為平衡控制比例系數(shù)。將各級聯(lián)單元的調(diào)制信號與移相的三角形載波比較，生成多路信號，隔離驅(qū)動(dòng)主電路中相應(yīng)的開關(guān)器件。根據(jù)能量平衡的思想，直流側(cè)和交流側(cè)瞬時(shí)功率平衡，可以得到下面的瞬時(shí)功率平衡方程：（）（）（）（）（）式中：（）和（）分別為電網(wǎng)電壓和電流的瞬時(shí)值；為各級聯(lián)單元直流側(cè)電容；（）為各級聯(lián)單元直流側(cè)電壓的瞬時(shí)值；為級聯(lián)單元數(shù)。只有基波有功電流分量才影響到直流側(cè)電壓升降，因此，可忽略無功補(bǔ)償電流和連接電感對

6、直流側(cè)電壓的影響；同時(shí)假設(shè)各級聯(lián)單元具有良好的一致性，直流側(cè)電壓及其變化完全相同?；ㄓ泄﹄娏鲗χ绷鱾?cè)電容電壓的影響見下式：（）（）（）式中：為電網(wǎng)電壓有效值；（）為各級聯(lián)單元直流側(cè)電壓之和。式（）為典型的非線性微分方程，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近采用小信號分析對其進(jìn)行線性化處理。當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流側(cè)電壓達(dá)到設(shè)定值，則（），（），。加入小信號擾動(dòng)后可得：（）（）進(jìn)行拉氏變換可得到開環(huán)傳遞函數(shù)：（）（）（）（）電壓環(huán)穩(wěn)定性分析控制閉環(huán)模型電壓環(huán)采用調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：（）（）由于與電網(wǎng)間的無功功率交換，直流側(cè)電壓存在的紋波。在進(jìn)行直流側(cè)電壓檢測時(shí)，常采用一階濾波電路進(jìn)行信號調(diào)理，反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：

7、（）（）式中：和分別為濾波電阻和電容；為濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。直流側(cè)電壓控制閉環(huán)框圖如圖所示 。圖直流側(cè)電壓閉環(huán)控制框圖可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（）（）（）（）（）（）（）將式（）至式（）代入式（），整理得：（）（）（）勞思赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)考慮濾波環(huán)節(jié)時(shí)，鏈?zhǔn)街绷鱾?cè)電壓控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的三階系統(tǒng)，系統(tǒng)特征方程為：（）根據(jù)勞思赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)，對于三階系統(tǒng)，其穩(wěn)定的充分必要條件為：特征方程系數(shù)全部為正且，即（）求得系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件為：，即調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)大于濾波環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)。根軌跡分析搭建有電平鏈?zhǔn)綄?shí)驗(yàn)樣機(jī)，濾波電路，（ ）時(shí)間常數(shù)為，其主要參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓有效值、級聯(lián)數(shù)、并網(wǎng)電抗

8、、直流電壓給定值、直流側(cè)電容、開關(guān)頻率、無功指令電流峰值、濾波電阻參數(shù)、濾波電容參數(shù)。將電路參數(shù)代入式（）可得樣機(jī)電壓控制閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（）（）（）積分時(shí)間常數(shù)分別?。ǎ?、（）、（）、（），比例系數(shù)由變化至?xí)r，系統(tǒng)的根軌跡如圖所示 。圖鏈?zhǔn)较到y(tǒng)根軌跡圖系統(tǒng)含有個(gè)特征根：一對共軛的復(fù)數(shù)根，以及一個(gè)位于實(shí)軸的負(fù)根。當(dāng)（）時(shí)，共軛的復(fù)數(shù)根位于右半平面，系統(tǒng)不穩(wěn)定；隨著的增大，位于實(shí)軸的負(fù)根從處向遠(yuǎn)離虛軸的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)（）時(shí)，共軛的復(fù)數(shù)根位于虛軸上，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定；隨著增大，共軛的復(fù)數(shù)根從原點(diǎn)附近出發(fā)向遠(yuǎn)離實(shí)軸的方向運(yùn)動(dòng)，位于實(shí)軸的負(fù)根靜止在處。當(dāng)（）時(shí)，共軛的復(fù)數(shù)根位于左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定；隨著增大，

9、共軛的復(fù)數(shù)根從原點(diǎn)附近出發(fā)向遠(yuǎn)離虛軸方向運(yùn)動(dòng)，最終穩(wěn)定在附近，位于實(shí)軸的負(fù)根從處向接近虛軸的方向運(yùn)動(dòng)，最終穩(wěn)定在附近。當(dāng)（）時(shí)，共軛的復(fù)數(shù)根位于左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定；隨著增大，共軛的復(fù)數(shù)根從原點(diǎn)附近出發(fā)向遠(yuǎn)離虛軸的方向運(yùn)動(dòng)，最終穩(wěn)定在附近，位于實(shí)軸的負(fù)根從處向接近虛軸的方向運(yùn)動(dòng)，最終穩(wěn)定在附近。總之，隨著的增大，共軛復(fù)數(shù)根向左運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。時(shí)，系統(tǒng)的個(gè)特征根都位于左半平面，系統(tǒng)穩(wěn)定，且隨著的增大，共軛的復(fù)數(shù)根遠(yuǎn)離虛軸，位于實(shí)軸的負(fù)根靠近虛軸。特別是當(dāng)時(shí)，隨著的增大，位于實(shí)軸的負(fù)根逐漸成為主導(dǎo)極點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證搭建有電平樣機(jī)，主電路結(jié)構(gòu)見圖。共有個(gè)級聯(lián)單元，開關(guān)器件采用英飛凌兩

10、單元絕緣柵雙極型晶體管（）模塊，采用公司配套驅(qū)動(dòng)板，附錄圖（）為級聯(lián)單元及光電接口板。附錄圖（）為控制板，采用數(shù)字信號處理器（）芯片作為主控單元，負(fù)責(zé)信號采集、直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制、電流跟蹤控制、直流側(cè)電壓平衡控制以及裝置啟動(dòng)和保護(hù)；采用現(xiàn)場可編程門陣列（）芯片作為發(fā)生器，完成載波移相調(diào)制。附錄圖（）為電壓檢測光電接收板，采用基于的壓頻轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行直流側(cè)電壓的檢測；采用光電轉(zhuǎn)換器及多模光纖跳線組成光通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)主電路與控制回路間的隔離驅(qū)動(dòng)和信號檢測。在電壓環(huán)境下，進(jìn)行低壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)同節(jié)根軌跡分析時(shí)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)設(shè)定。設(shè)置無功指令電流峰值為，進(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。圖（）為并網(wǎng)過程級聯(lián)單元直流側(cè)電壓波

11、形。并網(wǎng)過程分為以下幾個(gè)階段：首先，經(jīng)不可控整流直流側(cè)總電壓上升至，各級聯(lián)單元直流側(cè)電壓上升至左右；然后，解除封鎖，直流側(cè)電壓從過渡到給定值，各級聯(lián)單元直流側(cè)電壓上升至左右；最后，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在，穩(wěn)定工作。圖（）為穩(wěn)態(tài)時(shí)電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形，從圖中可以看出，電流波形良好，滯后電網(wǎng)電壓°，峰值為，與指令電流一致。從代碼調(diào)試器中導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)時(shí)采集到的直流側(cè)電壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示：各級聯(lián)單元直流側(cè)電壓維持在左右，基本平衡。為驗(yàn)證本文穩(wěn)定性分析的正確性，直流電壓調(diào)節(jié)器中的積分時(shí)間常數(shù)分別取，進(jìn)行了并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，其并網(wǎng)過程直流側(cè)電壓波形分別見圖（）、圖（）、圖（）。當(dāng)（）時(shí)，解除封鎖后，經(jīng)歷左右的振蕩

12、發(fā)散過程，保護(hù)電路動(dòng)作，將切除；而當(dāng)時(shí)，直流側(cè)電壓經(jīng)過渡過程，最終能夠穩(wěn)定在設(shè)定值。·電力電子技術(shù)應(yīng)用專題·熊橋坡，等鏈?zhǔn)届o止無功發(fā)生器直流側(cè)電壓穩(wěn)定性分析 圖時(shí)的低壓實(shí)驗(yàn)波形 圖變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響經(jīng)的升壓變壓器獲得電壓，進(jìn)行高壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：，。時(shí)，設(shè)置無功指令電流有效值為，進(jìn)行并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)順利啟動(dòng)，且可穩(wěn)定運(yùn)行。圖為穩(wěn)態(tài)時(shí)電能質(zhì)量測試儀測得的低壓側(cè)電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形，并網(wǎng)電流滯后電壓°，有效值為，折算到高壓側(cè)為，與高壓側(cè)指令值接近。從代碼調(diào)試器中導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)時(shí)采集到的直流側(cè)電壓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示：各級聯(lián)單元直流側(cè)電壓維持在左右，基本平衡；直流側(cè)總電壓維

13、持在附近，穩(wěn)定在設(shè)定值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電壓環(huán)境下，時(shí)，裝置直流側(cè)電壓可維持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)無功功率的輸出 。圖時(shí)的高壓實(shí)驗(yàn)波形結(jié)語本文以鏈?zhǔn)綖檠芯繉ο?，根?jù)能量平衡的思想對單相鏈?zhǔn)街绷鱾?cè)電壓控制進(jìn)行了建模。考慮電壓檢測中濾波環(huán)節(jié)的影響，建立基于調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)閉環(huán)模型。利用勞思赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并運(yùn)用根軌跡法分析了調(diào)節(jié)器比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)對系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)的影響，為鏈?zhǔn)街绷麟妷赫{(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)提供了參考。附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（：）。參考文獻(xiàn)，（）：，（）：（），（）：李建林，趙棟利，趙斌，等載波相移級聯(lián)型變流器及其在有源電力濾波器中的應(yīng)用中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，（）：，（）：，（）：，（ ）許湘蓮基于

14、級聯(lián)多電平逆變器的及其控制策略研究武漢：華中科技大學(xué)，張茂松，查曉明，孫建軍，等鏈?zhǔn)降臒o源性控制中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，（）：，（）：劉釗，劉邦銀，段善旭，等系統(tǒng)電壓不平衡下鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器控制研究中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，（）：，（）：王立峰，鄭建勇，梅軍，等有源濾波裝置直流側(cè)電壓控制瞬時(shí)能量平衡建模電工技術(shù)學(xué)報(bào)，（）：，（）：聶子玲，張波濤，孫馳，等直流側(cè)電容電壓的二次諧波計(jì)算電工技術(shù)學(xué)報(bào)，（）：，（）：孫海單相三次諧波電流產(chǎn)生及抑制研究電力電容器與無功補(bǔ)償，（）：，（）：耿俊成，劉文華，袁志昌鏈?zhǔn)诫娙蓦妷翰黄胶猬F(xiàn)象研究：（一）仿真和試驗(yàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化，（）：，：，（）：耿俊成，劉文華，袁志昌鏈?zhǔn)诫娙蓦妷翰黄胶猬F(xiàn)象研究：（二）數(shù)學(xué)模型電力系統(tǒng)自動(dòng)化，（）：，：，（）：劉釗風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中鏈?zhǔn)疥P(guān)鍵技術(shù)武漢：華中科技大學(xué)