级联H桥SVG直流侧电压均衡控制策略_叶宗彬.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 2 期Vol42 No22023 年 2 月Feb 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 02 011级联 H 桥 SVG 直流侧电压均衡控制策略叶宗彬1，葛程科2，邓先明1(1 中国矿业大学 电气工程学院，江苏 徐州 221116;2 国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司，江苏 徐州 221000)摘要:传统的级联 H 桥静止无功补偿器相间电压均衡控制策略分析计算较为复杂，且需要调节 PI 参数，为此提出了一种无需参数调节的相间电压均衡控制策略。只需排序比较大小，通过查表法即可求出待注入的零序分量，简化了相间电压平衡算法;针对相内电压均衡控制策略，基于伏秒平衡控制原理提出了一种 H 桥模块作用时间直接修正法，与基于时间计算的载波水平移相调制策略相配合，即使在电压不平衡的暂态过程中也能够完全实现与上层控制的解耦，并且这种方法能够容易地扩展到级联度更高的 SVG 系统中。最后，通过在 Simulink 仿真平台与实验室条件下搭建的小功率实验平台验证了算法的有效性与可行性。关键词:级联 H 桥静止无功补偿器;三层电压均衡控制;载波水平移相调制策略中图分类号:TM 464文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)02 0052 05DC Side Voltage Balance Control Strategy of Cascaded H-Bridge SVGYE Zongbin1，GE Chengke2，DENG Xianming1(1 School of Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，China;2 Xuzhou Power Supply Branch，State Grid Jiangsu Electric Power Co，Ltd，Xuzhou 221000，Jiangsu，China)Abstract:In view of the complex analysis and calculation of the traditional cascaded H-bridge SVG interphase voltagebalance control strategy and its parameter adjustment，this paper proposes aninterphase voltage balance control strategythat does not need to adjust parameters The zero-sequence component to be injected can be obtained by the look-uptable method，which simplifies the interphase voltage balance algorithm For the interphase voltage balance controlstrategy，this paper proposes a direct correction method for the action time of the H-bridge module based on the volt-second balance control principle，which is combined with the time-based calculation CPS-PWM proposed in this paperThe decoupling from the upper-level control can be fully realized even in the transient process of voltage imbalance，which simplifies the innerphase voltage control，and this method can be more easily extended to the SVG system whichhas more H modules Finally，the validity and feasibility of the algorithm are verified by the low-power experimentalplatform built on the Simulink simulation platform and laboratory conditionsKey words:cascaded H-bridge staticvar generator(SVG);three-layer voltage balance control;phase-shifted PWM(CPS-PWM)收稿日期:2022-06-10基金项目:江苏省高等教育教改研究课题(2017JSJG127)作者简介:叶宗彬(1983 )，男，江西龙南人，博士，副教授，从事电力电子与电力传动方面的教学与科研工作。Tel:0516-83884395;E-mail:yezongbin163 com0引言近年来，随着电力系统容量的不断扩大以及风能等新能源所占比重的日益提高，为保证系统经济且稳定运行，对无功功率的快速有效补偿变得至关重要1-3。级 联 H 桥 静 止 无 功 发 生 器(Static VarGenerator，SVG)由于其具有易于扩展的模块化结构、第 2 期叶宗彬，等:级联 H 桥 SVG 直流侧电压均衡控制策略输出电压具有更多电平、允许使用低压半导体器件等优点4，在高压大功率无功补偿应用场合中得到了广泛的关注5-7。级联 H 桥 SVG 直流侧电压的均衡是其能够稳定可靠运行的前提，目前采用的相间均衡方法主要有负序电流注入8、零序电压注入9 以及负序与零序注入结合的方法10-11，虽然负序电流注入的均衡能力更强，但是其不利于电能质量的提升，在三相三线制系统中，零序电压的注入不会产生零序电流，因此，该方法得到了更多的应用12。文献 13 中采用的传统相间电压均衡控制策略分析计算较为复杂，并且需要参数的调节，其性能依赖于锁相环的精度。文献 14中采用的相内电压均衡控制策略虽然能够均衡相内电压，在稳态过程中满足伏秒平衡，但是在相内电压不均衡的暂态过程中并不满足伏秒平衡，未能实现相间与相内均衡控制的完全解耦。本文针对上述问题，采用一种新的无需参数调节的控制策略均衡相间电压，并基于伏秒平衡原理，对H 桥模块作用时间进行直接修正，实现相内电压的控制。在 Matlab/Simulink 平台搭建了仿真，通过仿真验证了所提策略的有效性，最后搭建了小功率的实验平台，验证了所提方法的可行性。1级联 H 桥 SVG 的工作原理星形级联 H 桥 SVG 具有系统响应快、谐波含量小、易于模块化设计等优势，其拓扑结构如图 1 所示。以 A 相为例，其中包含 N 个 H 桥模块，每个 H 桥模块都包含独立的电容，UdcAj为单个 H 桥模块的直流侧电压，其中，j=1，2，N;UdcA为 A 相直流侧电压之和，L为并网滤波电感，为等效电阻，包含滤波电感、线路和开关器件及其反并联二极管的有功损耗等参数，eA为 A 相电网电压，ia为 A 相网侧电流，ila为 A 相负载电 流，ica为SVG装置的A相补偿电流，uca为SVG装置图 1星形级联 H 桥 SVG 拓扑图的 A 相输出电压。定义 H 桥模块 P 状态对应输出电压为 Udc;N 状态对应输出电压为 Udc;O 状态对应输出电压为 0。由于三相结构相同，均由 H 全桥组成，因此分析其中一相，即可得到三相运行状态，一相等效电路图如图2 所示，Us为电网电压;Uc为 SVG 输出电压;L 为滤波电感;为等效电阻;I 为流入 SVG 的电流，通过控制 SVG 的输出电压，进一步控制 SVG 的电流，实现动态无功补偿的功能。图 2SVG 单相等效电路图实际工况下电流电压向量图如图 3 所示，需要对变换器与电网的有功交互进行控制，以维持变换器的正常运行，由于将内部损耗全部等效为外部电阻，变换器仍为理想的，输出电压与输出电流相位相差 90，将输出电流分解为与电网电压同相位和与电网电压垂直的两个分量，其中与电网电压同相位的电流分量为SVG 装置吸收的有功电流，与电网电压垂直的电流分量为 SVG 装置产生的无功电流，通过控制 SVG 装置输出电压的相位与幅值，进而控制电流的相位和大小，即可控制 SVG 装置吸收的有功功率与无功功率性质与大小。(a)容性工况(b)感性工况图 3实际工况下电流电压向量图2级联 H 桥 SVG 调制策略根据系统计算时间与载波的比较可以得到单个 H桥模块的不同工作状态，如表 1 所示。表 1基于时间计算的 CPS-PWM 单个 H 桥模块工作状态桥臂大小比较工作状态左桥臂Tc 载波 1S1=1，S2=0Tc 载波 1S1=0，S2=1右桥臂Tc 载波 2S3=0，S4=1Tc 载波 2S3=1，S4=0如图 4 所示，左右桥臂分别用以 y=Ts/4 为对称35第 42 卷轴互为对称的等腰直角三角形载波，周期为 Ts，峰值为 Ts/2，实线三角载波为载波 1，虚线三角载波为载波2，将三角载波与系统计算得到的时间 Tc相比，得到对应的开关状态，与传统的单极性 CPS-PWM 相比，由于时间是0 的变量，因此载波无负半周期。一相中包含的不同 H 桥模块需要用依次相差一定相位的载波，设第一个 H 桥模块载波相位为 1，第 i 个 H 桥模块的载波相位为 i=1+(i 1)/N。图 4基于时间计算的 CPS-PWM 一相 H 桥开关状态及开关指令由图 4 根据几何推算可知，一相 H 桥各个模块的P 状态或 N 状态作用时间相同，仅仅输出相位有差别，因此有:TX=TX1=TXN(1)根据伏秒平衡原理，在不考虑零序电压注入的情况下，有下式成立:uarefTs=sgn(uaref)UdcATAubrefTs=sgn(ubref)UdcBTBucrefTs=sgn(ucref)UdcCTC(2)式中:sgn 为符号函数，当调制波 uxref大于 0 时，TA、TB、TC分别表示各相 H 桥模块 P 状态的作用时间;当调制波 uxref小于 0 时，TA、TB、TC分别表示各相 H 桥模块 N状态的作用时间(x=a，b，c)。由图 4 进行几何推算，可得下式:4(0 5Ts Tcx)+TX=Ts，Tcx Ts/44Tcx+TX=TS，Tcx Ts/4(3)对式(3)进行求解可得作用于载波的时间 Tcx的统一表达式为:Tcx=Ts sgn(uxref)TX4(4)当作用于载波的时间 Tcx在 0，Ts/2 范围内时，系统处于线性工作区。当作用于载波的时间 Tcx 0 或者 Ts/2 时，系统工作在非线性区域，系统处于不受控制状态，因此需要对所求时间进行限幅，使 Tcx在 0 Ts/2 线性范围内:0 Tcx Ts/2(5)3级联 H 桥 SVG 直流侧电压均衡策略3.1直流侧电压全局控制策略通过控制 SVG 装置从电网吸收的总有功功率 P*来实现直流侧电压全局平衡，控制框图如图 5 所示。U*dc为一相 H 桥模块直流侧电压给定值;Udc_ave为三相直流侧电压平均值，控制器采用 PI 控制器来实现对直流量的跟踪。图 5直流侧电压全局控制策略3.2直流侧电压相间均衡控制策略图 6 为 H 桥子模块的充放电路径图，为了简便分析，以每相只有一个 H 桥模块为例分析相间电容电压平衡控制策略。定义电流经左桥臂流入 H 桥为正方向，在图 6(a)中，当电流为正方向且输出 P 状态时，电容处于充电状态，电