基于鏈?zhǔn)紿橋的SVG在三相電壓不平衡時(shí)的直流側(cè)電壓控制策略研究

李麗萍

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基于鏈?zhǔn)紿橋的SVG在三相電壓不平衡時(shí)的直流側(cè)電壓控制策略研究

李麗萍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 計(jì)算中心，遼寧 錦州 121001）

為解決基于鏈?zhǔn)紿橋的SVG在三相電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)的直流側(cè)均壓控制的問(wèn)題，在分析了鏈?zhǔn)紿橋SVG的功率模型中出現(xiàn)直流側(cè)電壓不均衡原因的基礎(chǔ)上，提出了采用三層控制結(jié)構(gòu)對(duì)基于鏈?zhǔn)紿橋的SVG星型接法直流側(cè)電壓進(jìn)行分層穩(wěn)壓、均壓控制。首先對(duì)總有功進(jìn)行控制，采用正序和負(fù)序解耦的控制方法；其次是在三相交流電壓相間不平衡時(shí)采用零序電壓注入法進(jìn)行均壓控制；最后對(duì)三相中每一個(gè)單相內(nèi)各個(gè)模塊間采用有功、無(wú)功電流注入法以實(shí)現(xiàn)模塊間均壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接入電網(wǎng)在三相電壓出現(xiàn)一定程度的不平衡時(shí)，運(yùn)用三層分級(jí)控制策略能使鏈?zhǔn)紿橋SVG星型接法的直流側(cè)電壓能夠保持相對(duì)穩(wěn)定和均衡。

三相不平衡；鏈?zhǔn)紿橋；SVG； 直流側(cè)電壓

目前，靜止無(wú)功發(fā)生器SVG因?yàn)橄噍^于以往的無(wú)功發(fā)生裝置具有無(wú)功補(bǔ)償快和諧波含量低等特點(diǎn)，已經(jīng)在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)亦隨之不斷發(fā)展壯大，接入電力系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量及類型也在不斷擴(kuò)大，尤其是各種沖擊性和非線性負(fù)荷的大量接入，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響越來(lái)越大，對(duì)改善、提高電能質(zhì)量有著更高的要求[1-3]。近年來(lái)在瞬時(shí)無(wú)功補(bǔ)償以及諧波治理方面，有采取從低電壓等級(jí)到高電壓等級(jí)各級(jí)同向發(fā)展的趨勢(shì)?；阪?zhǔn)紿橋SVG在高電壓等級(jí)已實(shí)現(xiàn)整體統(tǒng)一控制、多個(gè)逆變單元獨(dú)立運(yùn)行，非常適合采用直掛或變壓器接入等方式。

文獻(xiàn)[1]分析了在實(shí)踐中三角形接法和星形接法的優(yōu)缺點(diǎn)，在三角形接法中SVG鏈?zhǔn)紿橋逆變單元需要承擔(dān)的是系統(tǒng)的線電壓，由于每個(gè)逆變單元所能承受的電壓是有限的，只能通過(guò)增加單相的鏈節(jié)數(shù)來(lái)支撐系統(tǒng)的線電壓，由于鏈節(jié)數(shù)的增加導(dǎo)致整體控制復(fù)雜度也會(huì)相應(yīng)增加；星形接法的單相鏈只需承擔(dān)系統(tǒng)的相電壓，會(huì)大大減少單相鏈的鏈節(jié)數(shù)。

文獻(xiàn)[2]提出解決級(jí)聯(lián)H橋逆變單元直流電壓不均衡的采用模塊化的平均功率法，通過(guò)有功控制方法解決逆變單元無(wú)功功率和直流電壓的平衡。文獻(xiàn)[3]主要討論的是級(jí)聯(lián)SVG的全功率均衡控制以及單相橋間的直流側(cè)電壓的平衡控制，但這些都未能把SVG在電網(wǎng)三相不平衡時(shí)的情況考慮在內(nèi)。文獻(xiàn)[4]分析并解決級(jí)聯(lián)H橋直流鏈紋波電流大的問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]給出了基于星形接法的級(jí)聯(lián)H橋SVG的直流側(cè)電壓的控制方法，特別強(qiáng)調(diào)是在考慮到電網(wǎng)不平衡時(shí)所采用的方法，但主要采用dq算法，由于dq算法相比直接電流法具有一定的時(shí)間滯后性，所以在電網(wǎng)三相不平衡時(shí)直流側(cè)電壓也會(huì)引起波動(dòng)。

在電網(wǎng)三相不平衡時(shí)對(duì)接入鏈?zhǔn)紿橋高壓SVG影響主要體現(xiàn)在以下2方面：一是鏈?zhǔn)紿橋各逆變單元直流側(cè)電容電壓存在波動(dòng)時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)逆變輸出產(chǎn)生次諧波電壓這樣會(huì)對(duì)接入電網(wǎng)產(chǎn)生二次污染；二是星型接法換流鏈會(huì)有較大的負(fù)序電流流過(guò)，影響到裝置本身的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成SVG裝置停機(jī)或大功率器件的損壞。采用三角形接法會(huì)很好地解決鏈?zhǔn)紿橋高壓SVG在電網(wǎng)三相不平衡時(shí)對(duì)自身的影響，但在實(shí)際應(yīng)用中出于經(jīng)濟(jì)方面和控制復(fù)雜度方面的考慮，很少有針對(duì)電網(wǎng)三相電壓不平衡下的三角形接法鏈?zhǔn)紿橋高壓SVG的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)增加硬件成本來(lái)?yè)Q取直流母線間平衡的能量交換。

通過(guò)分析星形接法的鏈?zhǔn)紿橋SVG的結(jié)構(gòu)模型提出了解決SVG逆變單元直流側(cè)電壓不平衡的問(wèn)題，首先采用正序和負(fù)序解耦的控制方法對(duì)總有功輸入進(jìn)行控制；其次是用零序電壓注入法進(jìn)行相間均壓控制；最后對(duì)單相內(nèi)的每個(gè)逆變單元分別采用有功、無(wú)功電流注入法以實(shí)現(xiàn)模塊間均壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在接入電網(wǎng)出現(xiàn)一定程度的三相電壓不平衡時(shí)，運(yùn)用三層分級(jí)控制策略能使鏈?zhǔn)紿橋SVG星型接法的直流側(cè)電壓保持相對(duì)穩(wěn)定和均衡，也就是說(shuō)接入電網(wǎng)在三相電壓不平衡時(shí)的一定范圍內(nèi)也能夠保持SVG對(duì)于電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償能力。

1 鏈?zhǔn)紿橋SVG結(jié)構(gòu)模型

星形接法的鏈?zhǔn)紿橋SVG主回路采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它接入電網(wǎng)的方法是通過(guò)三相連接電抗器，三相中的每一相構(gòu)成均由個(gè)逆變H橋單元經(jīng)過(guò)串聯(lián)組成一種鏈?zhǔn)诫娐方Y(jié)構(gòu)，每個(gè)H橋逆變單元直流側(cè)電容組相對(duì)獨(dú)立，總輸出電壓為個(gè)H橋逆變單元輸出電壓之和。

在電網(wǎng)出現(xiàn)三相電壓不平衡時(shí)，通常用到的方法是逆變器輸出與網(wǎng)側(cè)同序的負(fù)序電壓。由于是采用星型接法，當(dāng)向系統(tǒng)內(nèi)注入足夠的零序電壓后，系統(tǒng)輸出就只包含正序電流，而不含有負(fù)序電流和零序電流：

式中：U為分離出的電網(wǎng)正序電壓有效值；0、0分別為分離出的電網(wǎng)零序電壓有效值和初始相角；U、θ分別為分離出的電網(wǎng)負(fù)序電壓有效值和初始相角。

根據(jù)式(1)和式(2)能夠得出各相的有功功率為：

其中：

2 直流側(cè)電壓不均衡的原因

大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，逆變單元直流側(cè)電壓過(guò)低可以導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償以及諧波治理的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不到位，甚至加大對(duì)電網(wǎng)的二次污染。局限于大功率開關(guān)器件耐壓值的限制，超過(guò)這個(gè)限制，會(huì)造成逆變單元停止工作或?qū)е麓蠊β书_關(guān)器件損毀。

三相不平衡時(shí)，在相間負(fù)序電壓對(duì)正序電流的作用比較明顯，會(huì)造成有功功率在三相H橋組串中的失衡，各H橋組串間直流側(cè)電壓的不平衡，威脅到設(shè)備的安全運(yùn)行。

H橋逆變單元中相關(guān)器件損耗是導(dǎo)致直流側(cè)電壓不均衡的主要因素，這里面包括大功率器件開關(guān)損耗和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)損耗，還有吸收回路損耗和電容器自身的損耗。

直流側(cè)電容電壓不平衡的主要原因是并聯(lián)損耗以及脈沖信號(hào)延時(shí)造成的系統(tǒng)自身?yè)p耗與流入系統(tǒng)能量的不同，而與裝置本身電容量大小以及電壓和電流的諧波分量沒(méi)有關(guān)系[3]。

3 直流側(cè)電壓控制策略

對(duì)整體穩(wěn)壓的控制。在三相電壓不平衡時(shí)，除采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)方法外，采用瞬時(shí)功率理論來(lái)保證整個(gè)鏈?zhǔn)紿橋SVG系統(tǒng)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

圖1 總直流電壓控制框圖

其中：

式中：dcref為目標(biāo)直流電壓。

運(yùn)用PI調(diào)節(jié)控制時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況取得適合的比例系數(shù)與比例積分以及微分系數(shù)，使鏈?zhǔn)紿橋SVG逆變單元直流側(cè)和交流側(cè)總有功功率能夠達(dá)到相對(duì)的平衡。

通過(guò)有功電流和無(wú)功電流的注入來(lái)控制相內(nèi)各逆變單元間電壓的不平衡。在鏈?zhǔn)紿橋逆變單元輸出電壓矢量上疊加一個(gè)矢量來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)逆變單元的瞬時(shí)有功功率，從而調(diào)整逆變單元直流側(cè)電容電壓。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)方法采用搭建鏈?zhǔn)紿橋SVG所需必要的控制柜、功率柜和充電柜，掛接到8 mH層迭式室外型干式連接電抗器。并通過(guò)連接變壓器接入電壓35 kV、頻率為50 Hz的電網(wǎng)，SVG側(cè)電壓為10 kV。

鏈?zhǔn)紿橋SVG由主控制系統(tǒng)和36個(gè)獨(dú)立H橋逆變單元（每相12個(gè)）組成。其中主控制系統(tǒng)與各H橋逆變單元間使用千兆光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主控制系統(tǒng)采用TMS320F2812PGFA芯片，鏈?zhǔn)紿橋逆變單元?jiǎng)t使用TMS320F2809芯片。H橋逆變單元的大功率開關(guān)管選用英飛凌的產(chǎn)品，型號(hào)為FF600R17ME4，額定電流為450 A，額定電壓達(dá)到1 700 V。

鏈?zhǔn)紿橋逆變單元直流側(cè)支撐電容容量可達(dá)到3 760 μF，由8只1 200 V、470 μF的電容并聯(lián)而成。直流側(cè)電壓參考值為850 V。

具體實(shí)驗(yàn)步驟是：①由主控制系統(tǒng)向各逆變單元發(fā)送調(diào)制比和相角等控制信息；②向H橋逆變單元發(fā)送含有零序電壓的控制信息；③H橋逆變單元將自我調(diào)節(jié)成分融入到主控制信息。

具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為網(wǎng)側(cè)線電壓分別為10.96、11.07、9.55 kV，單相電壓平均值依次為861.7、865.1、871.5 kV，從中可以看出，雖然在網(wǎng)側(cè)電壓已經(jīng)出現(xiàn)了三相不平衡，但H橋逆變單元直流側(cè)電壓均值繼續(xù)保持平衡狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析了鏈?zhǔn)紿橋SVG的功率模型中出現(xiàn)直流側(cè)電壓不均衡原因的基礎(chǔ)上，提出了采用3層控制結(jié)構(gòu)對(duì)基于鏈?zhǔn)紿橋的SVG星型接法直流側(cè)電壓進(jìn)行分層穩(wěn)壓、均壓控制。首先對(duì)總有功進(jìn)行控制，采用正序和負(fù)序解耦的控制方法；其次是在三相交流電壓相間不平衡時(shí)采用零序電壓注入法進(jìn)行均壓控制；最后對(duì)三相中每一個(gè)單相內(nèi)各個(gè)模塊間采用有功、無(wú)功電流注入法以實(shí)現(xiàn)模塊間均壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接入電網(wǎng)在三相電壓出現(xiàn)一定程度的不平衡時(shí)，運(yùn)用三層分級(jí)控制策略能使鏈?zhǔn)紿橋SVG星型接法的直流側(cè)電壓保持相對(duì)穩(wěn)定和均衡，也就是說(shuō)接入電網(wǎng)在三相電壓不平衡時(shí)的一定范圍內(nèi)也能夠保持SVG對(duì)于電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電網(wǎng)三相不平衡時(shí)采用這種控制策略能夠很好地實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)紿橋SVG逆變單元直流側(cè)電壓的平衡，確保裝置能夠正常工作。

[1] 季振東, 孫毅超, 李東野, 等. 星形和三角形連接的鏈?zhǔn)紿橋STATCOM不平衡補(bǔ)償分析[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(7): 2435-2444.

[2] Chou Shih-Feng, Wang Bo-Siang, Chen Sheng-Wan, et al. Average power balancing control of a STATCOM based on the cascaded H-bridge PWM converter with star configuration[J]．IEEE Power Electronics, 2013, 50(6): 3893-3901.

[3] 李玲玲, 魯修學(xué), 吉海濤, 等. 級(jí)聯(lián)H橋型SVG直流側(cè)電壓平衡控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(9): 1-7.

[4] 丁明, 陳中, 張國(guó)榮, 等. 級(jí)聯(lián)H橋儲(chǔ)能變換器直流紋波電流的無(wú)源與有源抑制策略[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2016, 36(4): 19-24, 61.

[5] 朱成婷, 張國(guó)榮. 電網(wǎng)不平衡時(shí)級(jí)聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓控制策略研究[J]. 電器與能效管理技術(shù), 2016(1): 62-67.

[6] 劉云峰, 何英杰, 尹仕奇, 等. 基于空間矢量調(diào)制的星形級(jí)聯(lián)H橋SVG直流側(cè)電壓控制方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(5): 23-32.

責(zé)任編校：孫 林

Research on DC Side Voltage Control Strategy Based on Cascade H-bridge SVG under the Condition of Unbalanced Three-phase Voltage

LI Li-ping

（Computer Center, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

In order to solve the problem of DC side voltage control based on cascade H-bridge SVG under the condition of unbalanced three-phase power grid voltage, three-layer control structure is adopted to perform the layered stabilivolt and the control of voltage sharing on the DC side voltage of SVG star connection of cascade H-bridge based on the analysis of the imbalanced reason of DC side voltage occurred in the power model cascade H-bridge SVG. Firstly, the total active power is controlled by using of the positive sequence and negative sequence decoupling control method; Then, the injection method of zero sequence voltage is adopted to conduct the control of voltage sharing under the condition of the unbalanced three-phase AC voltage; Finally, aiming at various modules within every single phase of three phase, the active and reactive current injection methods are adopted to realize voltage sharing between modules. Experimental results show that access to power grid using three-layer hierarchical control strategy can make the DC side voltage of SVG star connection of cascade H-bridge relatively stable and balanced under the condition of unbalanced three-phasevoltage.

three-phase unbalance; cascade H-bridge; SVG; DC side voltage

10.15916/j.issn1674-3261.2017.06.003

TM464

A

1674-3261(2017)06-0358-04

2017-05-08

李麗萍(1966-)，女(滿族)，遼寧凌海人，副教授。