电网与清洁能源

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系讪阎
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1 Smart Grid 第 34 卷第 1 期 2018 年 1 月电网与清洁能源 Power System and Clean Energy Vol.34 No.1 Jan 文章编号 : (2018) 中图分类号 :TM743 文献标志码 :A 用于三相级联 STATCOM 的电压前馈空间矢量调制策略余恒洁 1, 翟少磊 2, 陈江洪 3, 曹敏 2, 朱梦梦 2, 柳慧梅 4 4, 熊兰 (1. 云南电网有限责任公司, 云南昆明 ;2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院, 云南昆明 ;3. 武汉磐电科技有限公司, 湖北武汉 ;4. 湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心, 湖北武汉 ) Voltage Feedforward Space Vector Modulation Strategy for Three-Phase Cascaded STATCOM YU Hengjie 1,ZHAI Shaolei 2,CHEN Jianghong 3,CAO Min 2,ZHU Mengmeng 2,LIU Huimei 4,XIONG Lan 4 (1. Yunnan Power Grid Co.,Ltd.,Kunming ,Yunnan,China;2.Electric Power Research Institute of Yunnan Power Grid Co., Ltd.,Kunming ,Yunnan,China;3.Wuhan Pan Electric Technology Co.,Ltd.,Wuhan ,Hubei,China;4.Hubei Collaborative Innovation Center for High-Efficiency Utilization of Solar Energy,Hubei University of Technology,Wuhan , Hubei,China) ABSTRACT:To solve the problem of DC voltage imbalance of H-bridge cascaded STATCOM,a space vector modulation strat egy for three- phase cascaded STATCOM based on DC voltage feedforward is proposed in this paper. This modulation strategy proposed selects switching vector combinations according to the cell DC voltages and the direction of the output current to synthe sis the required output voltage. This method not only obtains high quality output wave forms,but also automatically suppress es the DC voltage imbalance,thus reduces the complexity of the controller algorithm. Finally,the simulation results verify the feasibility of the proposed strategy. KEY WORDS:cascaded STATCOM;space vector modulation; voltage feedforward 摘要 : 针对 H 桥级联型 STATCOM 的直流电压平衡控制的问题, 提出了一种适用于三相级联型 STATCOM 的基于直流电压前馈的空间矢量调制策略该调制方法在输出电压矢量合成中根据各单元直流电压和输出电流的方向调整开关矢量组合既能实现高质量的波形输出, 又能自动抑制级联基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ); 太阳能高效利用湖北省协同创新中心开放基金资助项目 (HBSKFMS ) Project Supported by the National Nature Science Foundation of China( );the Open Fund of Hubei Collaborative Innovation Center for High- efficiency Utilization of Solar Energy (HBSK FMS ). 单元的直流电压不平衡, 降低了控制器的算法复杂度 ; 最后通过仿真验证了该策略的可行性关键词 : 级联 STATCOM; 空间矢量调制 ; 电压前馈在电力系统无功补偿装置中, 级联型静止同步补偿器 (STATCOM) 由于其具有快速动态响应的特性, 因而相比晶闸管投切电容器有较强的优势从结构上看, 级联型 STATCOM 用低压的单元直接合成高压输出, 可以满足高压大容量无功补偿的需求, 但是其工作原理要求相间以及每相内各单元的直流侧电容电压保持平衡稳定解决这个问题的平衡控 [1-5] 制算法已经有很多研究成果, 但是基本都是在控制器设计中加入相间平衡以及单相内平衡控制的两级直流电压平衡控制算法, 其实质是在无功控制的基础上叠加有功控制这样的做法可以抑制直流电压的不平衡, 但是也使得控制器算法更加复杂, 并且多重控制目标之间容易产生冲突 H 桥级联型 STATCOM 常常采用基于载波的调制方法, 包括载波移相调制法 (PS-PWM) 载波移幅调制法 (LS-PWM) [6-8] 以及多电平空间矢量调制法 (SVM) [9], 但是它们都以直流电压平衡为假设条件在单元直流电压不平衡的条件下,STATCOM 的输

2 Smart Grid 第 34 卷第 1 期电网与清洁能源 79 出波形质量下降, 不能达到理想状态已有研究提出在级联型逆变器中直流电压不平衡的条件下采 [10] 取调制比修正的方法得到高质量输出波形的方法, 但是这并不能抑制直流电压的不平衡基于直流电压前馈的空间电压矢量调制方法 (FFSVM) [11-12], 可以在单相 H 桥级联结构中解决直流电压不平衡情况下的输出波形调制问题, 同时自动抑制直流电压不平衡本文将这种调制方法从两单元级联向多单元级联推广并应用于 STATCOM 的方法, 模拟了单元不平衡的条件, 仿真验证了这种方法应用于三相多单元级联的可行性和有效性 1 两单元的电压前馈空间矢量调制单相两单元级联 STATCOM 的结构图如图 1 所示, 两单元直流电压分别为 U dc1 U dc2 由于单个单元可以输出 3 个电平, 因而两单元输出的电平包括 0 ±U dc1 ±U dc2 ±(U dc1+u dc2) 以及 ±(U dc1-u dc2) 以这些输出电平的取值为节点, 可将单相总输出电压的取值范围划分为若干区间表 1 给出了总输出电压大于零时, 根据 U dc1 U dc2 的四种数值比较关系得出的各划分节点, 即输出电平取值 P i(i=1,2,3,4), 输出电压小于零的情形依此类推表 1 Tab. 1 单元直流电压比例 <2 2 <<2 2 t 1=(M-P 2)/(P 3-P 2) (2) t 2=(P 3-M)/(P 3-P 2) (3) 两单元不同直流电压关系情况下划分节点 Partition nodes under different relations of the two cells DC voltages 节点 P1 - - 节点 P2 - - 节点 P3 节点 P 图 2 被节点划分的两单元的输出区间 Fig. 2 Partition of the two-cell output voltage range 这种调制方法本质上是依据各单元的实际直流电压瞬时值来确定输出矢量组合, 并计算其占空比, 因而能在任意直流电压比例的条件下获得良好的输出波形由于各单元交流输出侧串联, 在每个开关周期内, 各单元的直流电压变化趋势取决于其输出电压与电流的相位关系以图 1 中的标示方向为参考正向时, 当输出电压和电流同为正或同为负, 单元直流电压会上升, 反之单元直流电压会下降因此, 只要在输出矢量的选择中避免选择与直流电压收敛目标相矛盾的矢量组合, 而以邻近的不相冲突的输出矢量作为替代, 就可以输出指令电压波形, 又达到抑制直流电压不平衡的目的 2 三单元的电压前馈空间矢量调制 Fig. 1 图 1 单相两单元级联结构 Topology of the single-phase two-cell cascaded inverter 每个开关周期, 将输出电压指令值 M(V) 与各划分节点相比较, 确定其所在区间范围, 将区间两端的节点电平所对应的输出矢量作为输出矢量组合, 并计算两个输出矢量的作用时间如图 2 所示, 当 M 的数值位于 P 2 和 P 3 之间,P 2 P 3 所对应的两个输出矢量的作用时间分别为 t 1 和 t 2, 归一化的开关周期为 1, 则可根据式 (1) 求解 t 1 和 t { 2: M 1 = P 2 t 1 + P 3 t 2 t 1 + t 2 = 1 可得两个输出矢量的作用时间分别为 (1) 三相三单元 STATCOM 的主电路结构如图 3 所示, 共有 9 个功率单元图 3 三相三单元级联型 STATCOM 结构图 Fig.3 Topology of the three-phase three-cell cascaded STATCOM

3 Smart Grid 80 余恒洁, 等 : 用于三相级联 STATCOM 的电压前馈空间矢量调制策略 Vol.34 No.1 其调制方法在两单元电压前馈空间矢量调制方法的基础上扩展至三单元在各单元直流电压不同的条件下, 可在输出电压大于零时得出 13 个输出电压矢量, 即输出区间划分节点 P i(i=1,2,, 13) 表 2 给出了 U dc1<u dc2<u dc3 的情况下, 各区间划分节点的计算与两单元的区间划分相比, 由于三单元输出电压的电平组合的数量增加, 使三单元的划分节点更多 ; 加之 3 个单元直流电压的数值比较的结果复杂, 使得输出区间的确定以及输出矢量的求解变得困难因此, 本文根据 STATCOM 的实际运行中直流电压差值不会太大的情况, 做出如下简化假设 : 当 max(u dc1,u dc2,u dc3 ) - min(u dc1,u dc2,u dc3 ) < min(u dc1,u dc2,u dc3 )/2 (4) 表 2 Tab. 2 各单元直流电压关系 << Udc3 ==Udc3=U 三单元不同直流电压关系情况下划分节点 Partition nodes under different relations of the three cells DC voltages Udc3- > - ( ) P10=+ P11=+Udc3 P12=+Udc3 Udc3- > - (= ) P11=P12=+Udc3 Udc3- < - ( Udc3) P10=+ P11=+Udc3 P12=+Udc3 Udc3-< - (= Udc3) P12=+Udc3 控制区间划分点 P1=- P2=Udc3- P3=Udc3- P4=+- Udc3 P5= P6= P7=+Udc3- P8=Udc3 P9=+Udc3- P13=++Udc3 P2=P3=Udc3- P4=+-Udc3 P5=P6= P7=P8=P9=Udc3 P10=+ P13=++Udc3 P1=Udc3- P2=- P3=Udc3- P4=+- Udc3 P5= P6=+Udc3- P7= P8=Udc3 P9=+Udc3- P13=++Udc3 P2=P3=Udc3- P4=P5=P6= P7=P8= P9=+Udc3- P1=U P2=2U P3=3U P10=P11=+ P13=++Udc3 Fig. 4 图 4 三单元输出区间的划分 Partition of the three-cell output voltage range 即单元直流电压的差值小于最小直流电压的一半由表 2 可知, 与两单元相比较,3 个单元电压不平衡时的输出矢量增加了 (13-4) 2=18 个, 划分的区间以及输出电平数量相应增加, 输出谐波会减小虽然确定输出矢量组合的计算和比较过程也相应复杂些, 但原理不变其输出矢量作用时间的计算过程与两单元时相同根据表 2, 在 U dc1<u dc2<u dc3 的条件下, 得到第一种情况的输出区间的划分如图 4 所示此时, 为了使直流电压收敛一致, 一单元和二单元需要充电, 三单元需要放电可以根据本文第 2 节关于输出电流与单元输出电压的相位关系对电容充放电的影响, 剔除不利于直流电压收敛的输出矢量组合例如当 i a>0, 若使用 P 1(P 1=U dc2-u dc1) 对应的输出矢量, 即一单元输出 -U dc1, 导致该单元放电, 而二单元会充电, 不符合直流电压收敛的要求因而 i a>0 时应除去 P 1 节点同理可以将 -P 1,-P 4,-P 5,-P 6,-P 7,-P 9,-P 10,- P 11,-P 12,P 2,P 3,P 7,P 8,P 9,P 11,P 12 处的输出矢量也去除, 输出区域划分结果如图 5 所示由图 4 和图 5 对比可见, 去除与直流电压收敛相矛盾的输出矢量后, 余下的输出矢量仍可以使输出电平数达到 9 个修改后的调制方法, 既减少了输出矢量的数量, 又保持了相对多的电平数量当级联单元数继续增加时, 可以预见, 输出区域的划分会有更多的节点和子区间, 可以根据同样的原则先删除不符合的输出矢量, 挑选出满足直流电压收敛的输出矢量组合, 使得矢量确定的过程得到简化图 5 去掉部分划分节点的输出区间 Fig. 5 Output range partition after eliminating conflicting nodes 总之, 带有电压前馈的空间矢量调制应用于单相级联 STATCOM, 能准确地按照指令电压输出电压波形, 同时能避开使得单元直流电压发散的输出矢量, 采用有利于各直流电压趋于一致的输出矢量因此, 这种控制级联单元直流电压平衡的方法是独立于系统的有功无功控制算法的, 从而简化系统的控制方案对三相系统来说, 仍然需要施加相间平衡的控制另一方面, 由于输出电流大小决定了单元的充放电速度, 这种调制方法使直流电压达到平衡的速度与输出电流大小有关, 即电流越大, 单元直流电压趋于一致的速度越快

4 Smart Grid 第 34 卷第 1 期电网与清洁能源 81 3 仿真结果为了验证本文所提出的调制方法的可行性, 在 Matlab/Simulink 中搭建了三相三单元级联型 STATCOM 的仿真模型, 其系统控制框图如图 6 所示其中 U dc1 到 U dc9 分别表示三相共 9 个单元的直流电压测量值,V * dc 为给定电压参考值,V s 为电网电压,i * q 为无功电流指令值,i out 为输出电流测量值为了使得三相单元的直流电压总和达到相间平衡, 使用 PI 控制器控制每相单元直流电压平均值的误差, 其结果乘以电网电压的相位因子, 经 dq 变换后作为有功电流指令值, 与无功电流指令值 i * q 一起, 经 dq 反变换得到三相输出电流的指令值对输出电流与指令值的误差采用比例控制, 加上电网电压的前馈, 构成输出电压指令值调制环节中, 对三相分别使用 FFSVM 得到单个单元的开关信号表 3 系统仿真参数 Tab. 3 Parameters of the system simulation 电网电压 / V 380 电网频率 / Hz 50 开关频率 / khz 10 交流滤波电感 / mh 4 单元直流侧电容 / μf 单元直流电压参考值 / V 113 表 3 列出了主要的系统仿真参数为了模拟各种直流电压偏差和直流负载不一致的情况, 对各相单元的直流电压初始值及直流联电阻设置如下参数 :A 相的直流电压分别为 140 V 130 V 110 V, 直流侧模拟负载电阻为 330 Ω 260 Ω 250 Ω;B 相的直流电压分别为 135 V 145 V 115 V, 直流侧电阻 260 Ω 200 Ω 200 Ω;C 相的直流电压分别为 80 V 90 V 95 V, 直流侧电阻为 260 Ω 200 Ω 200 Ω 图 7 给出了仿真中 STATCOM 的三相输出电压波形及其谐波分析结果其中图 7(d) (e) 分别显示了 STATCOM 输出感性和容性电流时电压与电流的相位关系, 表明该调制方法适用于不同的无功补偿输出状态图 8 给出了系统输出电流和三相单元直流电压的波形仿真过程中前 0.05 s 只有电网电压前馈投入工作, 直流电压平均值控制没有工作, 此时输出电流很小, 由于电流大小决定直流电容充放电的速度, 因而各相的单元直流电压仅呈现出缓慢的收敛趋势当三相直流电压的平均值的 PI 控制在 0.05 s 投入,STATCOM 输出电流加大, 各直流电压收敛速度加快, 并且平均值接近 113 V 其中 A 相电流最小, 相应的 A 相直流电压收敛速度也最慢当 STATCOM 在 0.15 s 开始输出无功电流,A 相的直流电压也迅速达到一致,B C 两相的直流电压也始终保持稳定的收敛状态通过仿真可见, 该调制算法既能在直流电压不平衡的情况下按照电压指令输出电压波形, 又可自动抑制直流电压的不平衡, 且其响应速度与输出电流大小有关 Fig. 6 图 6 三相 STATCOM 控制框图 Three-phase STATCOM control diagram

5 Smart Grid 82 余恒洁等用于三相级联 STATCOM 的电压前馈空间矢量调制策略 Vol.34 No.1 图 8 STATCOM 输出电流及单元直流电压波形 Fig. 8 Waveforms of STATCOM output currents and all cells DC voltages 4 结语本文在单相两单元 FFSVM 算法的基础上提出了将其应用于多单元调制的方法根据 STATCOM 的实际运行情况对三单元算法进行适当简化遵从直流电压收敛的目标得到合适的输出矢量组合应用于三相三单元级联型 STATCOM 上为 FFSVM 应用于多个单元级联奠定了基础通过仿真验证了采用 FFSVM 在直流电压不平衡的情况下多单元级联型 STATCOM 可以获得高质量的输出波形可自动抑制直流电压的不平衡 Fig.7 图 7 输出电压波形及其谐波分析 Waveforms of output voltage and its harmonic analysis 参考文献 [1] 郑宝宏徐子婷. 级联 H 桥 STATCOM 控制算法研究[J]. 电气技术 :21-22.

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; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of

; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of 26 2 2009 2 Control Theory & Applications Vol. 26 No. 2 Feb. 2009 : 1000 8152(2009)02 0203 06 Buck-Boost 1,2, 3, 2, 4, 1 (1., 411201; 2., 410083; 3., 411105; 4., 410004) :, Buck-Boost,.,,. :,,,, : Buck-Boost