CN102780226B - 基于斩控均压的链式statcom直流侧电压控制方法及控制电路 - Google Patents

Abstract

基于斩控均压的链式STATCOM直流侧电压控制方法及控制电路，包括三相星形连接多电平逆变器、双向斩控开关、控制器；其特征在于：三相星形连接逆变器通过三个进线电感与三相电网相接；逆变器各相由N个拥有独立直流侧电容的2H桥逆变电路模块串联构成；N个逆变电路模块的直流侧电容并联：第i个逆变电路模块的直流侧电容和第i-1个逆变电路模块的直流侧电容之间连接并联后的双向斩控开关，i＝2,….,N。本发明有效可靠地解决了限制该结构STATCOM在高压大容量场合使用的关键问题，简化了控制程序和调节器设计，大大提高了***的可靠性，显著降低了均压控制的成本，从而促使链式STATCOM可靠地应用于中高压大容量电力装备。

Description

基于斩控均压的链式STATCOM直流侧电压控制方法及控制电路

技术领域

本发明属于电能质量治理研究领域，特别涉及中高压链式STATCOM的直流侧电压控制方法及控制电路。

背景技术

链式STATCOM具有电平数量多、谐波含量少、无源器件小、扩展性能好等显著优势；在输配电***中发挥着补偿无功，提高***电压的稳定性，改善***的运行性能等重要作用，是解决中高压大容量领域电能质量问题的有效手段，是柔***流输电***(Flexible AC Transmission System,FACTS)的核心技术之一。

链式STATCOM的优良性能与现有的***控制策略都是建立在每个功率模块具有完美的一致性的基础之上的，即要求每个功率模块必须具有相同的直流侧电容电压。但实际***中，由于开关器件的寄生参数、工作状态等的差异性，不同功率模块需要吸收或发出的有功功率会有所不同，因此就会出现部分功率模块的直流侧电压跌落较快，另外一部分功率模块的直流侧电压降低较慢，即直流侧电压不平衡现象。因此，必须附加额外的控制来保障直流侧电压稳定而不跌落，且直流侧电压始终保持相等。

直流侧电压不均衡的原因归纳起来主要有两方面：一是功率模块参数的不一致性；二是功率模块工作状态的不一致性，此两种原因导致了功率模块消耗能量且耗能的数量不一致。现有的直流侧电压控制策略也可以分为两大类：第一类是硬件方法，基本思想是通过硬件电路来补给直流侧电容消耗的能量。此类方法典型的有：并联电阻法、交流母线能量交换法、直流母线能量交换法等，这一类方法使用的硬件电路主要有：PWM整流电路、二极管整流桥、逆变器和隔离变压器的组合，不同方法之间的差异主要体现在电路拓扑、能量来源以及能量流动的路径，其中最经典的方法是使用移相多绕组变压器加二极管整流器方案，它是目前直流侧电容电压控制的主流方法。硬件方法均压、稳压的效果很好，但成本高、体积大、效率低且不便于扩展。部分硬件的设计困难、生产不便、控制复杂，而且还会导致装置的功率因数变低，污染电网。

第二类是软件方法，此类方法采用了闭环控制的思想，根据功率模块的直流侧电压的偏差或者功率的偏差进行PI调节，从而获取各功率模块的驱动信号，因此需要采集所有的功率模块的直流侧电容电压。此类方法对硬件的依赖较小，仅需传感器检测电压、电流信号，成本较低、体积小。但PI调节器的设计和调试复杂。随着功率模块数量的增加，PI控制环随之增加，使得常常需要凭借调试经验才能完成的PI参数设计无法完成。并且各控制环之间的耦合复杂度也随模块数量的增加而急剧增加，***调试困难，可靠性很差，限制了***的扩展。因此，在实际装置中的应用还很少。

此外，软件方法的实质是调节了每个功率模块的脉冲宽度或者相角，也就是改变了CPS-SPWM调制方法的输出脉冲信号。改变脉冲宽度或者相角使得CMI输出电压波形变得不对称，引入了更多的谐波；当功率模块数很多、不一致性差异越大的时候，这种方法引入的谐波频率会越低，相角的调节范围也越小，因此该方法可应用的范围很有限。

本发明结合了硬件方法控制效果优异、软件方法成本低廉等优点，采用小容量的斩控器与分层控制思想结合使用的链式STATCOM直流侧电压控制策略。该方案只需要添加一些成本很低的斩控器，配合简单的控制程序即可实现各直流侧电容电压的稳定、均衡，省去了大量的高精度检测元件和体积成本巨大的硬件电路，而无需众多复杂、脆弱的电压闭环控制，从而简化了控制程序和调节器设计，大大提高了***的可靠性和易实现性，显著地降低了电压均衡控制的成本，缩短了产品开发周期，从而促使链式STATCOM可靠地应用于中高压大容量电力装备。

以下给出检索的相关文献

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Yingjie He,Yanhui Qiu,Jinjun Liu,Fang Zhuo.A Comprenhensive Study of VoltageBalancing Problem of Cascaded H-bridge Inverter for Power Quality Conditioner[C].Proc.ofIEEE IPEC2010.

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于斩控均压与分层控制思想复合使用的链式STATCOM直流侧电容电压控制策略。该方案只需要添加一些小容量的斩控器，配合简单的控制程序即可实现各直流侧电容电压的稳定、均衡，从而完全省去复杂的电压闭环控制，显著降低均压控制的硬件成本，可靠地控制链式STATCOM各功率模块直流侧电容电压，使其稳定、均衡，确保***在高压大容量用电环境下高效地、可靠地工作。

下面从拓扑设计和控制实现两方面进行阐述：

1)拓扑设计：

三相链式结构多电平逆变器，通过三个进线电感与三相电网相接；逆变器各相由N个拥有独立直流侧电容的2H桥逆变电路模块串联构成，模块数量N根据电网电压等级确定，一般取N＞e_m/u_dc，其中e_m为电网电压的幅值，u_dc为每个功率模块的直流侧电容电压期望值；

每相各使用2×(N-1)个斩控器，即双向斩控开关，用于控制连接功率模块之间的直流侧电容，从而形成公共的直流母线，使不平衡的能量通过直流母线自由流动并合理分配不平衡的功率，最终使各模块的直流侧电容电压均达到平衡状态。

2)控制实现：

a)通过电流传感器检测补偿对象的三相负载电流；

b)在控制电路板中，根据瞬时无功功率理论，对检测的负载电流进行坐标变换，得到需要补偿的各相电流成分——无功、谐波、不平衡等；

c)通过锁相环节运算得到三相电网电压的相位信息，并将其与指令值相乘得到基波有功电流成分，即总体有功功率控制算法；

d)将以上b)和c)得到的电流成分相叠加作为最终的控制指令，控制三相逆变器的输出电流；具体的实现方法是检测三相链式多电平逆变器的输出电流，并将它与相应各相的控制指令做差，并且通过PI调节后利用移相载波调制方法产生CPS-SPWM信号，用以驱动各功率模块的开关管IGBT；

e)通过主开关管的逻辑来生成双向开关器件的驱动信号，以决定各功率模块的电容是否并联到直流母线，从而通过公共直流母线进行能量交换，使不平衡的能量在各功率模块的直流侧电容之间重新分配，直至电容电压平衡。

所述步骤e)中所述电压平衡是指各个直流侧电容的电压基本相等、或者两两电压偏移量Δu在规定的范围内。

本发明的有益效果是：

本发明通过附加一些小容量的斩控器，辅以简单的控制程序，就可以实现对链式STATCOM各直流侧电容的能量进行重新分配，使其电容电压保持稳定和均衡，有效且可靠地解决了限制该结构STATCOM在高压大容量场合使用的关键问题，并且省去了大量的高精度检测元件，以及复杂、脆弱的电压闭环控制，从而简化了控制程序和调节器设计，大大提高了***的可靠性，显著地降低了均压控制的成本，从而促使链式STATCOM可靠地应用于中高压大容量电力装备。此外，通过搭建链式STATCOM仿真模型，对这种控制方案进行了仿真验证，证实了该方案的有效性和可靠性。虽然仿真中仅搭建了5模块的串联结构，但实际***中该方法可扩展至任意模块的串联，从而将该***应用于更高电压的用电环境中，因此具有实际的工程应用价值。

附图说明

图1链式STATCOM的结构示意图。

图2链式STATCOM的***控制算法框图。

图3总体有功功率控制算法框图。

图4斩控器与功率模块之间的连接关系图。

图5环流工作模式图。

图6均压工作模式图。

图7开关管驱动信号的生成方法。

图8无直流侧电压控制时的直流侧电压波形。

图9(a)施加总体有功功率控制而无电压均衡控制时的CMI的等效直流侧电压波形。

图9(b)施加总体有功功率控制而无电压均衡控制时的各功率模块的直流侧电压波形。

图10采用斩控均压方法时的直流侧电容电压波形。

图11斩控器中流过的均压电流的波形。

图12五个功率模块串联形成的链式STATCOM的补偿效果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

链式STATCOM的结构如图1所示，由电网、无功负载、连接电感以及链式多电平逆变器(Cascaded Multilevel Inverter,CMI)等构成。CMI由N个功率模块(逆变电路模块)串联组成。本发明以星形连接结构进行说明，三角形连接的控制方法可类推。每相CMI通过串联连接电感后并联到***的公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)。构成CMI的功率模块为一个完备的单相逆变器，包含独立的功率开关管、直流侧电源、驱动电路、检测电路、保护与控制电路等。图1所示的功率模块为单相2H桥逆变器，是目前最常用的一种功率模块。

目前，链式STATCOM广泛使用的调制策略是载波相移正弦脉宽调制技术CPS-SPWM(Carrier Phase-Shifted SPWM)。广泛使用的***控制策略为前馈解耦控制算法，如图2所示。无功电流指令i_lq通过对负载电流采样以及无功检测算法获得；有功电流指令i_ld通过对功率模块直流侧电压检测以及有功电流控制算法获取；检测网侧电压、装置输出电流，并对其进行坐标变换得到同步旋转坐标系下的前馈电压u_sd、u_sq以及反馈电流i_cd、e_cq，上述物理量经过解耦控制算法即得到装置的指令电压u_cd、u_cq，指令电压经过park反变换得到最终的调制信号，再与移相三角载波进行比较就得到了最终的驱动信号。

本发明专利公开的方法采用了分层控制思想与斩控均压相结合的思路，总体上分为两个层次：第一层通过软件方法控制装置总的有功功率，使CMI等效直流侧电压稳定为指令值；第二层通过斩控器形成公共直流母线，并由主电路的工作状态决定各功率模块是否并联到直流母线进行能量交换，从而实现功率模块之间的电压均衡。此方法结合了软、硬件方法各自的优点，回避了两者的缺点，是一种可靠的、有效的实用化方法。

1、总体有功功率控制

实际的链式STATCOM并非是理想的无功发生器。在工作过程中，由于开关管的开断、导通等动作是需要消耗有功功率的，因此功率模块的直流侧电压就会逐渐地降低，且降低的速率取决于功率模块消耗的有功功率的大小，也就是说直流侧电压的减小量反映了功率模块需要的有功功率。因此，每一个模块的直流侧电压降低的总和与***所需要的总的有功功率正相关。借助负反馈思想即得到总体有功功率(基波正序有功功率)控制算法，如图3所示。图中u_ref表示模块直流侧电压给定值；u_{dc_ai}、u_{dc_bi}、u_{dc_ci}分别表示实际检测到的A、B、C三相中第i个功率模块的直流侧电压值。利用此方法及时向功率模块注入所需的有功功率就能弥补***工作所损耗的有功功率。

由于功率模块的不一致性，不同模块的直流侧电压下降率也不一致；同理每相所需的有功功率也可能不一致。此时，有功功率的控制应当包含两个层次：总体有功功率控制与有功功率的相间平衡控制。本专利的重点是功率模块之间的电压均衡控制策略，因此假定各相的情况一致，故而不考虑相间的均衡控制。

2、模块之间的电压均衡控制

总的有功功率足够的时候，剩下的工作就是使不平衡的能量在各功率模块之间合理分配了。本专利提出的方法就是：通过多个斩控器形成公共直流母线，由主电路的工作状态决定各功率模块的直流侧电容是否并联到直流母线进行能量交换，从而实现功率模块之间的电压均衡。

斩控器与主电路功率模块之间的连接关系如图4所示。通过两个斩控器将功率模块的直流侧电容C₁、C₂顺向并联起来，使不平衡的有功功率直接在各个功率模块的直流母线上自由流动，从而实现能量的重新分配和电压平衡，如图4中的阴影区域所示。

S₁、S₂有四种状态：00、01、10、11。假设功率模块的直流侧电压为U_dc，则对应的输出电压分别为：0、-U_dc、+U_dc、0。同理，连接在斩控器两端的功率模块，它们可能有16种组合状态。

图5中，S₁、S₂、S₃、S₄的状态为1010，输出电压分别为+U_dc、+U_dc。此时，开关管(同一桥臂中上下两个开关管的开关逻辑相反，即是在与S₂同一桥臂中开关逻辑相反的开关管)、T₂、S₃以及电容C₁构成了一条短路环流通路，开关管T₃、S₃以及电容C₂构成了另外一条短路环流通路，二者顺向并联。因此，斩控器的开关管T₂、T₃必须关断，其组合状态为00；而T₁、T₄的开通或者关断对主电路和均压电路的工作都没有影响，其状态可以是00、01、10、11中的任意一种，处于自由状态。为简化逻辑表达式，故将自由状态统一赋值00。因此T₁、T₂、T₃、T₄的状态为0000。同理，当S₁、S₂、S₃、S₄的状态分别为1010、1011、1100、1101、0010、0011、0100、0101时，就存在两条顺向并联的短路环流通路，此时的斩控器应当工作在隔离状态，T₁、T₂、T₃、T₄的组合状态为0000。

图6中，S₁、S₂、S₃、S₄的状态为1000，输出电压分别为+U_dc、0，此时不存在短路环流通路，斩控器工作在均压状态，功率模块直流侧电容的不平衡功率自由流动直至电压平衡，即此时T₁、T₂、T₃、T₄的状态为1111。同理，当S₁、S₂、S₃、S₄的状态分别为1000、1001、1110、1111、0000、0001、0110、0111时，不存在短路环流通路，斩控器工作在均压状态，T₁、T₂、T₃、T₄的状态为1111。

该拓扑的工作原理可归纳如下：1、斩控器的开关管同时处于相同的逻辑状态，即同时开通、同时关断；2、斩控器的逻辑状态仅与相近的两个功率模块的开关逻辑有关，而与功率电流的大小和方向无关，并且斩控器的开关频率是主电路开关频率的两倍；3、存在短路环流通路的时候斩控器不能工作在均压状态，斩控器工作在均压状态的时候不能存在短路环流通路；4、上一个功率模块右桥臂的开关逻辑与下一个功率模块左桥臂的开关逻辑相反的时候，就一定存在短路环流通路；5、如果有短路环流通路存在，就一定有两条短路环流通路同时存在，并且这两条短路环流通路是顺向并联的；6、斩控器工作在均压状态时，正向均压环流通路和反向均压环流通路同时存在但不同时工作。

根据上述分析可得T₁、T₂、T₃、T₄与S₁、S₂、S₃、S₄之间的开关逻辑关系

T₁＝T₂＝T₃＝T₄＝S₂⊙S₃

该方法虽然是针对两个功率模块的电压均衡来讲述的，但却可以类推至多个模块串联形成的***。使N个逆变电路模块的直流侧电容之间通过双向斩控开关并联，第1和2个电容两端分别连接双向斩控开关(第1个直流侧电容的正极和第2个直流侧电容的正极之间连接一个双向斩控开关，第1个直流侧电容的负极和第2个直流侧电容的负极之间连接一个双向斩控开关，从而实现第1个直流侧电容与第2个直流侧电容之间的同向并联)，第2和3个电容两端分别连接双向斩控开关，第3和4个电容两端分别连接双向斩控开关，以此类推，共有2(N-1)个双向斩控开关，从而形成公共的直流母线。

同理可得第i个逆变电路模块的直流侧电容和第i-1个逆变电路模块的直流侧电容之间的双向斩控开关Q_i-1、与第i个逆变电路模块中的开关管S_2i-1、S_2i和第i-1个逆变电路模块中的开关管S_2i-3、S_2i-2之间的开关逻辑关系：

Q_i-1＝S_2i-2⊙S_2i-1

根据上式以及CPS-SPWM的规则，可以得出所有开关管驱动信号的生成方法，如图7所示。

显然，直流侧电压的稳态误差越小，即控制效果越好，均压环流也就越小，双向斩控开关的容量也就越小，硬件成本以及功率损耗也就越小。在斩控均压控制算法的保障下，当***进入稳态之后，各功率模块的电压能够保持稳定、均衡，均压过程中的能量损耗近似为零。该方法的使用不会导致太多的能量损耗，不影响***的整体效率。需要说明的是：任何均压控制方法都会导致能量损耗，这是由电容电压不平衡性决定的。

此外，本专利公开的方法只需要检测某一个功率模块的直流侧电压即可满足软件算法的要求，从而显著减少与直流侧电压测量相关的信号检测、调理、分析、计算等所需要的硬件设备和控制器资源，因此均压成本得到降低。

本发明中给出了一种基于斩控均压的链式STATCOM直流侧电压控制方法。并利用MATLAB中的simulink对该控制方法进行了仿真验证。仿真模型中的CMI采用了5个功率模块串联。图8仿真了不加直流侧电压控制会导致的不利影响；图9仿真了只有总体有功功率控制时的效果，直流侧电压出现了不平衡现象；图10给出了在本专利方法下的直流侧电压控制效果，功率模块的直流侧电压迅速进入稳态，稳态误差几乎为零；图11给出了因为电压均衡过程而流过斩控器的均压电流，其峰值不超过1.5A，平均值几乎为0，因此斩控器需要承受的电压、电流很小，即斩控器的容量很小，基本不影响***的体积和成本，且均压损耗很小，不会影响***的整体效率。图12给出了新方法下链式STATCOM的补偿效果。仿真结果表明：基于斩控均压的控制方法实现了链式STATCOM直流侧电压的稳定与均衡，能够保障***长时间安全、稳定、高效地工作。完全能够替代传统的硬件均压控制方法且控制效果不变，从而实现了节约成本、提高效率的目的，具有十分重要的工程实践意义。

Claims (5)

1.基于斩控均压的链式STATCOM直流侧电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)拓扑设计：

三相星形连接多电平逆变器，通过三个进线电感与三相电网相接；逆变器各相由N个拥有独立直流侧电容的2H桥逆变电路模块串联构成；

N个逆变电路模块的直流侧电容并联：第i个逆变电路模块的直流侧电容的正极和第i-1个逆变电路模块的直流侧电容的正极之间连接一个双向斩控开关，第i个逆变电路模块的直流侧电容的负极和第i-1个逆变电路模块的直流侧电容的负极之间连接一个双向斩控开关，从而实现第i个逆变电路模块的直流侧电容与第i-1个逆变电路模块的直流侧电容之间的顺向并联，其中i＝2,….,N；每相共使用2×(N-1)个双向斩控开关，从而形成公共的直流母线；

第i个逆变电路模块中设有两个并联且相互独立的桥臂，每个桥臂均分为上桥臂和下桥臂，其中靠近电容侧的上桥臂上设有开关管S_2i-1，另一个上桥臂上设有开关管S_2i；同理第i-1个逆变电路模块中靠近电容侧的上桥臂上设有开关管S_2i-3，另一个上桥臂上设有开关管S_2i-2；

2)控制实现：

a)通过电流传感器检测补偿对象的三相负载电流；

b)对检测的负载电流进行坐标变换，得到需要补偿的各相电流成分；

c)通过锁相环节运算得到三相电网电压的相位信息，并将其与指令值相乘得到基波有功电流成分，即总体有功功率控制算法；

d)将以上b)和c)得到的电流成分相叠加作为最终的控制指令，控制三相逆变器的输出电流；

e)通过逆变电路模块的开关管的逻辑来生成双向斩控开关的驱动信号，以决定每相中的各功率模块的电容是否并联到所述公共的直流母线，从而通过所述公共的直流母线进行能量交换，使不平衡的能量在各功率模块的直流侧电容之间重新分配，直至电容电压平衡；

所述步骤d)中控制三相逆变器的输出电流实现方法是：检测三相逆变器输出电流，并将它与相应各相的控制指令做差，并且通过PI调节后利用移相载波的调制方法产生相应的CPS-SPWM信号，用以驱动各功率模块的开关管；

所述步骤e)中：第i个逆变电路模块的直流侧电容和第i-1个逆变电路模块的直流侧电容之间的双向斩控开关Q_i-1、与第i个逆变电路模块中的开关管S_2i-1、S_2i和第i-1个逆变电路模块中的开关管S_2i-3、S_2i-2之间的开关逻辑关系为：Q_i-1＝S_2i-2⊙S_2i-1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤e)中所述电压平衡是指各个直流侧电容的电压基本相等、或者两两电压偏移量Δu在规定的范围内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：N根据电网电压等级确定，取N＞em/udc；其中em为电网电压的幅值，udc为每个功率模块的直流侧电容电压期望值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：各相电流成分包括无功、谐波、不平衡成分。

5.基于权利要求1所述方法的斩控均压链式STATCOM直流侧电压控制电路，包括三相星形连接多电平逆变器、双向斩控开关、控制器；其特征在于：三相星形连接多电平逆变器通过三个进线电感与三相电网相接；逆变器各相由N个拥有独立直流侧电容的2H桥逆变电路模块串联构成；N个逆变电路模块的直流侧电容并联：第i个逆变电路模块的直流侧电容的正极和第i-1个逆变电路模块的直流侧电容的正极之间连接一个双向斩控开关，第i个逆变电路模块的直流侧电容的负极和第i-1个逆变电路模块的直流侧电容的负极之间连接一个双向斩控开关，从而实现第i个逆变电路模块的直流侧电容与第i-1个逆变电路模块的直流侧电容之间的顺向并联，其中i＝2,….,N；每相共使用2×(N-1)个双向斩控开关，从而形成公共的直流母线；第i个逆变电路模块中设有两个并联且相互独立的桥臂，每个桥臂均分为上桥臂和下桥臂，其中靠近电容侧的上桥臂上设有开关管S_2i-1，另一个上桥臂上设有开关管S_2i；同理第i-1个逆变电路模块中靠近电容侧的上桥臂上设有开关管S_2i-3，另一个上桥臂上设有开关管S_2i-2；控制器控制第i个逆变电路模块中直流侧电容和第i-1个逆变电路模块中直流侧电容之间的双向斩控开关Q_i-1、与第i个逆变电路模块中的开关管S_2i-1、S_2i和第i-1个逆变电路模块中的开关管S_2i-3、S_2i-2之间的开关逻辑关系为：Q_i-1＝S_2i-2⊙S_2i-1。