CN115513969A - 一种低容值级联h桥statcom及其开关调制与控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低容值级联H桥STATCOM及其开关调制与控制方法，该低容值级联H桥STATCOM子模块电容采用小电容并通过控制并联控制开关构建相邻H桥子模块间并联均压回路实现子模块电容电压均衡；该并联均压状态仅发生在相邻子模块同时处于旁路状态期间，不会对级联H桥的正常运行造成影响。本发明的低容值级联H桥STATCOM直流侧电容电压纹波大，子模块电容电压平衡控制难度大幅提升，采用硬件平衡方式极大简化了控制***的复杂度，同时移除了大量子模块电容的电压传感器及其对应的控制器的使用。基于所提出的硬件平衡方式设计了一种基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的控制方法。

Description

一种低容值级联H桥STATCOM及其开关调制与控制方法
技术领域
本发明涉及电力***动态无功补偿技术领域，具体涉及一种低容值级联H桥STATCOM及其开关调制与控制方法。
背景技术
静止无功补偿器通过控制其输出电压的幅值大小及相位向电网提供或吸收无功功率，是提高电能质量最有效的工具。而级联Ｈ桥拓扑结构具有可靠性高、高压大容量、电流谐波低、易于拓展等特点，是应用于STATCOM（static synchronous compensator静止同步补偿器）装置的主流趋势。
级联H桥STATCOM通过H桥子模块级联以提高应用电压等级，由于直流侧子模块电容相互独立，在实际应用中存在电容电压不平衡的情况，容易引起开关器件过压、输出波形恶化的问题。尤其在低容值级联H桥STATCOM应用场合中，由于子模块采用小电容，导致电容电压的波动幅值增大，从而增加了电容电压的平衡控制难度。
在现有的低容值级联H桥STATCOM控制中，子模块电容电压的平衡控制均采用独立电压控制法。独立电压控制法需要对级联H桥的每个子模块电容电压进行采样，并通过单独的PI控制器对其调制波进行修改，随着级联H桥子模块个数的增加，控制器的计算压力及通信***负荷剧增。此外，在大电容电压波动的运行条件下，PI控制器的追踪效果有限。因此有必要针对低容值级联H桥STATCOM研究更好的子模块电容电压平衡方案。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种低容值级联H桥STATCOM及其开关调制与控制方法，其采用小电容，成本低，具有良好的电容电压平衡控制能力，能够显著降低控制***的复杂度，同时设计的控制方法能有效避免二倍频纹波引入控制***的问题，输出波形好。技术方案如下：
一种低容值级联H桥STATCOM，所述级联H桥STATCOM的拓扑包括交流电源v g 、滤波电感L、N个变形H桥子模块和N-1个并联控制开关；
所述变形H桥子模块包括设置在四桥臂上的四个全控型开关器件S i1~S i4和连接四桥臂的直流电容C i ，变形H桥子模块桥臂中点为断开的形式，相邻的第i个和第i+1变形H桥子模块通过连接到同一个并联控制开关S PCi 的两极进行级联；
相邻变形H桥子模块同时处于上旁路状态或下旁路状态时，通过控制并联控制开关以及修改H桥的调制信号构建相邻子模块电容并联均压回路，实现电容电压均衡。
进一步的，所述直流电容为低容值的薄膜电容。
一种基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的开关调制方法，对于第i个和第i+1个变形H桥子模块，及二者之间的并联控制开关S PCi ，将变形H桥子模块两个上开关S i1、S i3同时闭合时定义为上旁路状态，将变形H桥子模块两个下开关S i2、S i4同时闭合时定义为下旁路状态；
当且仅当第i个与第i+1个变形H桥子模块同时处于上旁路状态时，并联控制开关S PCi 断开同时打开下开关S i4和S (i+1)2；或当第i个与第i+1个变形H桥子模块同时处于下旁路状态，并联控制开关S PCi 断开同时打开上开关S i3和S (i+1)1；第i个与第i+1个变形H桥子模块的直流电容器C i 和C i+1构建闭环通路进行并联均压；并联控制开关调制信号表示为：
Figure 196403DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，带PWM下标的开关信号为由载波移相正弦脉冲宽度调制(CPS-SPWM)产生的开关控制信号；
变形H桥子模块的开关调制信号为移相载波信号叠加并联控制开关调制信号，表示为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
（2）。
一种基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的控制方法，包括以下步骤：
步骤1：确定低容值级联H桥STATCOM直流侧总电容电压v dc(t)的表达式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
（4）
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
（5）
其中，V c_i 表示第i个变形H桥子模块的电容电压；V peak为直流侧总电压的峰值；k为等效电容C eq与子模块直流侧电容C dc的比值；V ab为级联H桥输出电压有效值；ω为角频率； I g 为电网电流有效值；m为直流侧总电压的峰值V peak的调整系数；
对式（3）进行平方变换，得到：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
（6）
步骤2：确定控制过程包括电压外环控制、电流内环控制以及调制信号标幺化；电压外环控制：
步骤a1：依据电网有效值的参考值V g_ref结合设定的额定无功功率得到参考电流有效值的参考值I g_ref，及级联H桥输出电压有效值的参考值V ab_ref；
步骤a2：考虑给定的调整系数m代入式（6）得到电容电压控制的平方参考值以及电容电压的补偿值；
步骤a3：将第一个变形H桥子模块电容电压实测值乘以级联H桥的个数N作为直流侧总电容电压的实测值；
步骤a4：经过纹波补偿与电容电压控制模块给定参考值做差值并通过一个二倍频滤波模块与一个PI控制器作为电压外环的控制，输出有功电流幅值参考值I d_ref；
电流内环控制：
步骤b1：将电压外环控制输出有功电流幅值参考值I d_ref与锁相环PLL输出的sinθ相乘得到有功电流的参考值i d_ref；
步骤b2：给定的无功电流幅值参考值I q_ref与锁相环PLL输出的cosθ项相乘得到无功电流参考值i q_ref；
步骤b3：有功电流的参考值i d_ref与无功电流参考值i q_ref相加得到级联H桥输出电流参考值i g_ref；将级联H桥输出电流参考值i g_ref与实测电流值i g做差值通过一个PR控制器输出电流内环控制输出信号v PR；
调制信号标幺化：
步骤c1：将电流内环控制输出信号v PR加上电压前馈项V ab_ref* sinθ得到级联H桥未标幺化的调制波v ref；
步骤c2：依据式（3）代入参数得到电容电压波动v dc(t)对调制波v ref进行标幺化得到标幺化的调制信号v ref *。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用硬件平衡方式实现子模块电容电压平衡，移除了大量的子模块电压传感器及其对应的控制器，大大改善了控制***的带宽要求，同时也降低了子模块电容电压平衡的控制复杂性；提出的电容并联均压回路仅发生在相邻子模块同时处于旁路状态期间，不会对主电路的正常运行造成影响；此外，本发明所设计的控制***能有效地解决电压低次谐波引入控制***的问题，控制效果良好。
附图说明
图1为本发明基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的电路原理图。
图2（a）为正常工作情况下，并联控制开关保持导通状态图。
图2（b）并联控制开关断开，相邻子模块直流电容器构建并联均压回路示意图。
图3为本发明基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的并联控制开关调制信号产生原理图。
图4（a）为本发明基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的运行模式图--电容模式。
图4（b）为本发明基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的运行模式图--电感模式。
图5为本发明基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的控制框图。
图6为本发明基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的直流侧电容电压波形图。
图7（a）为本输出无功电流FFT分析结果--输出无功功率为100VA的低次谐波分析。
图7（b）为本输出无功电流FFT分析结果--输出无功功率为150VA的低次谐波分析。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM，该拓扑包括交流电源vg、滤波电感L、N个变形H桥子模块，N-1个并联控制开关。所述的变形H桥子模块包括：四个全控型开关器件S i1~S i4(i=1,2,···N)，一个低容值的直流电容(可采用薄膜电容)，变形H桥子模块为传统H桥子模块桥臂中点断开的形式，相邻变形H桥子模块通过连接到同一个并联控制开关的两极进行级联。
本发明低容值的直流电容选用的是和传统的级联H桥的电容容值相比小得多的薄膜电容，传统级联H桥STATCOM直流侧电容为毫法级别，本发明的直流侧电容可以降低到微法级别。实际应用中可根据具体工况分析选取具体的合适容值。
本发明的一种基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的工作原理及开关调制方法如下：
以第i个及第i+1个子模块为例，对第i个并联控制开关S PCi 进行分析。在正常工作情况下，S PCi 保持导通状态如图2（a）所示。可以看出当S PCi 保持导通时，本发明的一种基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM与传统的级联H桥STATCOM等效，子模块开关信号可以由载波移相正弦脉冲宽度调制(CPS-SPWM)得到。将子模块两个上开关S i1、S i3同时闭合时定义为上旁路状态，简称(OU 状态)，将子模块两个下开关S i2、S i4同时闭合时定义为下旁路状态，简称(OL 状态)。
当且仅当第i个子模块与第i+1个子模块同时处于OU状态时，S PCi 断开同时打开开关S i4和S (i+1)2。或者，当第i个子模块与第i+1个子模块同时处于OL状态，S PCi 断开同时打开开关S i3和S (i+1)1。第i个子模块与第i+1个子模块的直流电容器C i 和C i+1构建闭环通路进行并联均压，如图2（b）所示。以上过程可以通过图3进行表述，并联控制开关信号可以表示为：
Figure 449575DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中带PWM下标的开关信号为由载波移相正弦脉冲宽度调制(CPS-SPWM)产生的开关控制信号。
由以上式子可知，并联控制开关的控制信号由已有开关信号通过一个异或逻辑运算直接得到，控制方法简单。但相邻桥臂上的开关信号需要进行修改，附加并联控制开关信号，表示为：
Figure 2041DEST_PATH_IMAGE002
（2）
本发明的一种基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的控制方法，具体实现方式如下：
理想情况下，电网电压、电网电流为正弦波形，级联H桥输出电压v ab忽略高频分量可以等效为纯正弦波形。低容值级联H桥STATCOM运行模式下，电网电压、电网电流可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（3）
其中，V g、I g表示电网电压、电流有效值，V ab表示级联H桥输出电压有效值。级联H桥工作于电容模式还是电感模式取决于补偿无功电流与电网电压的相位，可参考图4（a）和图4（b）。
基于以上前提，通过推导可得低容值级联H桥STATCOM直流侧总电容电压v dc(t)表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（4）
其中，V c_i 表示第i个子模块的电容电压，系数k定义为等效电容与子模块直流侧电容的比值：
Figure 550834DEST_PATH_IMAGE004
（5）
其中，V peak为直流侧总电压的峰值，表示为：
Figure 294668DEST_PATH_IMAGE005
（6）
m为峰值电压V peak的调整系数，可以依据额定功率的大小调整总电容电压的波动最大值或最小值。
对式（4）进行平方变换，得到：
Figure 968226DEST_PATH_IMAGE006
（7）
结合式（4）和式（7），设计本发明的基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的控制方法：
图5为本发明的基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM的控制框图，分为电压外环控制、电流内环控制以及调制信号标幺化三个控制部分。电压外环控制部分依据电网有效值的参考值V g_ref结合设定的额定无功功率可以得到参考电流有效值的参考值I g_ref及低容值级联H桥输出电压有效值的参考值V ab_ref，再考虑给定的调整系数m代入式（7）可以得到电容电压控制的平方参考值以及电容电压的补偿值；将第一个子模块电容电压实测值乘以级联H桥的个数N作为直流侧总电容电压的实测值，经过纹波补偿与电容电压控制模块给定参考值做差值并通过一个二倍频滤波模块与一个PI控制器作为电压外环的控制。电压外环控制输出有功电流幅值参考值I d_ref，与锁相环PLL输出的sinθ相乘得到有功电流的参考值i d_ref，给定的无功电流幅值参考值I q_ref与锁相环PLL输出的cosθ项相乘得到无功电流参考值i q_ref，i d_ref与i q_ref相加得到级联H桥输出电流参考值i g_ref与实测电流值做差值通过一个PR控制器并加上电压前馈项得到级联H桥未标幺化的调制波v ref；依据式（4）代入参数可以得到电容电压波动v dc(t)对调制波v ref进行标幺化得到v ref *。
采用以上的控制方法可以有效的避免电容电压的二倍频引入低容值级联H桥STATCOM的控制***。
依据以上拓扑设计及其控制方法，利用Matlab/Simulink进行仿真实验，验证本发明的可行性，仿真参数如表1所示：
表1仿真参数
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
图6给出了本发明的基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM直流侧电容电压波形，在0.1s设置了功率突变，输出无功功率从设置的额定无功功率100VA突变为150VA，可以看出三个子模块电容电压处于均衡状态，平衡效果良好。
图7（a）和图7（b）给出了本发明的基于硬件平衡的低容值级联H桥STATCOM输出电流的FFT分析结果，其中，图7（a）为输出无功功率为100VA的低次谐波分析；图7（b）为输出无功功率为150VA的低次谐波分析，可以看出输出无功电流低次谐波含量低，验证了控制***的有效性。

Claims (4)

1.一种低容值级联H桥STATCOM，其特征在于，所述级联H桥STATCOM的拓扑包括交流电源v g 、滤波电感L、N个变形H桥子模块和N-1个并联控制开关；
所述变形H桥子模块包括设置在四桥臂上的四个全控型开关器件S i1~S i4和连接四桥臂的直流电容C i ，i=1,2,···N；变形H桥子模块桥臂中点为断开的形式，相邻的第i个和第i+1变形H桥子模块通过连接到同一个并联控制开关S PCi 的两极进行级联；
相邻变形H桥子模块同时处于上旁路状态或下旁路状态时，通过控制并联控制开关以及修改H桥的开关调制信号构建相邻子模块电容并联均压回路，实现子模块电容电压均衡。
2.根据权利要求1所述的一种低容值级联H桥STATCOM，其特征在于，所述直流电容为低容值的薄膜电容。
3.一种权利要求1所述的低容值级联H桥STATCOM的开关调制方法，其特征在于，对于第i个和第i+1个变形H桥子模块，及二者之间的并联控制开关S PCi ，将变形H桥子模块两个上开关S i1、S i3同时闭合时定义为上旁路状态，将变形H桥子模块两个下开关S i2、S i4同时闭合时定义为下旁路状态；
当且仅当第i个与第i+1个变形H桥子模块同时处于上旁路状态时，并联控制开关S PCi 断开同时打开下开关S i4和S (i+1)2；或当第i个与第i+1个变形H桥子模块同时处于下旁路状态，并联控制开关S PCi 断开同时打开上开关S i3和S (i+1)1；第i个与第i+1个变形H桥子模块的直流电容器C i 和C i+1构建闭环通路进行并联均压；并联控制开关调制信号表示为：
Figure 685864DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，带PWM下标的开关信号为由载波移相正弦脉冲宽度调制产生的开关控制信号；
变形H桥子模块的开关调制信号为移相载波信号叠加并联控制开关调制信号，表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（2）。
4.一种权利要求1所述的低容值级联H桥STATCOM的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定低容值级联H桥STATCOM直流侧总电容电压v dc(t)的表达式：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（4）
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（5）
其中，V c_i 表示第i个变形H桥子模块的电容电压；V peak为直流侧总电压的峰值；k为等效电容C eq与子模块直流侧电容C dc的比值；V ab为级联H桥输出电压有效值；ω为角频率；I g为电网电流有效值；m为直流侧总电压的峰值V peak的调整系数；
对式（3）进行平方变换，得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（6）
步骤2：确定控制过程包括电压外环控制、电流内环控制以及调制信号标幺化；
电压外环控制：
步骤a1：依据电网有效值的参考值V g_ref结合设定的额定无功功率得到参考电流有效值的参考值I g_ref，及级联H桥输出电压有效值的参考值V ab_ref；
步骤a2：考虑给定的调整系数m代入式（6）得到电容电压控制的平方参考值以及电容电压的补偿值；
步骤a3：将第一个变形H桥子模块电容电压实测值乘以级联H桥的个数N作为直流侧总电容电压的实测值；
步骤a4：经过纹波补偿与电容电压控制模块给定参考值做差值并通过一个二倍频滤波模块与一个PI控制器作为电压外环的控制，输出有功电流幅值参考值I d_ref；
电流内环控制：
步骤b1：将电压外环控制输出有功电流幅值参考值I d_ref与锁相环PLL输出的sinθ相乘得到有功电流的参考值i d_ref；
步骤b2：给定的无功电流幅值参考值I q_ref与锁相环PLL输出的cosθ项相乘得到无功电流参考值i q_ref；
步骤b3：有功电流的参考值i d_ref与无功电流参考值i q_ref相加得到级联H桥输出电流参考值i g_ref；将级联H桥输出电流参考值i g_ref与实测电流值i g做差值通过一个PR控制器输出电流内环控制输出信号v PR；
调制信号标幺化：
步骤c1：将电流内环控制输出信号v PR加上电压前馈项V ab_ref* sinθ得到级联H桥未标幺化的调制波v ref；
步骤c2：依据式（3）代入参数得到电容电压波动v dc(t)对调制波v ref进行标幺化得到标幺化的调制信号v ref *。
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