级联H桥型STATCOM直流电压平衡策略研究

杨 雯， 席自强， 王 平

(1 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 430068;2 上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240)

级联H桥型STATCOM直流电压平衡策略研究

杨 雯1， 席自强1， 王 平2

(1 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 430068;2 上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240)

系统补偿电流的增大，会加剧级联H桥型STATCOM各链节间电压不平衡，造成系统整体性能下降。针对这个问题提出一种两级控制的方法，前级通过调节有功实现各链节间电压平衡，后级通过双环控制实现各相总电压的稳定。并在matlab中搭建仿真模型，仿真结果表明，提出的方法能很好地控制链节间直流电压平衡，使STATCOM具有更好的补偿性能。

级联型H桥； 电压平衡； 两级控制

级联H桥型静止同步补偿器(STATCOM)是一种新型的无功补偿装置，具有结构简单、便于设计、易于控制的优点，受到了国内外广泛的关注，是当前研究的热门方向，并在很多场合逐渐代替了多重化变压器结构。级联H桥是一种安全高效的拓扑结构，对于实现高压和大容量的STATCOM十分重要。由于不需要变压器，从而大大减少了体积和成本。与此同时，链节的数量增多，也给直流侧电容电压的平衡带来了新的挑战[1]。

目前，已有许多文献对STATCOM直流侧不平衡问题进行了分析，也提出了很多方法，并且应用到了实际的STATCOM中。文献[2-4]提出了通过调节输出电压和电流之间相位差来达到直流侧电压平衡的目的，但该方法计算量比较大；文献[5-7]提出使用瞬时功率算法，该算法实现复杂且最终的电压波动较大；文献[8-9]通过分别调节调制比和相移来平衡各单元电压，但没有研究各相电压平衡。本文提出了一种两级控制方法，前级改变各相链节之间的功率平衡，后级控制系统各相之间总电压的平衡，从而实现相间电压平衡以及各相的链节间电压平衡。1级联H桥型STATCOM主电路结构

级联H桥每相都由多个单相的全桥变流器串联而成，因此，各相输出电压为所有变流器输出电压的总和。各变流器由单独的脉冲信号控制，相互独立，串联结构使得输出谐波含量变小。

级联H桥型STATCOM有很多种结构，接线方式分为三角形和星形。本文采用星形接线方式。图1为本文级联H桥型STATCOM研究的主拓扑结构，各相都由多个变流器组成，且各相数量相同。

图1 级联STATCOM主电路结构

假设图中各器件都工作于理想状态：ex(x=a，b，c)为三相电网电压，ix为三相电网电流，ucx和icx分别为STATCOM的输出电压和输出电流，ilx为负载电流，L、R分别为输出滤波电感和线路等效电阻。

单个H桥的拓扑结构见图2。H桥由四个开关管组成，直流支撑电容电压为E，输出电压为U0。输出电压的值由开关状态决定，不同的控制策略可以得到不同的电压输出，从而使输出电压幅值和频率可控。

图 2 H桥的拓扑结构

由于H桥同一桥臂的上下开关管应严格避免一起导通，因此开关管的状态不能出现同时导通的组合。表1列出了所有安全有效的开关组合，其中1表示开关管导通，0表示开关管关断，各个开关管独立控制。

表1 H桥开关状态表

由表1可以看出，当开关管1、4导通，2、3关断时，H桥输出电压为E；开关管2、3导通，1、4关断时，H桥输出电压为-E；当开关管1、2关断，3、4导通时，H桥输出电压为0；当开关管1、2导通，3、4关断时，H桥输出电压为0。

2 控制算法

级联H桥STATCOM的直流侧电压控制采用两级控制方法。后级控制通过双闭环实现总的系统功率控制，保证各相电压平衡；前级控制通过链节间的功率分配，产生各链节对应的PWM脉冲，控制各H桥开关器件，实现各链节电压平衡。

2.1相间电压控制模型

根据级联H桥型STATCOM的拓扑结构，可以建立同步选择坐标系下的数学模型，从而选择合适的控制策略。首先建立式(1)主电路的回路方程：

(1)

经过park变换公式，可以将式(1)主回路方程转换为dq坐标系下的系统模型，如式(2)所示：

(2)

(3)

(4)

将式(4)带入式(2)，可以得到逆变器输出电压的方程：

(5)

式(5)的输出电压经过变换，最终得到各H桥逆变器的pwm波形，各链节独立控制，互不干扰。

图 3 双闭环解耦控制

后级控制实现了相间电压的平衡，使得各相直流侧电压和输出电流保持一致，避免了相间不平衡对系统造成影响。但无法对各相的链节间电压进行控制，如果没有链节间电压均衡控制算法，各链节不平衡现象会加剧，最终影响整体装置安全运行。

2.2链节间电压控制

对于由器件或脉冲延时等造成的差异所导致各链节电压不一致，需要采用链节间电压控制算法来消除。每相各链节的直流电压值与该链节吸收的有功功率有关，各链节通过的电流相同，可以通过叠加一个电压来实现各链节的功率平衡。

当直流侧电容电压偏低时，可以通过叠加与电流同向的电压矢量，使直流侧电容吸收有功，从而使电压升高；当直流侧电容电压偏高时，叠加与电流反向的电压矢量，使直流侧电容消耗有功，从而使电压降低。图4所示为有功矢量调节的具体实现方法。

图 4 链节间电压控制

为了保证链节间电压控制不会对双闭环控制造成影响，各链节的叠加矢量应满足一定关系。图4中叠加的对应的关系为：

ΔU1+ΔU2=0

(6)

由于外部叠加的矢量之和为零，因此各相总的电压不会变化，只是各链节间存在着能量的流动，该方法保证了对各链节进行有功分配的同时，不会对总的有功控制产生影响。

3 仿真分析

本文在matlab中搭建了仿真模型，通过仿真来验证所提出算法的准确性。仿真参数设置如下：电网电压380 V，滤波电感4 mH，直流电压给定值190 V，直流侧电容4700 μF，开关频率2000 Hz，链节数2。

图5所示为A相两个链节的直流侧电容电压幅值，链节1直流侧初始电压Udc1为200 V，链节2直流侧初始电压Udc2为170 V，给定电压为190 V。只采用后级控制时，两个链节的电容电压始终不能稳定，0.12 s后加入前级控制，可以看到两个链节电压逐渐稳定在给定值190 V左右。图6所示为A相输出总电压，其幅值在380 V左右波动，与电网电压接近。

图 5 A相各链节直流侧电容电压

图 6 A相输出总电压

图7图8分别为A相电网电压和电流补偿前和补偿后的波形，从图7可以看出电流相位超前电压相位，两者之间存在相位差，在采用本文提出的控制策略后，电网电压和电流相位一致，补偿效果显著。

图 7 补偿前A相电网电压和电流波形

图 8 补偿后A相电网电压和电流波形

4 结论

本文首先讨论了级联H桥型STATCOM的结构原理，对直流侧电压不平衡现象进行了详细讨论，并提出了一种两级控制的方法，前级控制各链节间的电压平衡，后级控制各相之间的电压稳定。理论分析和仿真结果表明所提出的控制策略在直流侧电压控制上有效，这种方法能解决相间电压和链节间电压的均衡问题，实现方法简单，易于操作，控制效果好。

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[责任编校：张岩芳]

ResearchonDCVoltageBalanceStrategyofCascadeH-bridgeTypeSTATCOM

YANG Wen1, XI Ziqiang1, WANG Ping2

(1HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2SchoolofElectronicInformationandElectricalEngin.,ShanghaiJiaoTongUniv.,Shanghai200240,China)

The increase of the system of compensation current will exacerbate cascaded H-bridge STATCOM chain node voltage imbalance, resulting in decreased overall performance of the system. To solve this problem, this paper proposes a method of two-level control, the former stage by regulating the active power to achieve the chain of the voltage balance of each chain, after the implementation of the stability of the total voltage of each phase through a double loop control. The simulation model is set up in MATLAB. The simulation results show that the proposed method can control the DC voltage balance of the chain,and the STATCOM has better compensation performance.

Cascade H-bridge; voltage balance; two-level control

2016-08-15

杨 雯(1992-)， 女，湖北钟祥人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电气工程

席自强(1960-)，男，湖南东安人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为电力系统及其自动化

1003-4684(2017)05-0089-04

TM464

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