级联型固态变压器整流级电压均衡控制策略

艾永乐，李自清，陈 博，许增渊，孟筱筱

（1.河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作 454000；2.国网亳州供电公司，亳州 236800）

0 引言

固态变压器（Solid State Transformer，SST），又称智能通用变压器或电力电子变压器，是一种新型智能电力电子设备。与传统变压器相比，SST具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点[1]。SST通过电力电子变换技术实现电力系统中电压变换和能量双向传递，而且还可以实现输入电网侧功率因数调节、无功功率补偿、改善电能质量以及为各种设备提供标准化接口等多种功能[2,3]。模块级联型SST由输入整流级，中间DC/DC隔离级以及输出逆变级三部分组成。

直流电容电压不均衡是多电平变换器固有的问题。在级联固态变压器整流级中，可能是由于有功分量和无功分量的不匹配、不同的开关模式、有限的控制解决方案、或不同的负载等原因所导致[4,5]。整流级输出直流电压不均衡会导致输入电流下降，H桥的不平衡损耗，功率器件电压应力分配不均。如果没有采用电压均衡控制，整流级的一些设备将面临过电压故障，严重情况下可能会使整个SST系统崩溃[6]。显然，电压均衡控制能力是系统可靠运行的必要条件。因此，需要对固态变压器整流级进行电压均衡控制策略研究。均压控制器的引入会对原系统控制器产生耦合影响，这是控制系统中所不希望的。文献[7～10]中提出的方法只能消除系统在稳态下对原系统的控制器耦合影响，而负载扰动引起的动态响应时，此类方法不能消除均压控制器对原系统控制器的耦合影响。

针对上述问题，本文提出了一种基于共同占空比的单相d-q控制策略，通过引入电压均衡控制，调节共同占空比，从而达到电压均衡的目的。并且消除电压均衡控制器对原系统控制器在稳态和动态下的耦合影响。在Matlab/Simulink下搭建模型，仿真结果验证了所提电压均衡控制策略的正确性与有效性。

1 固态变压器整流级建模与控制

1.1 整流级数学模型

图1是N个H桥单相级联的整流级拓扑结构。vs是电网侧电压，is是输入电流，Ls是滤波电感，Rs是导线、滤波电感和开关损耗的等效电阻。和三相系统不同，实现单相d-q变换必须构造一个虚拟系统，该虚拟系统与原系统完全对称，且电网侧交流电压滞后于原系统电压90°，虚拟系统的滤波电感及等效电阻与原系统完全相同，其等效电路如图2所示。vm和im分别是虚拟系统的电压和电流。在文献[11]中详细阐述了单相d-q变换理论。

对图2运用基尔霍夫定律，可得整流级平均状态空间方程为：

图1 模块级联整流级单相拓扑

单相d-q变换矩阵为：

其反变换矩阵为：

联立式(1) ～式(3)，得整流级在d-q坐标系下的平均状态空间方程为[12]：

图2 虚拟系统

1.2 整流级均压控制

固态变压器整流级采用的是基于共同占空比的单相d-q控制策略。整流级各H桥模块连接的负载相同时，基于共同占空比的控制可实现输出直流电压均衡；当负载不同时，基于共同占空比的控制将无法保证输出直流电压均衡。因此，本文提出在基于共同占空比的单相d-q控制的基础上，加入均压控制，通过调节各模块占空比有功分量，进而调节输出电压，最终使整流级输出直流电压均衡，控制原理如图3所示。

图3 基于共同占空比的单相d-q控制框图

引入的电压均衡控制器会对原系统控制器会产生耦合影响，耦合作用对原系统控制器的影响是不可预测的，并会对原系统控制回路带来意想不到的变化[13]。因此，这种影响是控制回路中不希望出现的。本文的目的就是消除电压均衡控制器对原系统控制器产生的耦合影响。

原系统控制器的动态方程为：

其中，是输出直流电压的平均值，vdci是各个H桥模块的直流电压，dd和dq分别是占空比有功分量和无功分量。

加入均压控制后系统的动态方程为：

由式(5)和式(7)可得：

定义耦合指数为：

式(9)中，Δdddi是均压控制器的占空比，Δdvdci是直流电压与参考电压之间的差值。

因为占空比的无功分量始终不变，所以dq=dqi。因此，J2=0。如果J1=0，就可以消除均压控制器对原系统控制所产生的影响。即：

展开并化简得：

所以均压控制器的占空比满足：

本文提出的电压均衡控制器如图4所示。

图4 电压均衡控制器

2 仿真分析

为验证本文控制策略的可行性和有效性，对模块级联STT进行了SIMULINK仿真。为了简化分析，以三个H桥级联的七电平系统进行仿真验证，系统主要参数如表1所示。

表1 STT仿真参数

整流级的仿真波形如图5所示。三个级联H桥模块的电压均衡控制原理相同，同样为了简化分析，本文仅以第三个H桥模块为例进行仿真说明。

图5(a)是整流级输入电压与输入电流波形。输入电压和输入电流同相，所以系统运行在单位功率因数模式下。

图5(b)是整流级各模块输出的稳态直流电压。当整流级各模块所连接的负载相同时，输出直流电压值稳定在133V左右。

图5 整流级仿真波形

图5(c)是第三个H桥未加入电压均衡控制的输出直流电压波形。当负载R3从200V变为220V时，直流电压发散，vdc2增大、vdc1和vdc3减小。

图5(d)是加入均压控制后的输出直流电压波形。可以看到，三个直流电压迅速收敛到133V的稳定值。这就证了所提出的均压控制器可以有效的均衡H桥的输出直流电压。

图6是本文提出方法的耦合指数和以前提出方法的耦合指数的对比波形。虚线是本文提出方法的耦合指数，实线是文献[7～10]中提出方法的耦合指数。可以看到，在负载扰动之前，这两种情况下的耦合指数接近于零，表明两种方法都可以消除系统在稳态下的耦合影响。当H桥的负载发生扰动时，所提出的方法的耦合指数仍然是零，而文献[7～10]中方法的耦合指数发生较大的波动。显然，本文中的方法可以消除稳态和动态下均压控制器对原系统产生的耦合影响。

3 结论

对于模块级联固态变压器整流级存在的问题。本文提出在基于共同占空比的单相d-q控制的基础上加入电压均衡控制，通过调节整流级的共同占空比，从而实现整流级各模块输出直流电压的均衡。同时，该策略可以消除稳态和动态下均压控制器对原系统控制器的耦合影响。Matlab/Simulink仿真结果验证了电压均衡控制策略的可行性和有效性。

图6 本文方法的耦合指数和以前方法的耦合指数对比

[1]Huang A Q, Crow M L, Heydt G T,et al.The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM) System:TheEnergy Internet[J].Proceedings of the IEEE,2010,99(1):133-148.

[2]陈启超,纪延超,潘延林,等.配电系统电力电子变压器拓扑结构综述[J].电工电能新技术,2015(3):41-48.

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[3]刘金辉,张明锐,金鑫.应用于新型微网FREEDM的固态变压器研究[J].电气自动化,2010,32(6):48-50.

[4]Liu Y,Huang A Q, Song W,et al.Small-Signal Model-Based Control Strategy for Balancing Individual DC Capacitor Voltages in Cascade Multilevel Inverter-Based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(6):2259-2269.

[5]Dell'Aquila A, Liserre M, Monopoli V G,et al. Overview of PIBased Solutions for the Control of DC Buses of a Single-Phase H-Bridge Multilevel Active Rectifier[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2008,44(3):857-866.

[6]Fujii K, De Doncker R W. A novel DC-link voltage control of PWM-switched cascade cell multi-level inverter applied to STATCOM[A].Industry Applications Conference,2005.FourtiethIas Meeting.Conference Record of the.IEEE[C].2005:961-967,2.

[7]Zhao T, Wang G,Zeng J, et al. Voltage and power balance control for a cascaded multilevel solid state transformer[A].Applied Power Electronics Conference and Exposition.IEEE[C].2010:761-767.

[8]Watson A J, Wheeler P W, Clare J C.A Complete Harmonic Elimination Approach to DC Link Voltage Balancing for a Cascaded Multilevel Rectifier[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(6):2946-2953.

[9]Han C, Huang A Q, Liu Y,et al.A Generalized Control Strategy of Per-Phase DC Voltage Balancing for Cascaded Multilevel Converter-based STATCOM[A].Power Electronics Specialists Conference, 2007. Pesc. IEEE[C].2007:1746-1752.

[10]Dang H Q S, Watson A, Clare J, et al. Advanced integration of multilevel converters into power system[A].Industrial Electronics,2008. IECON 2008.Conference of IEEE. IEEE[C].2008:3188-3194.

[11]Zhang R, Cardinal M,Szczesny P, et al. A grid simulator with control of single-phase power converters in D-Q rotating frame[A].Power Electronics Specialists Conference, 2002. Pesc 02. 2002 IEEE. IEEE[C].2002:1431-1436 vol.3.

[12]She X,Huang A Q,Wang G, et al.A new voltage-balancing controller in cascaded multilevel converters[A].Energy Conversion Congress and Exposition. IEEE[C].2011:177-184.

[13]She X, Huang A Q, Zhao T,et al. Coupling Effect Reduction of a Voltage-Balancing Controller in Single-Phase Cascaded Multilevel Converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(8):3530-3543.