中压级联SVG直流侧电压均衡控制策略

彭咏龙， 黄江浩， 李亚斌， 杜 鹏， 贺 宁

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)作为电力电子行业中一种能够高效实时地补偿无功的新型逆变装置[1-2]，已被广泛应用于低压或高压领域，但在中压大容量场合的应用受到一定限制。 H桥级联型SVG直流侧各电容之间相互独立、拓扑结构简单且输出电压谐波含量少，无需多重变压器的接入便可直接应用于中高压电网[3-5]，而级联式拓扑结构在高压驱动和无功补偿领域的应用已经比较成熟，故目前更适合于中压配电网的无功补偿。但各H桥逆变单元之间会因开关损耗、脉冲延时及电路器件参数的差异性导致直流侧电容电压的波动并偏离设定值[6-9]，会直接影响到装置的补偿效果及输出波形的质量[10]。因此如何有效解决直流侧电压不平衡问题便成为了中压SVG在实时补偿无功电流过程中要解决的一个关键性难题。

目前人们针对解决电压不平衡的问题所提出的方法已屡见不鲜。文献[11～12]是从硬件上入手，通过附加一定的均压电路来实现交—直流侧的功率交换进而平衡直流电压，但改装后的设备体积大、运行成本高、功率损耗大，不利于生产。文献[13]实现了中压领域级联STATCOM直流侧电压的三级平衡控制，但该系统控制较为复杂，实用性差。文献[14]采用一种基于模糊控制来代替传统的PI控制的电压平衡方法，虽获得了较好的稳态误差，但系统响应速度依旧很慢。文献[15]提出了在主调制波信号基础上叠加一个能够实现交直流侧能量互换的微调量方法来进行均压控制，但并未给出具体的实施方案。

本文通过分析级联SVG的主电路结构，并结合公式推导证明了直流侧电压的波动过程，同时引入了一种自适应 PI控制取代原来的PI控制。接下来深入研究了中压级联SVG直流侧电压平衡分层控制策略，上层稳压结合改进的瞬时无功检测算法并引入自适应 PI控制产生有功、无功指令电流，再通过前馈解耦控制及dq反变换生成的主调制波分量来改变SVG与外部的能量交换来完成对电容的充放电，进而维持各相总电压的稳定及相与相之间的均衡。下层控制基于单位化输出电流的思想重构调制波微调量，用于叠加到上层控制生成的输出量中，从而控制各相内各单元电容电压均衡。最后基于 MATLAB/SIMULINK平台对此进行了仿真研究，并使用TI公司生产的DSPTMS320 F28336高性能核心控制器设计了3 kV中压三级联 SVG试验装置，证明了该控制策略的有效性。

1 直流侧电压波动过程

在H桥级联的SVG主电路结构中，由于不存在直流母线，会出现多种连接方式，其中星型连接所需级联模块最少，简单且易于实现，同时能够对非零序电流进行有效补偿，故相与相之间采用星型连接方式。首先每相是由多个相同的H桥单元级接而成，且各单元电容之间互不影响，再经过串联输出电感L、单相损耗的等效电阻R并入电网。其中usi、isi(i=a,b,c)分别为电网的三相输出电压、电流，iLi、ici(i=a,b,c)分别为三相负载电流和SVG的补偿电流。Udcai、Ucai(i=1,2,3)分别为A相各单元电容电压及经H桥逆变后的输出电压，其他两相以此类推。

H桥级联的SVG主电路结构如图1所示。

图1 H桥级联SVG的拓扑结构

根据主电路的结构，直流侧的波动过程可通过如下的公式推导得以证明：

(1)

设各H桥单元直流侧电压均为Udc, 由功率平衡可得：

(2)

设SVG的调制比为m,无功控制角为δ，则有：

(3)

联立(1)(3)式，并经过dq变换后可得：

(4)

由于无功控制角δ趋于0，故式(4)中的第三行可以简化为

(5)

将式(5)两边同时乘以Udc进一步变形为

(6)

当SVG主电路参数L、C和调制比m已知时，公式(5)表明直流侧电压的不平衡可以用d轴的有功分量来表征，同时调制比的改变也会引起直流侧电压的波动，因此需要一定平衡控制方法对电网输出的有功指令电流进行调节，使直流侧电压稳定在某个波动范围。

2 控制原理

2.1 自适应PI控制原理

在整个电压平衡控制系统中，需要用到大量的PI控制器，为了克服由于传统PI参数固定造成的SVG装置响应速度慢、实时性差、跟踪性能不好的缺陷，提出了一种基于自适应PI控制用来代替传统PI控制的方法，该方法能够在负载跃变的条件下，运用PI调节参数自适应地对误差进行在线辨识并加以控制,直至控制器达到最佳状态为止。以下(7)～(11)式构成了整个自适应PI控制算法。

(7)

L=K1KL

(8)

(9)

(10)

KI=K3Kp-K4LR

(11)

式中：KL为电感计算系数；K1、K2、K3、K4为修正系数；L、R分别为等效电感、电阻计算值；X为控制器输入值；Y为控制器输出值；Y*为控制器的期望输出值；KP、KI分别为自适应PI调节器的比例、积分系数，二者将作为整个算法的核心控制部分。KP能够加快响应速度和增强稳定性，KI可以在短时间内消除稳态误差，结合二者的优势，灵活地运用电压自适应参数KP和KI进行电压调节，用电流自适应参数KP、KI进行电流调节，且调节过程中需要根据采样电压、电流的变化率，利用修正系数对相关参数不断地更新，从而完成整个自适应PI控制过程。

2.2 直流侧电压平衡控制原理

由图2可以看出整个控制原理可以叙述为：基于瞬时无功理论和上层稳压控制的检测环节产生了有功指令电流id*、无功指令电流iq*。同时，SVG装置输出的补偿电流经dq变换后将生成实际的有功电流分量id、无功电流分量iq，指令值与实际值在进行前馈解耦控制后再经dq变换即可生成SVG的三相输出电压主调制波，在此基础上分别叠加一个由下层均压控制产生的调制波微调量Δucmi(m=a,b,c;i=1,2,3)，最后生成逆变器开关的驱动信号，从而控制各直流侧电压的均衡。

图2 整个系统控制框图

3 分层控制策略

级联型SVG已被逐渐应用在中压场合来进行无功补偿，但直流侧电压的波动会造成器件功率损耗的增加和输出波形质量的下降，使得SVG装置的补偿效果变差。可见，控制直流侧电压的平衡是保证中压SVG能够正常工作的前提条件，由此本文提出了一种新颖的分层控制方法。

3.1 上层稳压控制

上层控制主要通过调节有功分量的大小来维持直流侧各相总电压的稳定，进而确保SVG能够快速跟踪指令电流的变化。

3.2 下层均压控制

图3 上层稳压控制框图

(12)

(13)

基于以上理论分析便得出如图4所示的A相相内均压过程。

图4 A相直流侧各单元均压控制

由图4可知下层控制主要是控制每相各单元直流电压的均衡。它是保证SVG每相输出电压不变的同时，在全局稳压控制的基础上每相各单元叠加一个基于单位化电流构造的调制波微调量Δudci，通过从电网吸收不同的有功功率来补偿各单元自身的功率损耗，从而动态地改善各模块吸收的能量，以达到相内直流电压均衡的目的。

4 仿真及实验验证

4.1 仿真验证

为了证实本文所提出改进方法的准确性，基于MATLAB/SIMULINK的平台，并以阻感型三相不控整流桥作为非线性负载，对3 kV星接H桥中压三级联SVG进行了仿真研究。其主要仿真参数设置如下：系统线电压为3 kV, 级联SVG容量为300 kVA, 各单元直流电压为900 V, 直流电容为 2 mF, 主电感为 3 mF, 开关频率为10 Hz。

仅加入上层稳压控制时，可得到如图5所示的A相直流侧总电压波形，设参考电压值为2 700 V，初始电压为2 300 V，从图中可以得知起初经过短暂的波动后，基本上收敛于2 700 V左右，同时反应了自适应PI控制响应速度快、稳态性能好的特点，很好地实现了上层稳压控制。

图6为仅采用了上层控制后直流侧各单元电压的波动情况，各单元参考电压值为 900 V，初始电压设为860 V，从图中可以看出由于各单元之间存在的自身损耗差异，造成了电压较大的波动并呈发散趋势，严重时会因开关应力过大而导致器件损坏。在引入下层均压控制后，从图7中可以看出各单元间电压在短时间内能够较快地收敛于900 V左右并趋于稳定，上下波动不超过25 V，误差率为2.7%，较好地实现了各单元均压。

图5 A相直流侧上层稳压控制

图6 A相各单元电压不均衡控制情况

图7 采用均压控制后各单元电压

4.2 实验验证

为进一步使所提出直流侧电压平衡控制策略得到有效和精确地验证，本文采用基于TI公司的TMS320F28336型DSP芯片作为主开发板，搭建了3 kV中压级联SVG实验样机如图8所示，其参数设置与仿真参数基本上保持一致。

当加入分层控制策略后，为了进一步体现系统的动态性能，图9显示了0.48 s之前每个模块电压都趋于一稳定值，在0.48 s时刻负载突然发生了变化，并经过0.1 s的波动后均能够迅速恢复到平衡状态，且偏差较小，电压均衡效果显著。

图8 SVG实验平台图

为了进一步体现SVG最终的补偿效果，图10中展示了电网电流的动态补偿情况，从图中可以看出网侧电流波形几乎接近正弦，补偿后的谐波畸变率为2.78%，即使在负载迅速变化时也具有良好的动态补偿效果，充分证明了改进的分层控制方法在中压领域应用的可靠性。

图9 突变前后直流侧各单元电压实验波形

图10 引入控制方法后的三相补偿电流

5 结论

针对中压级联H桥SVG系统，本文从整体稳压和各模块均压两个层面来解决直流侧电压不均衡问题。上层控制主要由全局稳压控制、相间均压及无功电流检测3部分构成，它通过引入以电压平方差为输入量的自适应PI外环控制提高电流跟踪能力，通过生成的有功指令电流与改进的瞬时无功检测算法相结合建立直流侧电压主调制波分量，用来维持各相总电压的稳定；下层均压控制则通过重构一种基于单位化电流的调制波微调量，用来叠加在上层控制产生的主调制波上实现相内电压均衡。本文所提方法不仅实现了直流侧电压平衡，且在负载突变情况下也达到了良好的均压效果，同时提高了电流的跟踪补偿精度。仿真和实验结果验证了该分层控制算法的准确性，并在中压领域存在一定的实用性。

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