级联H桥静止同步补偿器新型容错控制

2022-04-26刘继军张晓娟

电力系统及其自动化学报 2022年4期

刘继军，张晓娟

（1.太原工业学院电子工程系，太原 030008；2.中北大学信息与通信工程学院，太原 030051）

近年来，由于电网中出现的电能质量问题及电力电子电能变换器的快速发展，柔性交流输电系统FACTS（flexible AC transmission system）引起了人们的关注[1-2]。在FACTS中，静止同步补偿器STATCOM（static synchronous compensator）可提高功率因数，加强系统输电能力、电压可控性和稳定性，故得到了广泛使用[3-7]。

涉及高压并网的STATCOM拓扑主要有级联H桥拓扑[8]、模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）拓扑[9]和 U-Cell拓扑[10]等，其中级联H桥拓扑由于具有模块化、无需隔离直流源和直接可控等优点，故应用较多。为提高级联H桥STATCOM可靠性，需设计包含绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）故障检测和容错运行两方面内容的控制方案。已有学者提出了不同技术来检测IGBT故障[11-12]，文献[11]采用一种人工智能算法，优点是辨识度高；文献[12]则提出了一种基于向集射极注入短时高压脉冲激励的IGBT故障检测方法，通过分析脉冲下IGBT等效二端口网络的输出响应，实验结果显示，其可在1 μs内快速检测IGBT运行状态，并在故障情况下识别故障类型，这为故障后容错运行奠定了基础。故障定位后，由于级联H桥拓扑中H桥模块故障可能会导致整个系统停机，故系统以最大允许容量故障容错运行至关重要[13]，而容错运行可分为硬件和软件方法。硬件方法基于额外的系统元件来获得容错能力，例如备用的H桥模块[14]，但需提供隔离直流源，同时成本也将增加，或在H桥模块中增设辅助元[15]，这也将带来成本增加和效率降低。而软件方法仅对控制策略调整，无需额外硬件，优势明显。例如一种简单的软件方法为将故障H桥模块旁路，非故障相H桥模块也同时旁路，这样可直接使用常规调制技术生成平衡的线电压，但调制比和容量较故障前大大降低。对此，文献[16]考虑仅旁路掉级联H桥系统中故障的H桥模块，然后采用称为基频相移补偿的调制方案，可实现最大幅值的三相平衡线电压，但也同时导致了大量的零序电压，使得各桥臂间的有功和无功功率分配不均，故仅适用于具有多个独立直流源供电的系统。文献[17]针对级联H桥STATCOM，采用传统的各相均旁路相同数量H桥模块的方案，然后升高剩余H桥模块的直流电压，从而可恢复系统额定容量，但该方法提高了H模块额定电压等级，增加了系统成本。

综上，本文提出了一种新型的H模块单开关故障容错控制方案用于级联H桥STATCOM。新方案属于纯软件策略，在H桥模块检测到故障后，设置内部旁路，系统剩余非故障部分均参与运行以生成最大的线电压。同时，STATCOM故障运行时容量可通过增加直流电压恢复至额定值，且直流电压增量低于传统方法。此外，新型控制器可将有功功率均匀地分配到各相，这与STATCOM应用场景兼容。针对故障前后的级联H桥工作原理，推导了特定谐波消除脉宽调制SHEPWM（selective harmonic elimination pulse width modulation）方程。通过有效的电压平衡技术，可在非故障和故障两种情况下保持对H桥模块的直流电压调节，而无需使用额外的辅助元件。

1 级联H桥STATCOM控制系统

图1为2N+1电平级联H桥STATCOM的电路。dq坐标系下STATCOM系统方程为

图1 级联H桥STATCOM的电路Fig.1 Circuit of cascaded H-bridge STATCOM

式中：us,d、us,q分别为电网电压dq轴分量；uc,d、uc,q分别为级联H桥输出电压dq轴分量；id和iq分别为并网电流dq轴分量；Ls和Rs分别为并网电感及其寄生电阻；ω为电网角频率。

考虑到级联H桥STATCOM的H桥模块直流侧不由隔离的直流源供电，为了降低成本，故控制系统的控制目标为①根据需求提供无功功率Qs_ref；②吸收适当的有功功率Ps_ref以抵消系统内部损耗；③合理分配有功功率至各H桥模块，调节H桥模块的直流电压均衡。对于前2个控制目标，可通过有功和无功功率控制模块（即内部控制闭环）实现，而第3个控制目标则是通过电压平衡方案实现的。

图2为级联H桥STATCOM的控制系统框图，其中，内部控制闭环的输入为直流电压参考Udc_ref和无功功率参考Qs_ref，输出为所生成的电压调制波幅值参考M*和相位参考δ*，M*和δ*作为SHEPWM模块的输入，SHEPWM模块基于查找表得到要输出的开关角，开关角经由电压平衡方案得到最终的开关脉冲信号施加于级联H桥。后续将介绍所设计的SHEPWM模块和提出的电压平衡方案，而内部控制闭环则遵循常规设计，即根据式（1）中的dq坐标系状态空间方程，可指定控制系统的特征值和特征向量，从而获得合适的稳定裕度，具体通过状态反馈控制理论确定系数矩阵K1和K2来实现控制目标。

图2 级联H桥STATCOM控制系统框图Fig.2 Block diagram of cascaded H-bridge STATCOM control system

2 H桥模块故障下运行分析

H桥模块拓扑和开关表见图3（a），通过开关状态组合，H桥模块可在输出侧产生3个电压电平“Udc,lu”“0”和“ -Udc,lu”，其中下标“l”代表a、b和c相，下标“u”代表l相桥臂中第u个H桥模块。H桥模块的输出电压uolu为

图3 H桥模块正常和故障状态下的运行Fig.3 Operation of H-bridge module under normal and fault conditions

式中，s1lu和s2lu为H桥模块上管的开关状态，导通为1，关断为0，下管开关状态s3lu、s4lu始终与上管互补。单开关故障后，应实施外部或内部旁路机制以防止故障扩散。其中外部旁路为采用外部旁路开关将整个故障H桥模块旁路；内部旁路不使用额外外部开关，而是通过设置适当的开关状态以实现旁路。内部旁路可绕过H桥模块中故障桥臂，并继续使用剩余桥臂的开关，并无需额外元件，故优先选用。

以H桥模块中开关管S1lu为例，当S1lu短路故障时，无论门极驱动指令如何，该开关管将持续为导通状态。因此，检测到H桥模块中单开关管故障后，将故障桥臂另一开关S3lu保持在断开状态以使桥臂开路。而当H桥模块中S1lu开路故障时，则故障桥臂始终保持开路，此时将故障桥臂另一开关S3lu保持在导通状态以使电流不由反并联二极管流过，避免使输出电压失真。与两种故障情况对应，故障H桥模块输出均缺少1个电压电平。根据式（2），缺失的电平可能为“-Udc,lu”或“Udc,lu”。H桥模块正常和故障状态下的运行如图3所示。

表1给出了H桥模块不同开关管发生短路或开关故障时的电平缺失情况汇总，其中将故障按照电平缺失情况进行分类为F1和F2，对应缺失电压电平为“Udc,lu”或“ -Udc,lu”。

表1 H桥模块开关管故障分类Tab.1 Classification of H-bridge module power switch faults

3 故障容错SHEPWM

SHEPWM的主要原理为使用一些预定义的开关角来消除级联H桥变换器输出电压的低次谐波，同时将基频分量调节至规定值。SHEPWM可通过求解一组非线性超越方程来实现，而超越方程是从变换器交流输出电压的傅里叶分析得出的。

图4为非故障工况下，采用SHEPWM时七电平级联H桥1个开关周期内的输出电压波形，其中在1/4个开关周期内有8个开关角。

图4 非故障下七电平级联H桥输出电压波形Fig.4 Output voltage waveform of seven-level cascaded H-bridge under non-fault condition

若存在H桥模块单开关故障，则旁路处理后故障相将失去1个电压电平。例如，七电平级联H桥发生F1故障，则+3Udc电压电平丢失；而在F2故障则对应-3Udc电压电平丢失。因此，针对F1和F2故障修改了SHEPWM波形，如图5所示。

图5 H桥模块故障下七电平级联H桥输出电压波形Fig.5 Output voltage waveform of seven-level cascaded H-bridge under H-bridge module fault

考虑到直流电压由内部控制闭环调节，故直流电压参考可用作故障容错运行控制的自由度，以实现故障下STATCOM的额定运行容量。为了实现该目标，故障前后的基频交流电压幅值应相等，即

由式（13）可知，系数2N/（2N-1）决定了H桥模块直流参考电压的增量，进而在故障条件下保持系统额定容量。例如，在七电平级联H桥STATCOM中，故障后H桥模块的直流电压需增加20%进而保持额定容量。因此，在级联H桥设计阶段，为了保持额定容量，需增大H桥模块直流电压裕度。此外，本文方案相较与文献[17]中使用的方法，维持STATCOM系统额定容量所需的H桥模块直流电压裕度更低，因为后者需要增加N/[（N-1）（2N-1）]倍。值得注意的是，本文方案也无需任何辅助元件，成本优势也很显著。

4 电压平衡方案

电容电压平衡方案中，每半个采样周期对每相H桥模块的直流电压进行排序，称这个时间段为平衡采样周期，即平衡采样周期为直流电压排序周期。在每个平衡采样周期中，根据电容电压和STATCOM的工作模式（容性或感性），将开关角分配至H桥模块，使直流电压较低的H桥模块的电流和输出电压的基频分量相移小于π/2；而对于直流电压较高的H桥模块，相移大于π/2，这将导致具有较高直流电压的H桥模块放电，而直流电压较低的H桥模块充电。图6为容性和感性工作模式下，七电平级联H桥电压平衡方案的原理。

图6 七电平级联H桥STATCOM电压平衡方案原理Fig.6 Schematic of voltage balance scheme for sevenlevel cascaded H-bridge STATCOM

式（18）描述了本文所设计电压平衡方案的平衡差度（即电压平衡能力），远大于文献[18]所述的传统方案。在新型电压平衡控制下，容性工作模式（sinφ＞0）时，在1个平衡采样周期内通过合理的分配开关角，可分别配置Blu_max和Blu_min给直流电压最低和最高的H桥模块；而感性工作模式下则反之亦然。

值得注意的是，STATCOM系统故障容错运行后，引入电压平衡控制的重要性将更加突出。根据图4，通常2N+1电平级联H桥在正负两侧均产生N个电压电平，分别为Udc～NUdc、-Udc～-NUdc。

图7为故障容错运行下的电压平衡算法流程。故障发生后，通过设置旁路在级联H桥的故障相将丢失1个电压电平，因此根据不同工况需补充1个电压电平。为了生成平衡的线电压，丢失的电压电平在非故障相中也不再合成，但是非故障相可选择性的丢失电压电平，而无需对任意元件旁路，即非故障相中的H桥模块均可正常运行，并有效地调节直流侧电容电压。

图7 级联H桥STATCOM电压平衡算法流程Fig.7 Flow chart of voltage balance algorithm for cascaded H-bridge STATCOM

为了实现STATCOM中H模块单开关故障容错运行时在交流侧产生最大的平衡线电压，所设计容错控制策略在处理故障相后，非故障相也需配合处理才能达到预期效果。此时，非故障相中不再合成故障相中丢失的电压电平，同时非故障相H桥模块直流电压仍作为另一个控制自由度来达到额定容量。非故障相可选择性的丢失电压电平，而无需对任意元件旁路，即非故障相中的H桥模块均正常运行，并有效地调节直流侧电容电压。相关策略如图8所示，采用该策略控制非故障相，可使得非故障相的H桥模块在故障容错运行期间的运行更均匀。

图8 非故障相的H桥模块轮换策略Fig.8 Rotation strategy for H-bridge module in nonfaulty phase

5 仿真分析

为验证所设计的级联H桥STATCOM的新型故障容错控制器，在PSCAD/EMTDC平台上开展了仿真分析。其中七电平级联H桥STATCOM额定无功容量为±1.2 MVar，每相含3个H桥模块，H桥模块直流电容C为8 mF，总有功损耗为9 kW，STATCOM通过30 mH的滤波电感Ls接入至3.3 kV中压电网，滤波电感寄生电阻Rs为0.1 Ω。调制采用前述SHEPWM方案，具有8个可控开关角，H桥模块故障前后的直流电压分别为1 000 V和1 200 V。

首先将级联H桥STATCOM在额定容性模式下运行直至t=2 s，然后将a相第3个H桥模块的开关S3a3设置开路故障，即F2故障，可得图9所示仿真结果。其中，图9（a）为a相H桥模块直流电压udc,a1波形，可以看出，应用所提出的故障容错方法，H桥模块直流电压仅升高200 V，用时约0.1 s，且纹波小于5%。图9（b）和图9（c）分别为应用修正后SHEPWM得到的相电压uan和线电压uab波形。虽然控制器会在uan中产生直流偏移，但通过对非故障相施加相同的调制，可自动消除uab中的直流偏移。图9（d）中的并网电流ia波形可见，运行容错控制算法后系统容量得到恢复，且故障前后电流总谐波失真接近，分别为1.36%和1.88%。

图9 F2故障仿真结果Fig.9 Simulation results under faultF2

将级联H桥STATCOM在额定感性模式下运行直至t=2 s，然后将a相第3个H桥模块的开关S1a3设置短路故障，即F1故障，可得图10所示仿真结果。其中，图10（a）为udc,a1波形，可见，H桥模块直流电压在0.1 s内升高了200 V，以维持系统额定容量。图10（b）和图10（c）分别为uan和uab波形，uan中存在负的直流偏移，但uab中直流偏移已被消除。图9（d）为并网电流ia波形。

图10 F1故障仿真结果Fig.10 Simulation results under faultF1

6 实验验证

为验证故障容错控制策略和仿真分析结果，搭建了图11所示的五电平级联H桥STATCOM小功率样机及其控制器，进行实际测试。其中容错算法基于DSP（TMS320F28335）实现，实验系统参数如表2所示。

图11 实验平台Fig.11 Experimental platform

表2 实验系统参数Tab.2 Parameters of experimental system

首先进行F2故障测试，STATCOM先运行于容性模式，然后将级联H桥a相第2个H桥模块的开关S3a2设置为开路，导致电平-2Udc丢失，得到图12所示实验结果。由图12（a）中udc,a1波形可见，故障后H桥模块直流电压在0.1 s内升高10 V以恢复额定容量。图12（b）为直流uab波形，图12（c）为ia波形。可见，并网电流幅值在运行容错控制算法后恢复，且故障前后电流总谐波失真接近，分别为3.38%和3.87%。