基于小信号模型的级联H桥型STATCOM的直流电容电压平衡控制策略

基于小信号模型的级联H桥型STATCOM的直流电容电压平衡控制策略摘要本文提出了一个新的反馈控制策略控制级联H桥型STATCOM的直流电容电压平衡。这种控制策略主要基于小信号模型，关键在于提供一个补偿装置来控制模型中电压的平衡。当H桥工作在不同的开关模型或者参数变化时，该控制装置能有效的控制直流电容电压的平衡。它有两个优点：1）该控制装置能适合于各种工作模式（容性模式、感性模式以及无负荷模式）。2)控制装置对于电压质量的影响小。仿真结果证实了该控制方法的有效性和可行性。关键词：多电平逆变器，无功功率，STATCOM，电压平衡1引言STATCOM作为柔性交流输电装置家族的一员，连接在主电路上，产生或者吸收无功功率。当STATCOM向主电网注入无功功率时，它工作在容性模式；反之，如果STATCOM从电网吸收无功功率时，它工作在感性模式；如果没有电能在STATCOM之间交换，那么它工作在无负荷模式。STATCOM可以调节电压，控制功率因数。与传统的无功补偿装置相比，STATCOM有着响应速度快、可连续调节无功功率、谐波电流小、损耗低、装置体积小等优点。作为配电系统电能质量调节的有效手段，STATCOM成为近年来的研究热点。相对于传统变压器多重化结构的STATCOM，级联H桥型STATCOM具有无需多重化接入变压器、效率高、可扩展、便于模块化设计等优点被广泛关注。级联H桥型STATCOM的一个缺点就是直流侧的电容电压不平衡，主要引起这样不平衡的原因是：1）不同的H桥之间的开关损耗不同2）在H桥之内各元件的参数变化3）控制精度。电容电压不平衡会带来许多不利的影响，电容电压的不平衡会使STATCOM输出电压的谐波畸变率增大，降低了输出电压质量。当其不平衡度较大时，某些链节的电容电压会偏高，影响到装置的安全运行，严重时会导致系统瘫痪。一个可行的避免这种电压不平衡的控制策略必须满足四个要求：1）当STATCOM工作在容性模式，感性模式和待机模式时，可以很好地工作2）对电压质量的影响越小越好3）当H桥元件中有参数变化时也可以正常平衡电压4）当H桥处于各种不同的开关模式时，可以正常运行。本文展示了一个新的反馈控制策略控制级联H桥型STATCOM的电容电压平衡。小信号模型指引我们找到了一个有效的方法来改变电压从而实现我们的控制目标。由小信号模型我们得知，直流侧电容电压的增益的传递函数是时变的，通过引入一个补偿装置来消除这种增益的变化，该装置可以很好的工作于各种操作模式：容性模式、感性模式以及无负荷模式。2级联H桥型STATCOM的数学模型级联H桥型STATCOM拓扑结构的基本单元是单相全桥变流模块（H桥）。通过H桥在交流侧串联构成每一相换流阀组，从而减小输出的谐波含量。其每个H桥直流侧电容相互独立，总输出电压为多个级联单元输出电压之和。2.1级联H桥型STATCOM主电路级联H桥型STATCOM阀组的连接方式有三角形连接和星形连接。这2种方式各有其特点，本文以星形连接方式为例来说明阀组间直流侧电压不平衡及其原因。星形连接阀组的主电路拓扑如图１所示。设各开关器件工作在理想状态下：连接电抗为SL；三相系统电压分别为scsbsauuu,,；系统电流分别为scsbsaiii,,；静止同步补偿器输出电压分别为cccbcauuu,,；补偿电流分别为cccbcaiii,,；负载电流分别为lclblaiii,,。图1星型连接级联H桥STATCOM的主电路拓扑2.2静止坐标下的单相等效模型级联STATCOM用于补偿无功功率时，直流侧电容电压为直流分量的叠加2次谐波，经过调制波调制，输出为基波分量和3次谐波。其中，3次谐波在三相三线制系统中相互抵消，因此可以认为三相系统间没有相间干扰，三相相互独立，级联H桥STATCOM单相等效电路如图2所示。图中，pai和qai分别为a相有功和无功电流。图2STATCOM单相等效电路根据图2，可以得到级联H桥STATCOM的单相等效电路模型的数学表达式为：ScaSsacaSScaLuLuiLRdtdi（1）3基于小信号模型分析级联STATCOM直流电容电压平衡原理图3级联H桥型STATCOM等效电路这里主要分析下直流电容电压的控制回路的分析：j=a,b,ck=1,2（2）由图3的电路我们可以得到：jkdcjkjkHvSv,,jIjkjkdciSi,,2,21,12,1,,jdcjjdcjjHjHjUNvSvSvvv（3）jkS和jkdcv,是功能开关和直流环节电压。当1S和4S闭合时，功能开关为1；当2S和3S闭合时，功能开关为-1；当1S和3S或者2S和4S闭合时，功能开关为0。把jkS的平均值写成jkd，即：jkd=jkS（4）则，上面（3）式可写成：jkdcjkjkHvdv,,jIjkjkdcidi,,2,21,12,1,,jdcjjdcjjHjHjUNvdvdvvv（5）其中，21jjjddd（6）对图3中每个H桥，我们可以得到不同的直流电容电压ckdccIckbkdcbIbkakdcaIakckdcckHckdcbkdcbkHbkdcakdcakHakdcckdcbkdcakdcCidCidCidCRvCRvCRvvvvdtd,,,,,,,,,,,,,,,.,,（7）由于上述矩阵T的转置矩阵rT同样是T的逆矩阵。所以，TrT时一个单位矩阵.如此，上面公式（7）可以写成：cIbIaIckdcckbkdcbkakdcakckdcckHckdcbkdcbkHbkdcakdcakHakdcckdcbkdcakdciiiTCdCdCdCRvCRvCRvvvvdtd,,,r,,,,,,,,,,,,.,,T000000（8）从abc坐标系转换到dq坐标系后可知：cIbIaIIqIdIiiiTiii,,,0,,,（9）从（8）和（9）可以得到小信号模型：232cos32sin232cos32sin2cossin320,,,,0,,,,0,,,,,,,,,,,,,,,,IqIdIckdcckIqIdIbkdcbkIqIdIakdcakckdcckHckdcbkdcbkHbkdcakdcakHakdcckdcbkdcakdcititiCdititiCdititiCdCRvCRvCRvvvvdtd（10）对于A相，从H桥的占空比的传递函数得到相应的直流电容电压为：akdcakHIqIdIakdcakakdcakvdcdCRsititiCdvG,,0,,,,,,12cossin321（11）同理，可知B相直流电容电压为：bkdcbkHIqIdIbkdcbkbkdcbkvdcdCRsititiCdvG,,0,,,,,,1232cos32sin321（12）C相直流电容电压为：ckdcckHIqIdIckdcckckdcckvdcdCRsititiCdvG,,0,,,,,,1232cos32sin321（13）图4H桥A相角度变化前后的输出电压上图显示了H桥的输出电压，可表示为：dqakFakFddtVvarctansin,,（14）其中，tsin是aSNv,的相位，akFV,是akFv,的幅值。H桥的占空比可表示为：EvdakFak,（15）通过开关角可以得出幅值的计算式：akakakakakakFEV,5,4,3,2,1,coscoscoscoscos4（16）由公式（14）到（16），我们可知：akakakakakdqakddtd,5,4,3,2,1coscoscoscoscosarctansin4（17）图4中虚线波形是角度变化后的输出电压波形，每个桥都有相同的变化角度ak。则公式（17）可以表示为：akakakakakdqakakddtd,5,4,3,2,1sinsinsinsinsinarctansin4（18）由公式（11）到（18）我们可以得到角度变化时不同相之间有不同的电容电压传递函数（19）指数jk非常重要，jk的值是时变的。它可能有益，也可能有害，或者没有作用。在控制回路中，我们用一个补偿装置JKH,来抵消jk的作用效果。这是这个控制策略的核心。其中，jkjkH1,（20）4仿真结果分析综上所述，我们可以设计一个控制模型如下图：其传递函数为：jkdcjkHjkindfDJKDCjkindCRsHGGCT,,,,,1324其中jkindH,是PI补偿器。………未完待续