級聯H橋靜止無功發生器的直流側電壓控制方法

王改云，吳昊天

（桂林電子科技大學，桂林 541004）

級聯H橋靜止無功發生器的直流側電壓控制方法

王改云，吳昊天

（桂林電子科技大學，桂林 541004）

該設計提出一種綜合直流側電壓控制方法，該方法使用改進的解耦控制，分離有功和無功分量，增加補償精度。設計預充電啟動電路，減小SVG啟動時的超調電壓和沖擊電流。通過仿真和實驗實際應用證明綜合直流側電壓控制方法比傳統方法更有效地抑制SVG的沖擊電流且電壓控制穩定。

靜止無功發生器；改進解耦控制；PI控制；超調電壓抑制

0 引言

隨著科技進步各種感性容性以及非線性負載得到了越來越廣泛的使用，這些無功負載會產生無功功率和諧波電流，從而引起一系列電能質量的問題，在電力系統中不僅增加了電網有功損耗而且帶來了諧波污染。快速實時的無功功率補償對提高電力設備利用率，提升電力系統穩定性，保證供電電壓穩定具有重要意義[1～5]。

靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）作為新型無功補償設備，具有調節速度快、運用范圍廣、諧波含量低等優點。目前國內外投入使用的SVG多基于變壓器多重化的結構進行設計，在一定程度上滿足了裝置容量的需求，但是設備占地面積大，成本昂貴。而無功補償正朝著高壓大容量的方向發展，這對電力系統無功補償設備提出了更高的要求。級聯H橋式SVG具有各逆變單元獨立、易于模塊化擴展、控制策略簡單、無需多重變壓器接入、在輸出相同的電平下所需開關器件少、成本較低等優點，得到了越來越多的重視[6～8]。

由于級聯H橋SVG直流側電容相對獨立，理想情況只需要向直流側注入一定的有功功率就能維持直流側電容電壓穩定。但是實際中由于開關器件損耗和觸發脈沖存在差異，使得H橋模塊充放電時間不一致和電容電壓不平衡。嚴重時導致設備失穩無法正常運行。因此直流側電壓的控制對于SVG工作的性能至關重要。文獻[9]提出了改進解耦控制方法，該方法具有電網電流波形質量高、功率脈動小、動態響應速度快等優點，但沒考慮沖擊電流過大的問題。文獻[10]提出了基于直流母線能量交換的直流電壓平衡控制方法，但直流側需額外增加變壓器，使整個逆變器結構變得復雜，設備損耗增加，成本顯著提高。文獻[11]著重對級聯H橋相間直流電壓平衡控制策略進行了詳細分析，并提出了相間電壓平衡控制的方法，但對相內各模塊間電壓平衡控制沒有進行考慮。本文對這種級聯H橋式SVG進行了研究，并提出綜合直流側電壓控制方法，該方法分別在電壓外環通過軟啟動方式、PI直流側電壓調節抑制超調電流，電流內環使用改進的解耦控制分為有功和無功分量。通過仿真和裝備實驗證明方法有效可行，能夠解決SVG啟動和運行過程中的直流側電壓控制問題。

1 SVG工作原理和結構

1.1 無功發生器工作原理

圖1 SVG等效原理圖

SVG工作時根據諧波電流檢測的負載端產生的諧波電流和無功電流，產生相應的補償電流予以補償。從而防止負載部分產生的諧波電流和無功電流流入網測，污染網側電流影響電網電能質量。即在整個系統中，電網產生的僅是基波電流并與電壓同相位，而SVG負責產生負載端非線性負載所需的諧波電流和無功電流。其工作基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯到電網上，適當地調節橋式電路交流側的輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制交流側電流，就可以使得該電路吸收或者發出能滿足上述要求的無功電流，補償負載產生的感性或者是容性的無功功率。

圖1為SVG的單相等效原理圖。其中SVG中所有有功損耗都折算到電抗的電阻R中SVG輸出電壓。與輸出電流始終是相差90°。SVG電壓與電網電壓的相位差為Ψ，電網電壓與電流相差小于90°（90°-Ψ），因此電網提供了有功功率補充連接電抗器上的電阻的有功損耗（也包含SVG的有功損耗）。通過改變Ψ和的幅值就可以改變輸出電流的相位和大小，從而使SVG補償電網合適的無功功率，實現實時調節。

1.2 鏈式SVG的主電路結構

級聯H橋SVG主電路拓撲結構如圖2所示，主要包括級聯H橋模塊、PI控制模塊、鎖相環模塊、觸發角模塊、IGBT驅動模塊和有功功率控制模塊。SVG的核心結構是H橋逆變器，每相結構相同，由N個H橋模塊串聯組成，各模塊直流側電容獨立。在運行過程中根據檢測出的系統電壓電流，計算得到無功功率，轉化為IGBT的驅動信號改變H橋的導通角度，控制無功發生器逆變產生所需的無功電流，補償電網中的無功容量，提高電網的功率因數。

圖2 SVG結構圖

2 啟動模塊設計

2.1 啟動模塊結構

在SVG啟動時電網直接對直流側電容充電，會產生較大的沖擊電流。傳統的直流側電容電壓平衡控制法可以實現一定時間內平衡和穩定電容電壓，但是不能有效地實現動態跟蹤控制，直流側電壓會出現超調，并產生沖擊電流，甚至燒毀元器件。因此在SVG啟動瞬間加入直流側階梯抬升控制有助于抑制直流電壓的超調，同時防止過大電流燒毀元器件，提高設備使用壽命。圖3為啟動模塊結構圖。本設計是用于10KV無功發生器，故先通過變壓器降壓，然后由移相調壓模塊調整電壓大小，再由變壓器升壓至10KV直接為無功發生器的H橋充電。啟動模塊在SVG啟動前對直流側電容預充電達預定值V，SVG啟動后電網電壓通過H橋繼續給電容充電，并維持電容電壓穩定同時啟動模塊斷開；

圖3 啟動模塊結構圖

移相調壓模塊使用龍科LSA-TH3P150Y智能三相交流一體化調壓模塊。該調壓模塊有多種控制方式，為降低干擾，提高精度，對其控制信號選擇4～20mA的電流控制方式。

2.2 控制信號產生模塊

控制信號產生模塊主要由控制器和AD421數模轉換器組成。AD421是ADI公司推出的一種單片高性能數模轉換器，由電流環路供電，16為數字信號串行輸入，可以輸出4～20mA電流。其積分線性誤差0.0001%，增益誤差0.2%。滿足設計要求。具體電路如圖4。

圖4 控制信號輸出電路圖

VCC腳連接去耦電容C5和在COMP引腳和DRIVE引腳之間接0.01uF電容，保證了電流輸出穩定，芯片內部的運放與外部調整管形成反饋回路。處理器發送16位串行數據信號，時鐘信號和LATCH信號控制芯片AD421。串行輸入的數據為0000時編程電流I為4mA，為FFFF時輸出電流為20mA。LOOP_B輸出環路電流到移相調壓模塊的控制信號引腳，LOOP_A為環路電流的輸入。根據控制器發送的數據就可以快速控制電路得到4～20mA的電流，實現對移向調壓模塊的實時控制。

3 改進控制方法的解耦算法

由于SVG是一個非線性、強耦合系統，利用puck變換能有效分離電流內環的有功電流（id）和無功電流（iq）[12]。改進解耦控制原理框圖如圖5所示：

圖5 改進的解耦原理圖

式中△Ud和△Uq分別為PI控制器輸出；ω為電網電壓頻率50Hz；L為濾波電抗器的電感值；R為等效電阻。最后將獲得的參考有功和無功電壓分量進行d-q反變換，得到各H橋對應的三相參考電壓。

4 系統仿真和結果

使用上述方法，使用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建系統模型，對提出的級聯H橋SVG啟動和穩態進行仿真。本文仿真當系統中的負荷需要大量無功容量時，在相同負載條件下，未加入綜合控制方法的SVG和使用綜合直流側電壓控制方法的SVG進行仿真，仿真結果電壓波形圖分別如圖6和圖7所示。橫坐標為時間，縱坐標為電壓。

在同樣條件下，圖4中未加綜合啟動策略的直流側電壓波形出現超調現象，而圖4中經過啟動策略直流側電壓比較平滑并且電壓很快穩定。運用本文提出的啟動策略能有效地抑制SVG并網時的超調電壓，避免過大的沖擊電流。

圖6 未加控制方法直流側電壓

圖7 加入控制方法直流側電壓

5 實驗結果

使用以上算法在樣機設備的實驗結果如圖8所示。錄波器橫坐標為時間，上一波形為SVG的A相輸出電壓波形；錄波器下一波形為SVG的A相輸出電流波形。橫坐標都為時間。可見SVG輸出電壓和電流正好相差90°，且波形穩定無畸變。結果顯示在SVG設備上的實驗效果和仿真結果一致，說明算法和設計具有實用價值。

圖8 實驗波形

6 結語

本文對SVG并網時啟動電流沖擊過大和直流側電容電壓平衡的問題，提出了綜合直流側電壓控制策略。該策略把電壓外環直流側預充電和電流內環的解耦控制以及PI控制等方法綜合運用到SVG裝置中，能有效抑制沖擊電流并保持H橋電容電壓穩定。通過仿真和實驗結果證明了該綜合啟動策略的正確性和重要的應用價值。

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DC Voltage Control Method of Cascaded H-Bridge SVG

WANG Gai-yun，WU Hao-tian
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004）

Presents a new comprehensive DC voltage controlmethod,themethod uses improved decoupling control that can effective separation of active component and reactive component,increases compensation accuracy.The design of charging starting circuit reduces the overshoot of voltage and impulses the currentwhen SVG starts.Simulation and practical application of experiments prove that comprehensive DV voltage controlmethod ismore effective than the traditionalmethod of inhibiting the SVG impact currentand voltage stability control.

Static Var Generator;Improved Decoupling Control;PIControl;Overshoot Voltage Suppression

1007-1423（2015）06-0070-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.06.018

王改云（1964-），女，河南人，教授，研究方向為智能控制、數據融合、故障診斷等

吳昊天（1989-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，研究方向為智能控制與檢測

2015-01-04

2015-02-01