級聯型STATCOM的電壓前饋空間矢量調制策略

邵容川， 熊　蘭， 宮　力， 席自強

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

級聯型STATCOM的電壓前饋空間矢量調制策略

邵容川， 熊蘭， 宮力， 席自強

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]針對級聯STATCOM的單元直流電壓平衡控制問題，基于傳統SVM調制方法，提出一種帶有電壓前饋的空間矢量調制(FFSVM)策略。詳述了新調制策略的算法，以及控制系統的設計。仿真結果表明，電壓前饋空間矢量調制策略在單元直流電壓不平衡的條件下能夠輸出有良好的電壓波形，且具有平衡STATCOM各單元直流電壓的能力。

[關鍵詞]級聯多電平； 直流電壓不平衡； 電壓前饋； 空間矢量

H橋級聯型靜止無功補償器(STATCOM)，能夠以耐壓值較低的高頻功率開關器件滿足大中型電壓網絡的需求。然而級聯各單元直流側電壓不平衡會導致輸出電壓的畸變，產生注入電力網絡的諧波，因而成為級聯型STATCOM工程中的一個重難點。

早期解決直流電壓不平衡的一種方法是采用外加硬件電路。該方法雖然不增加控制復雜性，但是其附加電路及其控制電路會導致裝置體積增大和成本增加。從控制角度出發解決直流電壓不平衡問題的方法有交換觸發脈沖平衡級聯模塊導通時間，以及改變H橋模塊移相法控制法[1]，但前者不適用于多H橋模塊拓撲結構，后者計算復雜且調整效果不明顯。近年來研究較多的直流側電容電壓三級平衡控制法[2-3]也是一類常見的控制策略，又分為兩種方法：一種是基于正、負序電流分離解耦控制的通用三級直流母線電壓均衡控制方法，運算過程較為復雜，且零序電壓會對直流母線電壓造成影響；第二種方法在三級控制策略的每個階段中分別加上比例諧振環節、自抗擾控制器以及移動各個功率單元調制波的環節。功率均衡控制策略[4]和STATCOM能量變換分析法[5]也是常被采用的控制策略。文獻[6]提出一種單相單個電壓平衡策略(IVBS),該方法基于瞬時理論，結合d-q軸變換，計算過程簡單，達到在只改變d軸有功分量的前提下，各單元無功分量穩定的目的，但是該方法在每個單元前都加上了直流母線電壓控制器，使得控制器結構復雜。這些方法都是將直流電壓均衡的控制目標附加到系統控制算法之中，因此會增加系統控制算法復雜度。

H橋級聯型STATCOM常常采用簡單易行的基于載波的調制方法(包括載波移相調制法PS-PWM、載波移幅調制法LS-PWM)[7-9]以及多電平空間矢量調制法(SVM)[10],但是它們都以直流電壓平衡為假設條件。當直流電壓明顯不平衡或者出現波動時，它們的輸出波形質量會明顯下降。為此，出現了在這些基本調制方法中引入直流電壓前饋以改善輸出波形直流的做法。文獻[11]將直流電壓前饋引入PS-PWM和LS-PWM的調制中，直接調節載波以消除逆變器輸出電壓中的二倍頻分量。文獻[12]在三電平中點鉗位型逆變器中，采用中性點直流電壓前饋調制法，削弱中性點電壓紋波對輸出電壓的影響，獲得無畸變的輸出電壓波形。

本文基于單相兩單元H橋級聯的拓撲結構，利用直流電壓前饋空間矢量調制(FFSVM)方法，在直流電壓不平衡的條件下能夠獲得良好的輸出電壓波形，并同時解決單元間直流電壓不平衡問題，從而簡化STATCOM的系統有功功率的控制。最后利用Matlab/Simulink仿真驗證該方法的可行性。

1模型算法構建與分析

在級聯H橋STATCOM拓撲結構中，空間矢量脈寬調制法(SVM)使各單元輸出電壓矢量合成后近似或等同指令電壓矢量，減少輸出電壓波形高次諧波的含量，增加直流電壓利用率。傳統空間矢量脈寬調制法(SVM)過程需要利用逆變器功率開通關斷組合來確定矢量扇區，再利用扇區邊緣兩矢量以及零矢量的作用時間，確定逆變器功率開關管的動作狀態。圖1和式(1)、(2)分別表示傳統SVM扇區分布圖、矢量合成以及矢量作用時間計算過程。

圖 1　逆變器的空間矢量圖以及矢量作用時間計算

(1)

Ts=tv1+tv2+tv0

(2)

式(2)中，Ts代表采樣周期。 基于圖2所示的單相兩單元STATCOM拓撲結構，本文提出一種適用于任意直流電壓比例情況下的直流電壓前饋式空間矢量調制法，在按照指令電壓輸出的同時能夠抑制直流電壓不平衡。算法步驟如下：

(a)利用指令輸出相電壓Vout_ref和各單元直流電壓之和之比，得到調制比M，即

M = Vout_ref/(Udc_1+Udc_2)

(3)

(b)據兩單元直流電壓4種不同的數量大小關系，把輸出控制區間標幺化，即確定調制比M所處區間范圍，與傳統SVM法中制定扇區的步驟相似。

圖 2　單相兩單元STATCOM拓撲

(c)確定調制比所處區間后，在數軸上利用輸出矢量比例算法，確定每個開關周期中的開關矢量組及其動作時間，實現傳統SVM中選取扇區以及開關周期確定的步驟。

2算法說明

本文以單相兩單元級聯的STATCOM系統為例，結合各單元直流電壓Udc_1、Udc_2的四種數值比較關系，將輸出電壓控制區間以級聯各單元直流電壓之和為基值進行標幺化，確定各子區間的劃分節點Pi(i=1,2,3)，結果見表1。

表1　不同直流電壓關系情況下控制區域標幺化

確定調制比M和控制區間劃分點Pi后，可以得到圖3所示的控制區間劃分，進而確定開關矢量組。

圖 3　劃分點Pi確定的控制區間

由于每個單元有三種輸出電平(即-Udc、0和Udc)，分別用數字0、1和2代表每個單元輸出-Udc、0和Udc電平時的代碼，則在控制區間劃分點±Pi處對應的開關矢量由兩個單元各自的輸出代碼組成。例如在某個開關周期中Udc_2≥ 2·Udc_1，M值見圖3，介于P2和P3區間中，由于P2對應的輸出狀態為(-Udc_1+Udc_2)，因此其代碼組為02；P3對應的輸出狀態為Udc_2(即為0+Udc_2)，故其代碼組為12。從而確定了該開關周期中，兩個輸出矢量的代碼組合分別為P2和P3所對應的02、12。

一個開關周期內，兩個輸出矢量的作用時間可以根據M與P2和P3的數值比例關系確定。若調制比M處于P2和P3之間的區間中，則有P2對應的狀態矢量的作用時間為t1= (M-P2)/(P3-P2)，P3對應的狀態矢量作用時間t2= (P3-M)/(P3-P2)。

可見，這種調制方法的實質就是依據各單元的實際電平來組織開關矢量，并計算相應的開關矢量作用時間，因而能在任意直流電壓比例的條件下獲得良好的輸出波形。

3抑制直流電壓不平衡的算法

由于各單元輸出側是串聯的，因而在每個開關矢量作用時間內單元充電還是放電由其輸出電平的極性決定，即同一時刻不同輸出狀態的各單元直流電壓有不同的變化趨勢(表2)。

表2　單元直流電壓變化趨勢與輸出電流方向的關系

由表2可知，隨著Iout方向的變化，不適當的開關矢量組合有可能使得原本較大的直流電壓有繼續變大的趨勢，或者原本較小的直流電壓保持著變小的趨勢，從而各單元直流電壓出現發散。因此，要達到抑制直流電壓的不平衡的目標，只需要修正前文算法，去掉不符合要求的開關矢量狀態。

例如，當Udc_2≤Udc_1<2·Udc_2且Iout>0時，-P2對應的開關狀態為-Udc_2，此時第一單元輸出電壓Udc_1=0且不變，而第二單元輸出電壓為-Udc_2，根據表2，第二單元輸出電壓有更加變小的趨勢，背離直流電壓收斂一致的目的，兩單元的直流電壓將繼續發散，故去除-P2對應的開關狀態。同理可得區間劃分點P1和P3處所對應的開關狀態也要去除(圖4)。

圖 4　考慮輸出電流方向后的控制區間圖

修改之后的調制方法，既能準確地按照指令電壓輸出電壓波形，同時在輸出調制的過程中自動避免使得單元直流電壓發散的開關矢量，而只采用能使得各直流電壓趨于一致的那些開關矢量。因此這種控制直流電壓平衡的方法是獨立于系統的有功、無功控制算法的，從而使得系統的控制方案能夠得到簡化。

另一方面，由于單元直流電壓的充放電速度是由輸出電流大小決定的，因而這種調制方法對直流電壓不平衡的抑制的效果也與輸出電流大小有關，即電流越大，單元直流電壓趨于一致的速度越快。

4仿真驗證

為了驗證帶有直流電壓前饋的空間矢量調制算法(FFSVM)對單元直流電壓不平衡的適用性及其控制直流電壓收斂的有效性，本文按照圖2所示的單相220V兩單元級聯的STATCOM并網系統，在Matlab/Simulink中建立仿真模型，并與相移脈沖寬度調制法(PS-PWM)對比。兩種調制方法的仿真, 其系統控制方法一致，只是所采用的調制方法不同。FFSVM的仿真控制框圖見圖4。

圖 5　 前饋空間矢量調制策略控制框圖

4.1FFSVM對直流電壓不平衡的抑制能力

首先，在兩個單元直流電壓初始值、直流側等效負載電阻值均不同的條件下，將FFSVM與PS-PWM兩種調制方法對比。仿真參數見表3，FFSVM與PS-PWM的仿真結果分別見圖6、7。

表3　直流電壓不平衡抑制的仿真參數

(a)輸出電壓和電流波形

(b)兩個單元的直流電壓圖 6　采用FFSVM的仿真波形

(a)輸出電壓和電流波形

(b)兩個單元的直流電壓圖 7　采用PS-PWM法的仿真波形

單元一的直流電壓初值與直流側電阻值均高于單元二。仿真過程中的前0.05 s只有電網電壓前饋和電感電流反饋投入，總的直流電壓PI控制在0.05 s時開始投入，其作用是控制單元直流電壓平均值為170 V的指令值。無功電流指令在0.15 s加入到系統電流參考值中。圖6a和圖7a的輸出電壓、電流波形顯示了這個仿真過程。

在前0.05 s，圖6b中兩個單元的直流電壓差由初始的10 V減小到了7 V，而圖7b中兩個單元的直流電壓差則增大到了12 V。從0.05 s開始，在PI控制使得直流電壓平均值達到指令值170 V的過程中，圖6b中兩個單元的直流電壓差值迅速縮小直至基本一致，并且在0.15 s開始輸出無功電流之后仍然保持了一致；而圖7b中兩個單元的直流電壓差距一直較大，并且呈現逐漸發散的趨勢，這是由于PS-PWM方法本身不具有抑制直流電壓不平衡的能力，并且兩個單元的直流側阻抗也不同。可見FFSVM具有明確的抑制直流電壓不平衡的作用。

但是在仿真開始0.05 s之內，由于此時電感電流很小，直流電容充放電的速度比較慢，圖6b中兩個單元的直流電壓收斂速度較慢。當直流電壓PI控制投入后，相對較大的電感電流使得FFSVM抑制直流電壓不平衡的能力表現得非常顯著。可見，采用FFSVM調制，輸出電流越大，直流電壓差值的收斂速度越快。

4.2輸出波形質量比較

為了比較FFSVM與PS-PWM的輸出波形質量，本文采用理想直流電壓源代替單元的直流側電容，在直流電壓平衡和不平衡的兩種條件下對比其輸出電壓。

4.2.1直流電壓不平衡的情況仿真參數見表4。圖8和圖9顯示了兩種調制方法的輸出電壓波形及其諧波分析結果。

表4　直流電壓不平衡時輸出波形比較的仿真參數

(a)輸出電壓波形

(b)輸出電壓諧波分析圖 8　直流電壓不平衡時FFSVM的輸出電壓

(a)輸出電壓波形

(b)輸出電壓諧波分析圖 9　直流電壓不平衡時PS-PWM的輸出電壓

圖8中FFSVM的電壓波形看起來左右不對稱。這是因為輸出無功電流的相位與電壓相差90°，而在電流大于零和小于零的情況下，為了使得兩個單元直流電壓趨于一致所選取的輸出開關矢量不同。實際上，經過與開關矢量對應的作用時間計算，其合成輸出電壓的基波分量是正確的。

由圖8、圖9可見，當兩個單元的直流電壓分別為205 V和135 V時，FFSVM的輸出電壓總諧波畸變率(THD)約為25.72%，而PS-PWM的THD約為33.07%。在直流電壓不平衡的情況下，PS-PWM的主要諧波成分的頻率較高，而FFSVM的THD略好。

4.2.2直流電壓平衡情況仿真參數與表4基本相同，只是兩個單元的直流電壓均為170 V。圖10和圖11顯示了兩種調制方法的輸出電壓波形及其諧波分析結果。

(a)輸出電壓波形

(b)輸出電壓諧波分析圖10　直流電壓平衡時FFSVM的輸出電壓

(a)輸出電壓

(b)輸出電壓諧波分析圖11　直流電壓平衡時PS-PWM的輸出電壓

由圖10和圖11可見，當兩個單元的直流電壓均為170V時，FFSVM的THD約為28.06%，而PS-PWM的THD約為31.06%。FFSVM在直流電壓平衡與不平衡的情況下的THD變化不大，而PS-PWM從其諧波抵消的機制來說在直流電壓平衡條件下的THD是優于不平衡條件下的。以上兩種條件下的仿真表明，FFSVM的輸出電壓畸變率略優于PS-PWM。

總體來說，由于FFSVM對直流電壓不平衡具有比較強的適應性，同時具有抑制直流電壓不平衡的功能，因而更適合于單相級聯型STATCOM的應用。

5結論

本文針對級聯STATCOM所存在的直流電壓均衡控制的問題，以一個單相兩單元級聯的STATCOM為例，描述了前饋空間矢量調試(FFSVM)法的算法及其抑制直流電壓不平衡的方法。這種方法以實時檢測的各單元直流電壓和輸出電流的方向為依據，能夠在直流電壓不平衡的情況下獲得高質量的輸出電壓波形，同時利用各單元輸出電流串聯的結構特點控制單元直流電壓的平衡，可以應用于級聯型STATCOM。當單元數量增多時，只需按照同樣的原理推出開關矢量的算法。通過與PS-PWM的仿真比較，驗證了FFSVM控制直流電壓平衡的有效性，且輸出波形質量還略優于PS-PWM。

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[責任編校： 張巖芳]

Research on Voltage Feedforward Space Vector Modulation Strategy for Cascaded STATCOM

SHAO Rongchuan, XIONG Lan, GONG Li, XI Ziqing

(SchoolofElectricandElectronEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：To solve the problem of DC-link voltage imbalance in cascaded STATCOM, this paper introduces a Voltage Feedforward Space Vector Modulation (FFSVM) strategy based on conventional Space Vector Modulation method. The algorithm of this modulation strategy and the control system design are described. Simulation results demonstrate that this strategy achieves good output voltage performance under the condition of DC-link voltage imbalance and is capable of balancing DC-link voltage of each unit in STATCOM .

Keywords：cascaded multilevel; dc voltage imbalance; voltage feedforward; space vector

[收稿日期]2015-06-17

[基金項目]太陽能高效利用湖北省協同創新中心開放基金資助項目(編號HBSKFMS2014035)

[作者簡介]邵容川(1990-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電能質量檢測及控制技術

[文章編號]1003-4684(2016)02-0062-06

[中圖分類號]TM743

[文獻標識碼]：A