用于STATCOM的电压前馈空间矢量调制策略研究

发布时间：2016-12-14 21:51

第1章 绪论  

1.1 研究背景
随着现今电力电子产品日益增多，电力终端用户对电能质量的要求也随之提高，但是接入电网的用电负荷种类繁多，电力系统结构日益复杂，所以提高电能质量成为输配电领域长期的论题。保持用户电压恒定是优质电能质量的要求，但是随着电力变压器、交流电抗器以及交流电动机等大量感性用电负荷接入电网，当这些感性电力负载启动时将会从电网中吸收大量无功功率，导致电网输出电压波动，产生谐波[1-6]等问题。 电力电子装置以及冲击性无功负载（轧钢机、异步电机）都需要从电网中吸收大量的无功功率，大量无功电流的流动会使得输电线路产生较大的压降。如果没有适当的无功补偿措施，会导致电网电压波动，影响系统稳定。 电力电子装置产生谐波危害，谐波影响到电力系统和用电设备的正常运行，使得用电设备遭受到额外的谐波损耗，不仅减少用电设备的使用寿命，还会降低其工作效率进而影响到电力系统输配电效率；谐波危害还包括使得电机、变压器等重要电气设备噪声过大、机械振动增强、机体过热以及电容器和电缆等元件的绝缘性能降低等问题；此外谐波还会引起电力网络中的串联谐振、并联谐振现象[7-8]，从而放大谐波的危害，严重影响到电力系统的稳定性。总体概括，无功功率补偿装置的作用体现在以下几个方面：（1）提高电力系统网络和接入电力网络的用电负荷的功率因数，减少无功功率在网侧与负载之间的传递，以此降低用电设备额定容量；（2）稳定电网输出电压，减少用电终端的电压跳动，提高供电质量；（3）使三相的有功功率和无功功率负载平衡，由于无功功率补偿装置可以对负载电信号中的负序电流分量进行补偿，且配合合理的绕线形式隔断零序电流的通路，以此达到平衡用功功率和无功功率负载的效果[9-11]。 而无功补偿装置基本原理是通过把容性设备和感性负载并联使用，是的无功功率的传递转换大多发生在这两种负载的通路之间，达到减少无功功率经过电网传递的频率。  图 1.1 阐释了容性设备对感性负载进行无功补偿的原理和过程。 
...........

1.2 研究现状
在电压源型 STATCOM 的拓扑结构中，目前常见的 STATCOM 的拓扑结构式是多电平电压源型的逆变器。若无功补偿装置为电压源型逆变器，则需要在并入电网前各相的出线串接电感；获得多电平可以通过不同的拓扑结构，且每种拓扑结构都有其对应的调制方式，使得逆变器输出量达到或者近似达到指令值。 在中高压大功率的系统中利用 6 组功率开关器件，且每个功率开关器件反并联二极管后组成的逆变器电路，即为两电平逆变器，如图 1.5 所示。现代静止无功补偿器的逆变器电路中，采用大功率开关器件（IGBT，GTO）当做桥臂通断开关，以此满足电力系统大功率的要求。但是 IGBT 器件没有很高的耐压等级，且 IGBT是高速器件难以控制其串联使用，同时为减少两电平电路中因较高的 du/dt 而导致波形的畸变，1980 年日本长岗科技大学在 IAS 年会上提出了三电平逆变器的理念，此后多电平逆变器大量投入到电力系统中。H 桥级联型逆变电路、中点钳位型（NPC）逆变电路和飞跨电容型逆变电路都典型的三电平逆变器结构，此后演变得到的混合级联型结构也是常见的拓扑。  
........

第 2 章  FFSVM 调制法在级联 STATCOM 中的应用 

2.1 FFSVM 算法介绍 
H 桥级联型静止无功补偿器（STATCOM），能够以耐压值较低的高频功率开关器件满足大中型电压网络的需求。然而级联各单元直流侧电压不平衡会导致输出电压的畸变，产生注入电力网络的谐波，因而成为级联型 STATCOM 工程中的一个重难点。 早期解决直流电压不平衡的一种方法是采用外加硬件电路。该方法虽然不增加控制复杂性，但是其附加电路及其控制电路会导致装置体积增大和成本增加。从控制角度出发解决直流电压不平衡问题的方法有交换触发脉冲平衡级联模块导通时间，以及改变 H 桥模块移相法控制法[31]，但前者不适用于多 H 桥模块拓扑结构，后者计算复杂且调整效果不明显。近年来研究较多的直流侧电容电压三级平衡控制法[32-33]也是一类常见的控制策略，又分为两种方法：其一是基于正序、负序电流的分离解耦控制的通用型三级直流母线均压控制方法，但其运算过程较为复杂，且零序电压会对直流母线电压造成影响；第二种方法在三级控制策略的每个阶段中分别加上比例谐振环节、自抗扰控制器以及移动各个功率单元调制波的环节。功率均衡控制策略[34]和 STATCOM 能量变换分析法[35]也是常被采用的控制策略。文献[36]提出一种单相单个电压平衡策略（IVBS）,该方法基于瞬时理论，结合 d-q 轴变换，计算过程简单，达到在只改变 d 轴有功分量的前提下，各单元无功分量稳定的目的，但是该方法在每个单元前都加上了直流母线电压控制器，使得控制器结构复杂。这些方法都是将直流电压均衡的控制目标附加到系统控制算法之中，因此会增加系统控制算法复杂度。 H 桥级联型 STATCOM 常常采用简单易行的基于载波的调制方法（包括载波移相调制法（PS-PWM）、载波移幅调制法（LS-PWM）[37-39]以及多电平空间矢量调制法（SVM）[40],但是它们都以直流电压平衡为假设条件。当直流电压明显不平衡或者出现波动时，它们的输出波形质量会明显下降。为此，出现了在这些基本调制方法中引入直流电压前馈以改善输出波形直流的做法。文献[41]将直流电压前馈引入 PS-PWM 和 LS-PWM 的调制中，直接调节载波以消除逆变器输出电压中的二倍频分量。文献[42]在三电平中点钳位型逆变器中，采用中性点直流电压前馈调制法，削弱中性点电压纹波对输出电压的影响，获得无畸变的输出电压波形。
....

2.2  与其它算法的比较 
阶梯波脉冲宽度调制策略、特定次谐波消除调制调制、传统多电平空间电压矢量调制策略、载波移相脉冲宽度调制策略等，都是常用于多电平大功率换流器拓扑结构中的调制策略。常规空间矢量调制策略运用在 H 桥级联型多电平逆变器结构中时，因为逆变器中单个 H 桥模块输出的相电压为三电平，所以每个 H 桥单元可以提供 4 种不同的开关状态量进行组合。由于每相拥有 4 个开关状态量，则 H桥级联型三电平逆变器总共有 64（43=64）种开关状态量。若逆变器各相的输出电压分别为 Ua、Ub、Uc，根据公式（2-3）可得到在传统坐标系下的空间矢量分布图，如图 2.6 所示，且三电平级联型 H 桥逆变器所有的 64 个开关状态量，对应与空间矢量分布图中的 19 个电压矢量[43-44]。其中把位于内部中心六边形各顶点的矢量定义为小矢量，把位于外部的六边形各顶点的矢量定义为大矢量，把位于相邻两个大矢量中点的矢量定义为中矢量，位于空间矢量分布图正中心的称为零矢量。由于自身具有数量较多的开关状态量所对应的电压矢量，所以在单元直流电压均衡调制阶段的时序较长、段数较多，且还要考虑零矢量与小矢量所对应的开关状态量，以及中矢量和大矢量所对应的开关状态量对三相逆变器直流电压的影响，增大了调制算法过程复杂程度。 
............

第 3 章  FFSVM 在三相两单元拓扑中的应用 ......... 33 
3.1  调制算法说明.......... 34 
3.2  仿真过程与模型搭建 ....... 34 
第 4 章  仿真结果验证........... 38 
4.1 FFSVM 对直流电压不平衡的抑制能力 ..... 38 
4.2  输出波形质量比较 ........... 40 
4.2.1  直流电压不平衡的情况 .......... 40 
4.2.2  直流电压平衡情况 ......... 41 
4.3  三相两单元 H 桥级联型仿真验证 .... 42 
4.3.1  逆变器输出电压波形及分析 ........... 44 
4.3.2 FFSVM 对直流电压不平衡的抑制能力 ............ 49 
第 5 章  结论 ........ 56 

第 4 章  仿真结果验证 

为了验证带有直流电压前馈的空间矢量调制算法（FFSVM）对单元直流电压不平衡的适用性及其控制直流电压收敛的有效性，本文按照图 2.2 所示的单相 220V两单元级联的 STATCOM 并网系统，在 Matlab/Simulink 中建立仿真模型，并与相移脉冲宽度调制法（PS-PWM）对比。两种调制方法的仿真其系统控制方法一致，只是所采用的调制方法不同。  

4.1 FFSVM 对直流电压不平衡的抑制能力 

首先，在两个单元直流电压初始值、直流侧等效负载电阻值均不同的条件下，将 FFSVM 与 PS-PWM 两种调制方法对比。FFSVM 的仿真控制框图如图 4.1 所示。 仿真参数如见表 4.1，FFSVM 与 PS-PWM 的仿真结果分别如图 4.2、4.3 所示。单元一的直流电压初值与直流侧电阻值均高于单元二。仿真过程中的前 0.05s只有电网电压前馈和电感电流反馈投入，总的直流电压 PI 控制在 0.05s 时开始投入，其作用是控制单元直流电压平均值为 170V 的指令值。无功电流指令在 0.15s加入到系统电流参考值中。图 4.2（a）和图 4.3（a）的输出电压、电流波形显示了这个仿真过程，图 4.2（b）和图 4.3（b）分别给出了采用 FFSVM 策略和 PS-PWM的两个单元的直流电压波形。在前 0.05s，图 4.2（b）中两个单元的直流电压差由初始的 10V 减小到了 7V，而图 4.3（b）中两个单元的直流电压差则增大到了 12V。从 0.05s 开始，在 PI 控制使得直流电压平均值达到指令值 170V 的过程中，图 4.2（b）中两个单元的直流电压差值迅速缩小直至基本一致，并且在 0.15s 开始输出无功电流之后仍然保持了一致；而图 4.3（b）中两个单元的直流电压差距一直较大，并且呈现逐渐发散的趋势，这是由于 PS-PWM 方法本身不具有抑制直流电压不平衡的能力，并且两个单元的直流侧阻抗也不同。可见 FFSVM 具有明确的抑制直流电压不平衡的作用。  

............

结论 

本文针对级联 STATCOM 所存在的直流电压均衡控制的问题，以一个单相两单元级联的 STATCOM 为例，描述了前馈空间矢量调制（FFSVM）法的算法及其抑制直流电压不平衡的方法。这种方法以实时检测的各单元直流电压和输出电流的方向为依据，能够在直流电压不平衡的情况下获得高质量的输出电压波形，同时利用各单元输出电流串联的结构特点控制单元直流电压的平衡，可以应用于级联型 STATCOM。 利用级联 H 桥型单相两单元 STATCOM 系统，通过在直流电压初始值和直流侧等效负载都不均衡的条件下，进行 FFSVM 和 PS-PWM 两种调制模式的仿真。结果表明，与 PS-PWM 调制策略相比较，FFSVM 策略不仅具有在直流电压不均衡的环境中，使得逆变器输出优质电压波形、电压波形畸变率(THD)小的能力，同时还具有平衡相内单元直流电压的能力，，表现出 FFSVM 调制策略对于直流电压不平衡的 H 桥级联 STATCOM 系统的适应性。 在级联 H 桥型三相两单元 STATCOM 系统中，同样采用 FFSVM 和 PS-PWM两种控制策略进行比较，结果表明对于三相系统，FFSVM 调制策略依旧可以很好地适应单元直流电压不均衡的环境，且能够收敛各单元直流电压不平衡的趋势，但是逆变器输出电压波形谐波畸变率（THD）较 PS-PWM 略高，且随着无功电流指令值的增加，谐波畸变率下降程度微小；PS-PWM 调制策略运用于三相系统中时具有使得逆变器输出电压谐波畸变率低的特点，然而无法自动使得单元直流电压收敛到一致，必须额外增加针对直流电压均衡的控制。这将使得控制系统变得更复杂。 利用FFSVM控制策略可以很好地适应级联型STATCOM直流电压不平衡的情况，在有一定的输出电流时，可以使得单元直流电压的差值快速收敛，并能使逆变器输出较为良好的波形。
.........
参考文献(略) 

本文编号：212913