一种适用于五电平H桥级联型STATCOM的脉冲轮换控制方法

摘要

本发明涉及一种适用于五电平H桥级联型STATCOM的直流侧电压平衡控制方法。其特征在于，该方法在脉冲周期轮换的基础上通过控制轮换时序的占空比来控制有功功率在各单元间的流动，进而维持各单元直流侧电压平衡。直流侧电压均衡控制的主要步骤为：设置脉冲轮换的基准轮换周期；判断所需补偿无功功率的极性；计算各单元直流侧电压与其均值的偏差量；将计算出的偏差量通过比例积分(PI)环节转化为充放电时间调整量；将充放电时间调整量转化为脉冲轮换时序的占空比变化量；计算修正后各单元脉冲轮换时序的占空比；根据装置输出的电平状态分配触发脉冲信号。本发明所提供的直流侧电压平衡方法可以在不影响装置上层控制和几乎不额外增加开关器件动作次数的前提下较好的实现直流侧电压的均衡控制。

说明书

技术领域

本发明涉及H桥级联型静止同步补偿器，特别是一种适用于五电平H桥级联型静止同步 补偿器的脉冲轮换控制方法。

背景技术

1976年美国学者L.Gyugyi提出用电力半导体器件进行无功补偿以来，静止同步补偿器 (static synchronous compensator，STATCOM)在最近的30年得到快速发展，从带耦合变压器的 多重化逆变器到无耦合变压器的多电平逆变器，H桥级联型逆变器以其无可比拟的优点成为 当前无功补偿领域的研究热点。工业生产中配电网电压等级较多，如我国煤矿生产配电中存 在1140V和3300V电压等级，依据目前电力电子器件的发展水平，五电平STATCOM在工业 配电网中具有一定的应用范围。五电平H桥级联型STATCOM主电路拓扑结构如图1所示， 图1中L为装置的滤波电感，u_dc1、u_dc2分别为A相单元1与单元2的直流侧电压。

脉宽调制(pulse width modulation，PWM)技术是H桥级联型STATCOM的核心技术，它 关系到STATCOM输出电压的谐波特性、直流侧电容电压的平衡及功率器件开关次数的均衡。 载波同相层叠调制(carrier disposition PWM，PD-PWM)具有优秀的线电压消谐特性，但该方法 存在H桥单元功率器件开关次数不均衡的固有缺陷，还会导致各单元功率分配不均的问题。

对于五电平而言，载波同相层叠调制原理如图2所示，图2中u_dc为直流侧电压给定值。 H桥级联型变流器通过四列载波纵向叠加后与调制波比较来获得各H桥单元的输出电平状 态。由图2可知各单元功率器件开关次数不均衡，这是载波层叠的固有缺陷。针对此问题， 可采用脉冲周期轮换的方法使得各单元在若干周期内达到平衡。现将图2中两个单元的脉冲 每间隔半个调制波周期进行一次交换，各H桥单元理想电平状态如图3所示。图3中：u₁、 u₂分别为单元1和单元2输出电压。由图3可知每个调制波周期内两个单元的开关次数可达 到平衡。

载波同相层叠调制策略应用于H桥级联型STATCOM时，脉冲的周期轮换只能实现有功 能量的平均分配，当各单元由参数差异及并联损耗、混合损耗造成有功能量需求不均时，该 方法则难以实现对各单元有功能量的按需分配来平衡直流侧电容电压，进而影响装置的性能 及运行。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有基于载波同相层叠调制策略所采用的脉冲周期轮换 控制方法不能有效地实现直流侧电压平衡，提供一种在不影响装置上层控制和几乎不额外增 加开关器件动作次数的前提下较好的实现直流侧电压均衡控制的方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于五电平H桥级联型STATCOM 改进的脉冲轮换控制方法，该方法在脉冲周期轮换的基础上通过控制轮换时序的占空比来控 制有功功率在各单元间的流动，进而维持各单元直流侧电压平衡。其特征在于，该方法的步 骤如下：

步骤（1）设置脉冲轮换的基准轮换周期。

步骤（2）根据所测电压、电流的相位关系判断补偿无功功率的极性。

步骤（3）计算单元1直流侧电压与单元直流侧电压平均值的偏差量。采用电压传感器检测 每个采样周期内各单元直流侧电压，根据传感器所采集的数据通过DSP求取单元直流侧电压 的平均值，令计算出的单元直流侧电压平均值与单元1直流侧电压测量值作差即可得到单元 1直流侧电压与单元直流侧电压平均值的偏差量。

步骤（4）根据步骤2判断出无功功率的极性与步骤3计算出的电压偏差量计算修正后各单 元脉冲轮换时序的占空比。

步骤（5）根据装置输出的电平状态分配触发脉冲信号，按照修正后的脉冲轮换时序对触发 脉冲信号进行轮换并驱动各单元开关器件执行相应动作。

所述步骤1中选取基准轮换周期为调制波周期的1/2，则每个轮换周期的基准占空比 记单元1与单元2脉冲轮换时序分别为g₁与g₂。

步骤2中若补偿无功功率为感性，记Q>0，sign=1；若补偿无功功率为容性，记Q<0， sign=-1，其中sign为无功功率的符号函数。

步骤3中根据电压传感器所测得的两单元直流侧电压u_dc1、u_dc2，即可计算出单元直流侧 电压平均值则电压偏差量为：

$\mathrm{\Delta u}=\bar{u}-u_{\mathrm{dc}1}$

步骤4中计算修正后轮换时序的占空比包含以下几个步骤：

第一步，判断每个轮换周期内各单元直流侧电容需要充放电情况，对应关系如表1所示。

表1.各单元直流侧电容充放电判断

  Δu＞0 Δu＜0 单元1 充电 放电 单元2 放电 充电

第二步，将计算出的偏差量Δu通过比例积分(PI)环节转化为脉冲轮换时序修正量Δt。

第三步，规定直流侧电容充放电对应脉冲轮换时序变化法则。以单元1为例，单元1直 流侧电容充放电与脉冲轮换时序g₁对应关系如表2所示。

表2.单元1直流侧电容充放电与脉冲时序对应关系

g₁充电 放电 Q>0 右移下降沿(左移下降沿) 右移上升沿(左移上升沿) Q<0 右移上升沿(左移上升沿) 右移下降沿(左移下降沿)

单元2对应轮换时序g₂与g₁互补，现规定统一采取右移方式控制电容充放电，则右移下降沿 g₁脉冲轮换时序的占空比增大，右移上升沿占空比减小。

第四步，记g1占空比变化量为ΔD_on，将脉冲轮换时序修正量Δt转化为脉冲占空比变化 量ΔD_on。ΔD_on计算公式为：

ΔD_on＝K·sign·Δt

式中K为充放电时间调整量与脉冲轮换时序占空比的转化系数，sign为无功功率极 性的符号函数，Δt为充放电时间调整量。

第五步，计算修正后单元1脉冲轮换时序的占空比D_on。由步骤5计算出的占空比变化 量ΔD_on与基准占空比相加，即可计算单元1修正后轮换时序的占空比D_on，进而得到单元 1修正后的轮换时序，单元2脉冲轮换时序与单元1互补。

步骤5中装置输出电平状态与触发脉冲信号对应关系如表3所示。

表3.装置输出电平状态与触发脉冲信号对应关系

  单元1 单元2 输出电平状态 [s1s2s3s4] [s1s2s3s4] 1 [1001] [1100] 2 [1001] [1001] 0 [1100] [1100] -1 [0110] [0011] -2 [0110] [0110]

其中s1、s2、s3、s4为各功率器件的触发脉冲，具体对应关系如图1所示。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的直流侧电压平衡控制方法具有以下优点：

1.本发明所提供的脉冲轮换控制方法兼顾载波同相层叠调制优秀的线电压消谐特性与功率 器件开关次数均衡分配的优点；

2.该方法在几乎不额外增加功率器件开关次数的前提下较好地实现直流侧电压的平衡控制；

3.该方法具有较宽的功率调整范围，可推广应用于H桥级联结构的整流器。

附图说明

附图1为五电平H桥级联型STATCOM主电路拓扑结构图。

附图2为载波同相层叠原理示意图。

附图3为载波周期轮换波形示意图。

附图4为改进的脉冲轮换策略控制原理图。

附图5为各单元直流侧电容充放电区域示意图。

附图6为脉冲周期轮换直流侧电压波形图。

附图7为改进的脉冲轮换直流侧电压波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供了一种适用于五电平H桥级联型STATCOM的脉冲轮换直流侧电压控制方 法，其控制原理框图如图4所示，具体实现步骤如下：

步骤（1）设置脉冲的基准轮换周期，轮换周期为：

$t=\frac{1}{2}\mathrm{kT}$

式中T为调制波周期，k为任意正整数，则每个轮换周期的基准占空比由于脉 冲轮换周期越短，各单元直流侧电压调整实时性越好，因此一般情况下取k=1。两单元直流 侧电容充放电区域及轮换时序如图5所示。图5中，flag₁、flag₂分别为单元1和单元2电容 充放电标志，g₁、g₂分别为单元1和单元2电平状态轮换时序，该时序与调制波同步，t₁、t₂分别为g₁的下降沿与上升沿。

步骤（2）判断补偿无功功率的极性。根据所测电压、电流的相位关系即可判断无功功率的 极性，当所需补偿的无功功率为感性时，记无功功率Q>0，sign=1；当无功功率为容性时， 记Q<0，sign=-1。

步骤（3）计算单元1直流侧电压与单元直流侧电压平均值的偏差量。采用电压传感器分别 检测单元1与单元2直流侧电压的瞬时值u_dc1与u_dc2，根据所采集的数据通过DSP计算出单元 直流侧电压平均值则单元1直流侧电压与单元直流侧电压平均值的偏差量为：

$\mathrm{\Delta u}=\bar{u}-u_{\mathrm{dc}1}$

步骤（4）将电压偏差量Δu通过比例积分(PI)环节转化为充放电时间调整量Δt。

步骤（5）将充放电时间调整量Δt转化为脉冲轮换时序g₁的占空比变化量ΔD_on。ΔD_on计算 公式为：

ΔD_on＝K·sign·Δt

式中K为充放电时间调整量与脉冲轮换时序占空比的转化系数，sign为无功功率极 性的符号函数，Δt为充放电时间调整量。

步骤（6）计算修正后单元1的脉冲轮换时序的占空比D_on。由步骤（5）计算出的占空比变 化量ΔD_on与基准占空比做加法运算，即可计算出修正后占空比D_on为：

$D_{\mathrm{on}}=\Delta D_{\mathrm{on}}+D_{\mathrm{on}}^0$

单元2脉冲轮换时序与单元1互补。

步骤（7）根据装置输出的电平状态分配触发脉冲信号，按照修正后的脉冲轮换时序对触发 脉冲信号进行轮换并驱动各单元开关器件执行相应动作，装置输出电平状态与触发脉冲的具 体对应关系如表3所示。

图6为采用脉冲周期轮换控制策略直流侧电容电压波形图，实际工况中由于各元器件参 数的差异以及并联损耗与混合型损耗的存在，直流侧电容电压便不能维持平衡，还会影响输 出电压、电流的波形质量。

图7为采用改进的脉冲轮换控制策略直流侧电容电压波形图，两直流侧电容电压均能够 很好地实现平衡，控制效果良好。