H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法

摘要

H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法，涉及一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。它是为了解决缺少直接针对H桥级联STATCOM进行死区补偿的问题。本发明根据H桥级联STATCOM的电路拓扑结构，得出三相坐标系下H桥级联STATCOM的离散数学模型；并将其转换成离散状态下的传递函数形式；采用离散扰动观测器，对死区效应引起的STATCOM输出电压与参考电压的差值进行实时的在线观测，并将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系统中，实现对死区的自适应补偿。本发明适用于一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。

背景技术

在工业应用中，随着电网中非线性负载的广泛使用，所产生的无功和谐波电流对电网造 成严重冲击，为了保证较好的电能质量，需要对6kV和10kV电网进行无功补偿和谐波消除， 以提高电网的可靠性与稳定性。H桥级联静止同步补偿器(STATCOM)利用多电平变换技术， 将开关器件电压应力降低，通过级联，使整个装置可以输出高电压，并具有损耗低、响应快、 储能元件体积小和输出电流谐波含量低等优点，成为动态无功补偿装置发展的重要方向，在 中高压大容量场合得到了迅速的发展。

但由于H桥功率单元每个桥臂的功率管具有互补的驱动信号，为避免开关器件的直通现 象，必须在互补的两路信号间插入死区。然而死区时间的设置和开关器件的非理想特性，必 然造成了输出电压与参考电压之间的误差，导致功率单元输出电流的谐波含量增大，还会出 现零电流箝位现象。

然而，目前现有的死区补偿方法，大多只针对非H桥级联STATCOM，鲜有直接针对H 桥级联STATCOM这一新兴结构提出的方法。

发明内容

本发明是为了解决缺少直接针对H桥级联STATCOM进行死区补偿的问题，从而提供了 一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。

H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据H桥级联STATCOM的电路拓扑结构，得出三相坐标系下H桥级联 STATCOM的离散数学模型；

步骤二、根据步骤一得到的H桥级联STATCOM的离散数学模型，得到离散状态下的传 递函数形式；

步骤三、采用离散扰动观测器，对死区效应引起的STATCOM输出电压与参考电压的差 值进行实时的在线观测，并将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系 统中，实现对死区的自适应补偿。

本发明的有益效果是：采用本发明对实际的H桥级联STATCOM的补偿性能进行实验验 证。搭建H桥级联STATCOM实验平台，并完成网侧电压u_s＝400V时和H桥单元直流侧电 压参考值U_dc＝200V时的低压实验。具体实验参数为：每相N＝12个H桥单元，f＝50Hz， 单元直流侧电容C＝5600μF，连接电抗器L＝10mH，等效开关频率f＝1kHz，死区时间 T_d＝6μs。控制器中的DSP选择TI公司的TMS320F28335芯片，负责无功电流检测，参考指 令电流计算和直流电压控制；FPGA选择Altera公司的CycloneⅢ系列的EP3C25芯片，负责 产生36路PWM脉冲控制信号，并通过光纤将脉冲触发信号送到每个H桥单元。测得的实验 波形均为A相电流波形。

图3和图4为H桥级联STATCOM输出的A相补偿电流波形。其中，图3为未进行死区 补偿时的电流波形，可以看出电流波形有明显畸变，出现了明显的零点电流箝位现象，并且 在电流峰值处出现了较大的畸变；图4为采用死区补偿后的电流波形，电流波形正弦度得到 了明显改善，畸变减小，有效的消除了零点电流箝位现象，且峰值处的波形平滑。谐波畸变 THD由未补偿时的2.64％，下降到1.53％。

图5和图6为STATCOM输出的A相电压波形。其中，图5为未进行死区补偿时的输出 电压波形，可以看出电压含有很大的谐波，并且在电压峰值处，阶梯波形严重畸变；图6为 采用死区补偿后的输出电压波形，电压所含谐波降低，在峰值处，波形平滑，畸变减小，波 形的正弦度得到了明显改善。

附图说明

图1是H桥级联STATCOM的主电路拓扑框图；

图2是本发明自适应死区补偿方法框图；

图3是未采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电流波 形；

图4是采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电流波形；

图5是未采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电压波 形；

图6是采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电压波形。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的H桥级联 STATCOM自适应死区补偿方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据H桥级联STATCOM的电路拓扑结构，得出三相坐标系下H桥级联 STATCOM的离散数学模型；

步骤二、根据步骤一得到的H桥级联STATCOM的离散数学模型，得到离散状态下的传 递函数形式；

步骤三、采用离散扰动观测器，对死区效应引起的STATCOM输出电压与参考电压的差 值进行实时的在线观测，并将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系 统中，实现对死区的自适应补偿。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的H桥级联STATCOM自适应死区 补偿方法作进一步限定，本实施方式中，步骤一中的三相坐标系下的离散数学模型为：

$\left(\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sa}}-u_a-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sb}}-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sc}}-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right);---\left(1\right)$

其中，u_sa、u_sb和u_sc为网侧三相电压，u_a、u_b和u_c为STATCOM输出三相电压，i_sa、i_sb和 i_sc为网侧三相电流，i_a、i_b和i_c为STATCOM补偿三相电流，i_la、i_lb和i_lc为负载三相电流，U_dc为直流侧电容电压参考值，C为直流侧电容，L为连接电抗器，R为等效损耗电阻；

设采样周期为T_s，将式(1)离散化并整理得：

$\left(\begin{array}{c}{u}_a\left(k\right)=u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_a(k+1)-i_a\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ u_b\left(k\right)=u_{\mathrm{sb}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_b(k+1)-i_b\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ u_c\left(k\right)=u_{\mathrm{sc}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_c(k+1)-i_c\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array}\right);---\left(2\right)$

根据式(2)得出，根据k时刻采样的i(k)，u_s(k)和k+1时刻的参考指令电流预测值，计 算出k采样时刻STATCOM参考输出的指令电压u(k)；根据数字系统的延时性，计算出指令 电压的时刻要滞后采样时刻一拍，k时刻的采样值计算得到k+1时刻的指令电压，得到式(3)：

$\left(\begin{array}{c}{u_a}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_a(k+1)-i_a\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ {u_b}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sb}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_b(k+1)-i_b\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ {u_c}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sc}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_c(k+1)-i_c\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array}\right);---\left(3\right)$

令i(k+1)＝i^*(k)，则在下一采样时刻达到电压指令值，实现无差拍控制，上标*表示指令 值；电阻在模型建立的过程中忽略不计，得到式(4)：

$\left(\begin{array}{c}{u_a}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[{i_a}^{*}\left(k\right)-i_a\left(k\right)]\\ {u_b}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sb}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[{i_b}^{*}\left(k\right)-i_b\left(k\right)]\\ {u_c}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sc}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[{i_c}^{*}\left(k\right)-i_c\left(k\right)]\end{array}\right).---\left(4\right)$

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的H桥级联STATCOM自适应死区 补偿方法作进一步限定，本实施方式中，步骤二中，得到离散状态下的传递函数为：

$\left(\begin{array}{c}G\left(z\right)=Z[H_0\left(s\right)·G\left(s\right)]\\ =Z[H_0\left(s\right)·\left(\frac{I_x\left(s\right)}{V_x\left(s\right)-E_x\left(s\right)}\right)]\\ =Z[H_0\left(s\right)·(-\frac{1}{\mathrm{Ls}})]=\frac{-T_s}{L(z-1)}\end{array}\right);---\left(5\right)$

其中是零阶保持器连续状态下的传递函数，T_s为采样周期,(x＝a,b,c)。

上述实施方式中，零阶保持器的作用是在信号传递过程中，把采样信号转换成连续信号。

具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的H桥级联STATCOM自适应死区 补偿方法作进一步限定，本实施方式中，步骤三中，结合式(4)、式(5)与离散扰动观测器 的工作原理，并重新定义各个变量，将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM 控制系统中，同时考虑死区效应的影响，由式(4)可得：

$\left(\begin{array}{c}{U_a}^{*}-\Delta {\hat{U}}_a=U_{\mathrm{sa}}-\frac{L}{T_s}[{i_a}^{*}-i_a]-\Delta U_a\\ {U_b}^{*}-\Delta {\hat{U}}_b=U_{\mathrm{sb}}-\frac{L}{T_s}[{i_b}^{*}-i_b]-\Delta U_b\\ {U_c}^{*}-\Delta {\hat{U}}_c=U_{\mathrm{sc}}-\frac{L}{T_s}[{i_c}^{*}-i_c]-\Delta U_c\end{array}\right)---\left(6\right)$

如果观测到的差值与实际的差值相等，就可以消除死区效应对输出电压及电流的影响。

根据自适应补偿原理，利用(7)式就可以得到利用离散扰动观测器观测到的补偿量，

$\left(\begin{array}{c}\Delta {\hat{U}}_a=Q\left(z\right)[\frac{i_a{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_a^{**}]\\ \Delta {\hat{U}}_b=Q\left(z\right)[\frac{i_b{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_b^{**}]\\ \Delta {\hat{U}}_c=Q\left(z\right)[\frac{i_c{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_c^{**}]\end{array}\right);---\left(7\right)$

公式(6)和公式(7)中i_x，U_x，△U_x，和U_sx(x＝a,b,c)分别为H桥 级联STATCOM三相参考电流，输出电流，输出电压，参考电压，扰动电压，观测的扰动电 压，死区补偿后的参考电压和网侧电压；L_n为标称模型中的标称电感；

最后使得观测到的差值与实际的差值相等，进而消除死区效应对输出电压及电流的影响。