级联H桥变流器的波动电压生成控制策略

李宇飞 王 跃 吴金龙 冯宇鹏 张 建 姚为正

(1.电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安 710049 2.许继集团有限公司 许昌 461000)



级联H桥变流器的波动电压生成控制策略

李宇飞1王 跃1吴金龙2冯宇鹏2张 建2姚为正2

(1.电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学) 西安 710049 2.许继集团有限公司 许昌 461000)

提出一种针对级联H桥变流器的新型波动有效值反馈控制策略，它以输出电压滑动窗有效值为反馈量，以波动信号滑动窗有效值为参考量，对输出电压进行控制。对波动电压控制策略进行建模与分析，并给出一种参数设计方法。最后，在“35 kV-6 MW”样机上进行的工业现场实验充分验证了所提出控制方法的有效性和可行性。根据现场实验结果，波动电压的幅值相对误差可达到2%以下。

级联H桥 有效值反馈控制 波动电压

0 引言

1996年F.Z.Peng等提出了级联H桥[1-12](cascaded H bridge，CHB)多电平变流器，并将其用于无功功率补偿[1]。目前CHB变流器已被大量用于无功补偿，如链式静止无功补偿器[8-10](static synchronous compensator，STATCOM)、中压变频器[11](variable speed drive，VSD)以及背靠背系统(如电力电子变压器[12])等。然而对于CHB变流器输出波动电压的控制方法的研究却较少。针对基于CHB变流器组合拓扑结构的分布式发电并网变流器测试系统，本文主要对其中的CHB变流器输出波动电压的控制策略进行研究。

图1所示为测试系统拓扑图，其中输出级的每一相即为一个CHB结构。输入级对交流电压的整流是通过三相PWM变流器实现的，因此系统具有双向流动能量的能力。出于电压等级匹配和安全的考虑，输入级和输出级的变压器是不可或缺的，它们起到电气隔离的作用。输入变压器为一个多绕组工频变压器，它为三相PWM变流器提供互相隔离的三相电压。因此三相PWM变流器以及直流母线之间都是相互独立的。每个三相PWM变流器有一个独立的DSP+FPGA控制器，DSP负责控制算法，FPGA负责调制以及采样数据处理。主电路的电压信号通过A-D转换芯片采集后传送给FPGA。在输出级，每一相由N个H桥变流器级联而成，N和直流母线电压大小均由电网电压以及分布式发电系统电压等级决定。CHB变流器输出端口为星形联结。DSP+FPGA中央控制器是所有CHB变流器惟一的一个控制器。同样的，DSP负责控制算法，FPGA负责移相载波调制(phase-shifted carrier PWM modulation，PSC-PWM)[13]和数据处理。它能模拟任何电压等级的对称工况电压幅值频率变化、非对称故障以及电压波动，以便测试分布式发电并网变流器的电网故障适应能力。

图1 分布式发电并网变流器测试系统主电路拓扑Fig.1 Topology of the distributed generation grid-connected converter testing system

为了能够对分布式发电并网变流器在不同波动幅值和频率下的适应性进行准确评估，CHB变流器所输出波动电压的幅值和频率准确度成为控制器设计所需考虑的一个关键性问题。本文根据波动电压的多频率复合特性，提出一种波动有效值反馈控制(fluctuating rms value feedback control，FRFC)策略，该策略具有如下优势：①可保证波动电压各频率点幅值的准确度，根据现场实验数据，其波动电压各频率点幅值相对误差可达到2%以下；②其控制器参数设计简单、稳定可靠，这对于高电压大功率分布式发电场合极为重要；③这种稳定可靠、参数设计简单的特点使其非常适用于实际工业应用领域。基于图1所示拓扑结构的“35 kV-6 MW风机变流器低频扰动测试装置”样机上进行的现场实验充分验证了所提出控制方法的有效性和可行性。

1 建模与分析

图1中输入级的三相PWM变流器使用dq同步参考坐标系控制[14]稳定直流母线电压，输出级的CHB变流器采用分相独立控制(individual phase control，IPC)，即每个CHB变流器被单独控制成一个单相电压源逆变器。图2所示为CHB变流器电路参数示意图，其中Req为变流器等效内阻，它表征了变流器的内部损耗以及线路损耗；L和C分别为LC滤波器电感值和电容值；udc、uo、uR、uL和uC分别为H桥直流母线电压、CHB变流器端口电压、等效内阻压降、电感电压和电容电压(输出电压)；iL、iC和iload分别为电感电流、电容电流和负载电流。

图2 CHB变流器电路参数示意图Fig.2 Parameters of the CHB converter

根据IEC标准[15]，CHB变流器所要输出的用来测试并网变流器的波动电压信号数学表达式为

Vperturb=A[1+amsin(ωmt+φm)]sin(ωt+φ)

(1)

很显然这可看作是一个正弦调制的过程。式中，ωm和ω分别为波动角频率和基波角频率；φm和φ分别为调制信号初相位和被调制信号初相位；A为被调制信号幅值；am为波动幅值。展开式(1)可得

(2)

可看出Vperturb包含3个频率分量，分别是基波分量和两个与基波频率相差fm的对称分布在基波两边的分量，即低频分量f-fm和高频分量f+fm。其中fm=ωm/2π，f=ω/2π。为了评估分布式发电并网变流器在不同波动电压情况下的适应能力，波动电压的幅值和频率必须保证一定的准确度。根据式(2)，只要保证各频率分量的频率和幅值准确度，那么波动电压的准确度就可得到保证。因此，控制系统必须保证波动电压各频率分量的频率和幅值的高准确度。

图3为基于有效值反馈控制的FRFC控制框图，本文采用PSC-PWM对CHB变流器进行调制，文献[13]详细介绍了其实现方法。从图3中可看出FRFC的特点：①为了防止积分器饱和所引起的变压器偏磁[16]，内环调节器无积分环节；②内环使用P调节器而不是PI调节器会带来稳态误差，因此有效值外环是不可或缺的，以便获得幅值上的零误差；③滑动窗有效值(sliding window rms，SWR)可提高控制系统的响应速度和准确度。图3中参数如表1所示。

图4、图5分别为内环和外环的控制框图。其中L、C分别为LC滤波器的电感值和电容值，kp为内环PI调节器比例系数，kp_rms和ki_rms分别为外环PI调节器的比例和积分系数，ku和ku_rms分别为内环和外环的反馈通道标幺值，N为CHB变流器级联模块数量，Ts为采样时间，kw为内环闭环增益。由于采用了SWR计算，因此外环采样时间和内环采样时间均为Ts。

图3 FRFC控制框图Fig.3 Control diagram of FRFC

参数描述uref扰动信号参考值uref_unit单位化后的扰动信号u*C_rms外环参考值uC_rms外环反馈值u*C内环参考值uC内环反馈值uoCHB变流器端口电压

图4 内环控制框图Fig.4 Control diagram of the inner-loop

图5 外环控制框图Fig.5 Control diagram of the outer-loop

根据图4可得到内环的开环和闭环传递函数

(3)

(4)

根据劳斯判据，可得到内环比例系数的稳定域

(5)

代入表2中的参数可得kp的最大值kpmax=0.078 47。图6给出了内环的开环和闭环伯德图，其中kp=kpmax/3。需要指出的是，所列出的闭环传递函数不是从反馈值到参考值，而是从实际输出电压值到参考值的传递函数。

从图6中可看出，当控制对象的频率从1～300 Hz变化时，幅频特性曲线基本上是恒定的。显然，控制系统的这种特点恰好适用于含有混合频率(低频和高频分量)的波动信号。对于一个特定的频率如50 Hz，内环的闭环增益为

(6)

分析有效值外环时，内环可看作是一个控制对象。从控制角度来讲，内环的输入和输出都是特定频率的正弦信号(扰动信号可看作是几种频率的叠加信号)，因此如图5所示，内环传递函数可由kw代替。

假设fwz和fwc分别为外环的转折频率和穿越频率，为了分析简便，PI调节器的零点被置于转折频率fwz处。同时，开环传递函数的幅值在穿越频率处等于0 dB，因此这些参数的关系可由式(7)表示

表2 系统参数Tab.2 System parameters

图6 内环的开环和闭环传递函数伯德图Fig.6 Bode plots of the inner-loop open-loop and closed-loop transfer functions

(7)

简化式(7)可得到

(8)

穿越频率的选择是一个需要折中考虑的问题，一般的，可取以下关系：fwc=1/10fwz。采样频率远高于控制系统带宽(一般可粗略地由穿越频率表征)可降低指令信号与响应之间的延迟，并起到平滑控制系统输出的作用，因此如果采样频率已经确定，一个相对较小的穿越频率是较好的选择。由图6可看出，闭环增益kw在约1～300 Hz频段基本保持不变，因此根据式(6)计算的kw可是基于1～300 Hz间的任意频率。由图5可得到外环的开环传递函数和闭环传递函数

(9)

(10)

图7为外环的开环传递函数和闭环传递函数伯德图，可看出在低频段，开环传递函数的增益相对较高，从而保证了外环对于有效值的良好跟踪。

图7 外环的开环和闭环传递函数伯德图Fig.7 Bode plots of the outer-loop open-loop and closed-loop transfer functions

2 现场实验结果

所有实验结果和数据均是在现场的测试装置上得到的，为了安全地进行实验数据采集，现场实验数据均由“Fluke-1760”数据采集系统采集，并用Matlab进行分析。图8为“35 kV-6 MW测试装置”和数据采集系统照片。装置的拓扑结构与图1所示相同，其中N=3，输入级和输出级电压等级为35 kV。可进行35 kV-6 MW等级的风机测试，满功率相电流可达到1 176 A，系统参数见表2。

图8 测试装置样机及数据采集系统照片Fig.8 Prototype of the testing device and data acquisition system

需要指出，所有数据是在测试装置输出侧空载的情况下进行采集的，系统在空载情况下的稳定域小于带载情况下的稳定域[17]。表3为FRFC在不同波动幅值和频率下的波动输出电压实验数据及其相对误差。图9给出了使用FRFC控制策略时的波动电压实验结果及其FFT分析结果。可看出在不同波动频率和幅值时，FRFC控制策略可保证低频段和高频段电压幅值的准确度，基本与参考值一致。图10所示为使用FRFC时不同波动幅值和频率下的低频和高频分量幅值的三维柱状图。图11所示为使用FRFC时低频和高频分量幅值相对于标准值的相对误差。从图10、图11可看出FRFC的波动电压几乎与参考值一致，且其相对误差全部小于2%。

表3 不同波动频率和幅值的高低频段分量幅值Tab.3 Lower-sideband and upper-sideband amplitude components of divergent fluctuating frequency and amplitude

图9 波动电压实验结果和FFT分析结果Fig.9 Experimental results and FFT analysis results

图10 不同波动频率和幅值下低频和高频分量幅值与参考值的三维柱状图对比Fig.10 Lower-sideband and upper-sideband magnitudes 3D bar chart under different fluctuating frequency and amplitude

图11 不同波动频率和幅值下低频和高频分量幅值相对误差Fig.11 Lower-sideband and upper-sideband magnitudes relative errors under different fluctuating frequency and amplitude

3 结论

介绍了一种CHB变流器的输出波动电压控制方法——FRFC，同时介绍了该控制策略的参数设计方法。对于分布式发电并网变流器测试，首先测试系统输出波动电压的幅值和频率准确度需要得到保证，其次控制器的参数设计应简单可靠，以保证高电压大功率工况下系统的稳定性和可靠性，FRFC则完全具备上述要求，在控制波动电压时，其不同频率点的波动幅值相对误差可达到2%以下；本文介绍的参数设计方法也较简单，且稳定可靠，这对于高电压大功率分布式发电场合极为重要。最后，在“35 kV-6 MW”样机上进行的工业现场实验充分验证了所提出控制方法的有效性和可行性。

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Control Strategy for Fluctuating Voltage Generation in Cascaded H Bridge Converters

LiYufei1WangYue1WuJinlong2FengYupeng2ZhangJian2YaoWeizheng2

(1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2.XJ Group Corporation Xuchang 461000 China)

This paper presents a novel fluctuating rms value feedback control (FRFC) for the cascaded H-bridge (CHB) converter，which uses the output voltage sliding window rms value as the feedback variable and the fluctuating signal sliding window rms value as the reference for voltage control.The proposed strategy can easily set the controller parameter，has high accuracy in the output voltage fluctuation and frequency，and is suitable for high voltage and power applications in real industry.Modeling and analysis of the FRFC is elaborated in this paper.A parameter design method is proposed as well.Finally，the field experimental results on the 35 kV- 6 MW wind turbine testing prototype sufficiently verify the feasibility and effectiveness of the proposed FRFC.According to the experimental results，the relative error of the fluctuating output voltage is less than 2% by utilizing the proposed FRFC.

Cascaded H bridge，fluctuating voltage，rms value feedback control

国家高技术研究发展计划(“863”计划)(2012AA050206)和新世纪优秀人才支持计划资助项目

2014-12-14 改稿日期2015-02-08

TM46

李宇飞 男，1987年生，博士研究生，研究方向大功率并网变流器、模块化级联型多电平变流器在电能质量和柔性直流输电系统中的应用。(通信作者)

王 跃 男，1972年生，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力传动、电能质量、风力发电、柔性交流输电和电力电子装置。