级联H桥静止无功发生器的直流侧电压控制方法

王改云，吴昊天

（桂林电子科技大学，桂林 541004）

级联H桥静止无功发生器的直流侧电压控制方法

王改云，吴昊天

（桂林电子科技大学，桂林 541004）

该设计提出一种综合直流侧电压控制方法，该方法使用改进的解耦控制，分离有功和无功分量，增加补偿精度。设计预充电启动电路，减小SVG启动时的超调电压和冲击电流。通过仿真和实验实际应用证明综合直流侧电压控制方法比传统方法更有效地抑制SVG的冲击电流且电压控制稳定。

静止无功发生器；改进解耦控制；PI控制；超调电压抑制

0 引言

随着科技进步各种感性容性以及非线性负载得到了越来越广泛的使用，这些无功负载会产生无功功率和谐波电流，从而引起一系列电能质量的问题，在电力系统中不仅增加了电网有功损耗而且带来了谐波污染。快速实时的无功功率补偿对提高电力设备利用率，提升电力系统稳定性，保证供电电压稳定具有重要意义[1～5]。

静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）作为新型无功补偿设备，具有调节速度快、运用范围广、谐波含量低等优点。目前国内外投入使用的SVG多基于变压器多重化的结构进行设计，在一定程度上满足了装置容量的需求，但是设备占地面积大，成本昂贵。而无功补偿正朝着高压大容量的方向发展，这对电力系统无功补偿设备提出了更高的要求。级联H桥式SVG具有各逆变单元独立、易于模块化扩展、控制策略简单、无需多重变压器接入、在输出相同的电平下所需开关器件少、成本较低等优点，得到了越来越多的重视[6～8]。

由于级联H桥SVG直流侧电容相对独立，理想情况只需要向直流侧注入一定的有功功率就能维持直流侧电容电压稳定。但是实际中由于开关器件损耗和触发脉冲存在差异，使得H桥模块充放电时间不一致和电容电压不平衡。严重时导致设备失稳无法正常运行。因此直流侧电压的控制对于SVG工作的性能至关重要。文献[9]提出了改进解耦控制方法，该方法具有电网电流波形质量高、功率脉动小、动态响应速度快等优点，但没考虑冲击电流过大的问题。文献[10]提出了基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法，但直流侧需额外增加变压器，使整个逆变器结构变得复杂，设备损耗增加，成本显著提高。文献[11]着重对级联H桥相间直流电压平衡控制策略进行了详细分析，并提出了相间电压平衡控制的方法，但对相内各模块间电压平衡控制没有进行考虑。本文对这种级联H桥式SVG进行了研究，并提出综合直流侧电压控制方法，该方法分别在电压外环通过软启动方式、PI直流侧电压调节抑制超调电流，电流内环使用改进的解耦控制分为有功和无功分量。通过仿真和装备实验证明方法有效可行，能够解决SVG启动和运行过程中的直流侧电压控制问题。

1 SVG工作原理和结构

1.1 无功发生器工作原理

图1 SVG等效原理图

SVG工作时根据谐波电流检测的负载端产生的谐波电流和无功电流，产生相应的补偿电流予以补偿。从而防止负载部分产生的谐波电流和无功电流流入网测，污染网侧电流影响电网电能质量。即在整个系统中，电网产生的仅是基波电流并与电压同相位，而SVG负责产生负载端非线性负载所需的谐波电流和无功电流。其工作基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧的输出电压的相位和幅值，或者直接控制交流侧电流，就可以使得该电路吸收或者发出能满足上述要求的无功电流，补偿负载产生的感性或者是容性的无功功率。

图1为SVG的单相等效原理图。其中SVG中所有有功损耗都折算到电抗的电阻R中SVG输出电压。与输出电流始终是相差90°。SVG电压与电网电压的相位差为Ψ，电网电压与电流相差小于90°（90°-Ψ），因此电网提供了有功功率补充连接电抗器上的电阻的有功损耗（也包含SVG的有功损耗）。通过改变Ψ和的幅值就可以改变输出电流的相位和大小，从而使SVG补偿电网合适的无功功率，实现实时调节。

1.2 链式SVG的主电路结构

级联H桥SVG主电路拓扑结构如图2所示，主要包括级联H桥模块、PI控制模块、锁相环模块、触发角模块、IGBT驱动模块和有功功率控制模块。SVG的核心结构是H桥逆变器，每相结构相同，由N个H桥模块串联组成，各模块直流侧电容独立。在运行过程中根据检测出的系统电压电流，计算得到无功功率，转化为IGBT的驱动信号改变H桥的导通角度，控制无功发生器逆变产生所需的无功电流，补偿电网中的无功容量，提高电网的功率因数。

图2 SVG结构图

2 启动模块设计

2.1 启动模块结构

在SVG启动时电网直接对直流侧电容充电，会产生较大的冲击电流。传统的直流侧电容电压平衡控制法可以实现一定时间内平衡和稳定电容电压，但是不能有效地实现动态跟踪控制，直流侧电压会出现超调，并产生冲击电流，甚至烧毁元器件。因此在SVG启动瞬间加入直流侧阶梯抬升控制有助于抑制直流电压的超调，同时防止过大电流烧毁元器件，提高设备使用寿命。图3为启动模块结构图。本设计是用于10KV无功发生器，故先通过变压器降压，然后由移相调压模块调整电压大小，再由变压器升压至10KV直接为无功发生器的H桥充电。启动模块在SVG启动前对直流侧电容预充电达预定值V，SVG启动后电网电压通过H桥继续给电容充电，并维持电容电压稳定同时启动模块断开；

图3 启动模块结构图

移相调压模块使用龙科LSA-TH3P150Y智能三相交流一体化调压模块。该调压模块有多种控制方式，为降低干扰，提高精度，对其控制信号选择4～20mA的电流控制方式。

2.2 控制信号产生模块

控制信号产生模块主要由控制器和AD421数模转换器组成。AD421是ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器，由电流环路供电，16为数字信号串行输入，可以输出4～20mA电流。其积分线性误差0.0001%，增益误差0.2%。满足设计要求。具体电路如图4。

图4 控制信号输出电路图

VCC脚连接去耦电容C5和在COMP引脚和DRIVE引脚之间接0.01uF电容，保证了电流输出稳定，芯片内部的运放与外部调整管形成反馈回路。处理器发送16位串行数据信号，时钟信号和LATCH信号控制芯片AD421。串行输入的数据为0000时编程电流I为4mA，为FFFF时输出电流为20mA。LOOP_B输出环路电流到移相调压模块的控制信号引脚，LOOP_A为环路电流的输入。根据控制器发送的数据就可以快速控制电路得到4～20mA的电流，实现对移向调压模块的实时控制。

3 改进控制方法的解耦算法

由于SVG是一个非线性、强耦合系统，利用puck变换能有效分离电流内环的有功电流（id）和无功电流（iq）[12]。改进解耦控制原理框图如图5所示：

图5 改进的解耦原理图

式中△Ud和△Uq分别为PI控制器输出；ω为电网电压频率50Hz；L为滤波电抗器的电感值；R为等效电阻。最后将获得的参考有功和无功电压分量进行d-q反变换，得到各H桥对应的三相参考电压。

4 系统仿真和结果

使用上述方法，使用MATLAB/Simulink仿真软件搭建系统模型，对提出的级联H桥SVG启动和稳态进行仿真。本文仿真当系统中的负荷需要大量无功容量时，在相同负载条件下，未加入综合控制方法的SVG和使用综合直流侧电压控制方法的SVG进行仿真，仿真结果电压波形图分别如图6和图7所示。横坐标为时间，纵坐标为电压。

在同样条件下，图4中未加综合启动策略的直流侧电压波形出现超调现象，而图4中经过启动策略直流侧电压比较平滑并且电压很快稳定。运用本文提出的启动策略能有效地抑制SVG并网时的超调电压，避免过大的冲击电流。

图6 未加控制方法直流侧电压

图7 加入控制方法直流侧电压

5 实验结果

使用以上算法在样机设备的实验结果如图8所示。录波器横坐标为时间，上一波形为SVG的A相输出电压波形；录波器下一波形为SVG的A相输出电流波形。横坐标都为时间。可见SVG输出电压和电流正好相差90°，且波形稳定无畸变。结果显示在SVG设备上的实验效果和仿真结果一致，说明算法和设计具有实用价值。

图8 实验波形

6 结语

本文对SVG并网时启动电流冲击过大和直流侧电容电压平衡的问题，提出了综合直流侧电压控制策略。该策略把电压外环直流侧预充电和电流内环的解耦控制以及PI控制等方法综合运用到SVG装置中，能有效抑制冲击电流并保持H桥电容电压稳定。通过仿真和实验结果证明了该综合启动策略的正确性和重要的应用价值。

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DC Voltage Control Method of Cascaded H-Bridge SVG

WANG Gai-yun，WU Hao-tian
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004）

Presents a new comprehensive DC voltage controlmethod,themethod uses improved decoupling control that can effective separation of active component and reactive component,increases compensation accuracy.The design of charging starting circuit reduces the overshoot of voltage and impulses the currentwhen SVG starts.Simulation and practical application of experiments prove that comprehensive DV voltage controlmethod ismore effective than the traditionalmethod of inhibiting the SVG impact currentand voltage stability control.

Static Var Generator;Improved Decoupling Control;PIControl;Overshoot Voltage Suppression

1007-1423（2015）06-0070-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.06.018

王改云（1964-），女，河南人，教授，研究方向为智能控制、数据融合、故障诊断等

吴昊天（1989-），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为智能控制与检测

2015-01-04

2015-02-01