基于链式H桥的SVG在三相电压不平衡时的直流侧电压控制策略研究

李丽萍



基于链式H桥的SVG在三相电压不平衡时的直流侧电压控制策略研究

李丽萍

（辽宁工业大学 计算中心，辽宁 锦州 121001）

为解决基于链式H桥的SVG在三相电网电压不平衡时的直流侧均压控制的问题，在分析了链式H桥SVG的功率模型中出现直流侧电压不均衡原因的基础上，提出了采用三层控制结构对基于链式H桥的SVG星型接法直流侧电压进行分层稳压、均压控制。首先对总有功进行控制，采用正序和负序解耦的控制方法；其次是在三相交流电压相间不平衡时采用零序电压注入法进行均压控制；最后对三相中每一个单相内各个模块间采用有功、无功电流注入法以实现模块间均压。实验结果表明，接入电网在三相电压出现一定程度的不平衡时，运用三层分级控制策略能使链式H桥SVG星型接法的直流侧电压能够保持相对稳定和均衡。

三相不平衡；链式H桥；SVG； 直流侧电压

目前，静止无功发生器SVG因为相较于以往的无功发生装置具有无功补偿快和谐波含量低等特点，已经在电力系统中得到广泛的应用。随着国民经济的快速发展，国家电网亦随之不断发展壮大，接入电力系统中的设备数量及类型也在不断扩大，尤其是各种冲击性和非线性负荷的大量接入，对电网的电能质量影响越来越大，对改善、提高电能质量有着更高的要求[1-3]。近年来在瞬时无功补偿以及谐波治理方面，有采取从低电压等级到高电压等级各级同向发展的趋势。基于链式H桥SVG在高电压等级已实现整体统一控制、多个逆变单元独立运行，非常适合采用直挂或变压器接入等方式。

文献[1]分析了在实践中三角形接法和星形接法的优缺点，在三角形接法中SVG链式H桥逆变单元需要承担的是系统的线电压，由于每个逆变单元所能承受的电压是有限的，只能通过增加单相的链节数来支撑系统的线电压，由于链节数的增加导致整体控制复杂度也会相应增加；星形接法的单相链只需承担系统的相电压，会大大减少单相链的链节数。

文献[2]提出解决级联H桥逆变单元直流电压不均衡的采用模块化的平均功率法，通过有功控制方法解决逆变单元无功功率和直流电压的平衡。文献[3]主要讨论的是级联SVG的全功率均衡控制以及单相桥间的直流侧电压的平衡控制，但这些都未能把SVG在电网三相不平衡时的情况考虑在内。文献[4]分析并解决级联H桥直流链纹波电流大的问题，文献[5]给出了基于星形接法的级联H桥SVG的直流侧电压的控制方法，特别强调是在考虑到电网不平衡时所采用的方法，但主要采用dq算法，由于dq算法相比直接电流法具有一定的时间滞后性，所以在电网三相不平衡时直流侧电压也会引起波动。

在电网三相不平衡时对接入链式H桥高压SVG影响主要体现在以下2方面：一是链式H桥各逆变单元直流侧电容电压存在波动时会经过逆变输出产生次谐波电压这样会对接入电网产生二次污染；二是星型接法换流链会有较大的负序电流流过，影响到装置本身的安全运行，严重时会造成SVG装置停机或大功率器件的损坏。采用三角形接法会很好地解决链式H桥高压SVG在电网三相不平衡时对自身的影响，但在实际应用中出于经济方面和控制复杂度方面的考虑，很少有针对电网三相电压不平衡下的三角形接法链式H桥高压SVG的实现，是通过增加硬件成本来换取直流母线间平衡的能量交换。

通过分析星形接法的链式H桥SVG的结构模型提出了解决SVG逆变单元直流侧电压不平衡的问题，首先采用正序和负序解耦的控制方法对总有功输入进行控制；其次是用零序电压注入法进行相间均压控制；最后对单相内的每个逆变单元分别采用有功、无功电流注入法以实现模块间均压。实验结果表明，在接入电网出现一定程度的三相电压不平衡时，运用三层分级控制策略能使链式H桥SVG星型接法的直流侧电压保持相对稳定和均衡，也就是说接入电网在三相电压不平衡时的一定范围内也能够保持SVG对于电网的无功补偿能力。

1 链式H桥SVG结构模型

星形接法的链式H桥SVG主回路采用拓扑结构，它接入电网的方法是通过三相连接电抗器，三相中的每一相构成均由个逆变H桥单元经过串联组成一种链式电路结构，每个H桥逆变单元直流侧电容组相对独立，总输出电压为个H桥逆变单元输出电压之和。

在电网出现三相电压不平衡时，通常用到的方法是逆变器输出与网侧同序的负序电压。由于是采用星型接法，当向系统内注入足够的零序电压后，系统输出就只包含正序电流，而不含有负序电流和零序电流：

式中：U为分离出的电网正序电压有效值；0、0分别为分离出的电网零序电压有效值和初始相角；U、θ分别为分离出的电网负序电压有效值和初始相角。

根据式(1)和式(2)能够得出各相的有功功率为：

其中：

2 直流侧电压不均衡的原因

大量实验数据表明，逆变单元直流侧电压过低可以导致无功补偿以及谐波治理的动态响应不到位，甚至加大对电网的二次污染。局限于大功率开关器件耐压值的限制，超过这个限制，会造成逆变单元停止工作或导致大功率开关器件损毁。

三相不平衡时，在相间负序电压对正序电流的作用比较明显，会造成有功功率在三相H桥组串中的失衡，各H桥组串间直流侧电压的不平衡，威胁到设备的安全运行。

H桥逆变单元中相关器件损耗是导致直流侧电压不均衡的主要因素，这里面包括大功率器件开关损耗和续流二极管的反向恢复损耗，还有吸收回路损耗和电容器自身的损耗。

直流侧电容电压不平衡的主要原因是并联损耗以及脉冲信号延时造成的系统自身损耗与流入系统能量的不同，而与装置本身电容量大小以及电压和电流的谐波分量没有关系[3]。

3 直流侧电压控制策略

对整体稳压的控制。在三相电压不平衡时，除采用电压外环和电流内环方法外，采用瞬时功率理论来保证整个链式H桥SVG系统直流侧电压的稳定。

图1 总直流电压控制框图

其中：

式中：dcref为目标直流电压。

运用PI调节控制时，根据实际情况取得适合的比例系数与比例积分以及微分系数，使链式H桥SVG逆变单元直流侧和交流侧总有功功率能够达到相对的平衡。

通过有功电流和无功电流的注入来控制相内各逆变单元间电压的不平衡。在链式H桥逆变单元输出电压矢量上叠加一个矢量来调节每个逆变单元的瞬时有功功率，从而调整逆变单元直流侧电容电压。

4 实验结果

实验方法采用搭建链式H桥SVG所需必要的控制柜、功率柜和充电柜，挂接到8 mH层迭式室外型干式连接电抗器。并通过连接变压器接入电压35 kV、频率为50 Hz的电网，SVG侧电压为10 kV。

链式H桥SVG由主控制系统和36个独立H桥逆变单元（每相12个）组成。其中主控制系统与各H桥逆变单元间使用千兆光纤进行数据交换。主控制系统采用TMS320F2812PGFA芯片，链式H桥逆变单元则使用TMS320F2809芯片。H桥逆变单元的大功率开关管选用英飞凌的产品，型号为FF600R17ME4，额定电流为450 A，额定电压达到1 700 V。

链式H桥逆变单元直流侧支撑电容容量可达到3 760 µF，由8只1 200 V、470 µF的电容并联而成。直流侧电压参考值为850 V。

具体实验步骤是：①由主控制系统向各逆变单元发送调制比和相角等控制信息；②向H桥逆变单元发送含有零序电压的控制信息；③H桥逆变单元将自我调节成分融入到主控制信息。

具体的实验数据为网侧线电压分别为10.96、11.07、9.55 kV，单相电压平均值依次为861.7、865.1、871.5 kV，从中可以看出，虽然在网侧电压已经出现了三相不平衡，但H桥逆变单元直流侧电压均值继续保持平衡状态。

5 结束语

在分析了链式H桥SVG的功率模型中出现直流侧电压不均衡原因的基础上，提出了采用3层控制结构对基于链式H桥的SVG星型接法直流侧电压进行分层稳压、均压控制。首先对总有功进行控制，采用正序和负序解耦的控制方法；其次是在三相交流电压相间不平衡时采用零序电压注入法进行均压控制；最后对三相中每一个单相内各个模块间采用有功、无功电流注入法以实现模块间均压。实验结果表明，接入电网在三相电压出现一定程度的不平衡时，运用三层分级控制策略能使链式H桥SVG星型接法的直流侧电压保持相对稳定和均衡，也就是说接入电网在三相电压不平衡时的一定范围内也能够保持SVG对于电网的无功补偿能力。

实验结果表明，在电网三相不平衡时采用这种控制策略能够很好地实现链式H桥SVG逆变单元直流侧电压的平衡，确保装置能够正常工作。

[1] 季振东, 孙毅超, 李东野, 等. 星形和三角形连接的链式H桥STATCOM不平衡补偿分析[J]. 高电压技术, 2015, 41(7): 2435-2444.

[2] Chou Shih-Feng, Wang Bo-Siang, Chen Sheng-Wan, et al. Average power balancing control of a STATCOM based on the cascaded H-bridge PWM converter with star configuration[J]．IEEE Power Electronics, 2013, 50(6): 3893-3901.

[3] 李玲玲, 鲁修学, 吉海涛, 等. 级联H桥型SVG直流侧电压平衡控制方法[J]. 电工技术学报, 2016, 31(9): 1-7.

[4] 丁明, 陈中, 张国荣, 等. 级联H桥储能变换器直流纹波电流的无源与有源抑制策略[J]. 电力自动化设备, 2016, 36(4): 19-24, 61.

[5] 朱成婷, 张国荣. 电网不平衡时级联H桥SVG直流侧电压控制策略研究[J]. 电器与能效管理技术, 2016(1): 62-67.

[6] 刘云峰, 何英杰, 尹仕奇, 等. 基于空间矢量调制的星形级联H桥SVG直流侧电压控制方法研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(5): 23-32.

责任编校：孙 林

Research on DC Side Voltage Control Strategy Based on Cascade H-bridge SVG under the Condition of Unbalanced Three-phase Voltage

LI Li-ping

（Computer Center, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

In order to solve the problem of DC side voltage control based on cascade H-bridge SVG under the condition of unbalanced three-phase power grid voltage, three-layer control structure is adopted to perform the layered stabilivolt and the control of voltage sharing on the DC side voltage of SVG star connection of cascade H-bridge based on the analysis of the imbalanced reason of DC side voltage occurred in the power model cascade H-bridge SVG. Firstly, the total active power is controlled by using of the positive sequence and negative sequence decoupling control method; Then, the injection method of zero sequence voltage is adopted to conduct the control of voltage sharing under the condition of the unbalanced three-phase AC voltage; Finally, aiming at various modules within every single phase of three phase, the active and reactive current injection methods are adopted to realize voltage sharing between modules. Experimental results show that access to power grid using three-layer hierarchical control strategy can make the DC side voltage of SVG star connection of cascade H-bridge relatively stable and balanced under the condition of unbalanced three-phasevoltage.

three-phase unbalance; cascade H-bridge; SVG; DC side voltage

10.15916/j.issn1674-3261.2017.06.003

TM464

A

1674-3261(2017)06-0358-04

2017-05-08

李丽萍(1966-)，女(满族)，辽宁凌海人，副教授。