基于调制波平移的h桥级联statcom直流侧电容电压相内平衡控制方法
【专利摘要】基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，涉及电力系统领域。解决了现有的H桥级联STATCOM直流侧电容电压平衡控制方法的控制过程复杂、抗干扰性差、控制精度低和功率单元损耗大，导致系统寿命短的问题。本发明首先，根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容充放电的情况；其次，根据各个功率单元中电容的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各个功率单元中电容的电压趋于一致；最后，利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制。本发明具体应用在H桥级联STATCOM系统中。
【专利说明】基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统领域。
【背景技术】
[0002]电力系统当中越来越多的使用柔性交流输电系统(FACTS)对电能进行传输，它能够提高电力系统利用和传输电能的能力，同时使系统稳定、安全、可靠地运行。作为核心装置与核心技术之一的静止同步补偿器(STATC0M)，以其损耗低、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。在几种比较成熟的拓扑结构中，H桥级联拓扑结构的STATCOM因其模块化结构、无需功率器件串联即可输出足够高的电压和输出多电平电压的特点，使其在高压大功率场合得到日益广泛的应用。图1为H桥级联STATCOM的主电路框图，其中，L表示电抗器，R表示电阻，ia表示STATCOM a相输出电流，ib表示STATCOM b相输出电流，i。表示STATCOM c相输出电流，Ude表示电容电压，Ua表示STATCOM a相输出电压，ub表示STATCOM b相输出电压，U。表示STATCOM c相输出电压，isa表示a相电网电流，isb表示b相电网电流，isc表示c相电网电流，ila表示a相负载电流，ilb表示b相负载电流，ilc表示c相负载电流，N表示中性点。然而，这种级联型结构的STATCOM的各个H桥单元直流母线彼此独立，每个单元的并联损耗、开关损耗、驱动脉冲延时等又存在差异，会导致STATCOM直流侧电容电压出现不平衡的问题，进而导致各功率器件承受不同的电压，使装置输出电压的总畸变率(THD)增加。因此，对H桥级联STATCOM直流侧电容电压采取均衡措施是十分必要的。
[0003]从目前的发展技术来看，H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法主要有以下几种:(I)对各单元的参考电压进行PI调节，从有功调节的角度来达到单元电压的均衡。这种方法易于理解，但在实现过程中对于级联单元数目庞大的装置，需要使用大量的PI控制器，涉及到调节参数整定及延时问题，因此其可行性还存在疑问。(2)通过外加电路对各单元的直流侧电容进行有功交换，让能量通过直流或交流母线在各单元之间流动，但是这种方法附加的装置数量较多，提高了系统的体积和成本以及控制复杂度，使装置可靠性降低，也有违级联结构设计的初衷。(3)在独立电容两端并联可调电阻，从调节并联损耗的角度实现直流电压平衡控制，这种方法简单，而且很早就在工业应用中发挥作用，但由于额外增加了装置的损耗，应当避免用于大功率的场合。(4)通过调节各单元的移相角，从消除脉冲延迟所产生的相位差的角度来实现直流电压的平衡控制，但对于高压大容量的变流器，移相角的可调范围很小，少量的偏差都可能引起系统不稳定。(5)调整脉冲序列的方法，从能量的角度实现电容电压平衡。该方法首先对各功率单元按照电容上直流电压大小进行排序，然后根据当前功率流动方向，选择电容电压值最大或者最小的功率单元进行电平变换。这种方法平衡效果好，而且能够适用于各种调制算法，缺点则在于由于功率单元本身损耗特性不同，每个功率单元的开关频率也不同，容易出现某些功率单元柜过于频繁动作的情况，对装置整体的使用寿命有影响。[0004]现有的H桥级联STATCOM的控制系统通常采用DSP和FPGA双控制器进行控制，DSP主要完成谐波和无功电流检测，参考指令电压的计算，并将参考指令电压送给FPGA等工作；FPGA在接收到DSP参考指令电压后，生成36路PWM调制波对三相的36个功率单元进行控制。
[0005]而现有的直流侧电容电压平衡控制方法大多数也在DSP中实现，这样就增加了DSP的运算量，降低了系统的运算速度。但将现有的控制算法移植到FPGA的过程非常复杂，也会大大的消耗FPGA的资源。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决现有的H桥级联STATCOM直流侧电容电压平衡控制方法的控制过程复杂、抗干扰性差、控制精度低和功率单元损耗大，导致系统寿命短的问题，本发明提供了一种基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法。
[0007]基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，该方法是基于多个功率单元实现，所述的功率单元包括电容、I号功率开关、2号功率开关、3号功率开关、4号功率开关、I号二极管、2号二极管、3号二极管和4号二极管；
[0008]所述的电容的一端同时与I号功率开关的功率输入端、I号二极管的阴极、3号功率开关的功率输入端和3号二极管的阴极同时连接，
[0009]所述的电容的另一端同时与2号功率开关的功率输出端、2号二极管的阳极、4号功率开关的功率输出端和4号二极管的阳极同时连接，
[0010]所述的I号二极管的阳极作为功率单元交流侧的一个连接端与I号功率开关的功率输出端、2号功率开关的功率输入端和2号二极管的阴极同时连接，
[0011]所述的4号二极管的阴极作为功率单元交流侧的另一个连接端与3号功率开关的功率输出端、4号功率开关的功率输出端和3号二极管的阳极同时连接；
[0012]该方法包括如下过程，
[0013]步骤一、根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容充放电的情况；
[0014]步骤二、根据各个功率单元中电容的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各个功率单元中电容的端电压趋于一致；
[0015]步骤三、利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制。
[0016]采用本发明所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法对实际的H桥级联STATCOM的直流侧电容电压相内平衡效果进行实验验证。搭建了最高电压等级10kV，额定无功容量为±2Mvar的H桥级联STATCOM实验装置。实验参数为:每相N=12个H桥单元，网侧电Sus=IOkV,电网频率fQ=50Hz,系统采样频率ffSOkHz,开关频率f2=lkHz，功率单元直流侧电容C=5600 u F，功率单元直流侧电压参考值Udc=800V，连接电抗器L=10mH。图7给出了利用CCS软件记录数据，并通过Matlab绘制出的本发明控制下的a相12个级联功率单元的直流侧电压波形图，其中，纵坐标表示功率单元al到al2的直流侧电压值，横坐标表示时间。从图中可以看出，所有功率单元的电容电压都很好地平衡在800V，且计算得到纹波含量只有2.26%。实验结果证明了本发明配合载波相移调制策略，能够取得令人满意的平衡控制效果。
[0017]本发明所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的控制过程简单，控制精度高、抗干扰性强、且功率单元损耗小，增大了系统的使用寿命，控制精度提高了 20%以上，抗干扰性同比增大了 5%以上；现有的直流侧电容电压平衡控制方法大多数在DSP中实现，增加了 DSP的运算量，降低了系统的运算速度。而本发明可以把直流侧电容电压平衡控制移植到FPGA中实现，这样提高了 DSP的运算速度，也充分利用的FPGA的资源。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为【背景技术】中H桥级联STATCOM的主电路结构示意图；
[0019]图2为【具体实施方式】一中功率单元的结构示意图；
[0020]图3为【具体实施方式】一所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的流程图；
[0021]图4为【具体实施方式】二中功率单元中的电容处于充电时的电流流向示意图；其中带有箭头的虚线表示电流的走向；
[0022]图5为【具体实施方式】二中功率单元中的电容处于放电时的电流流向示意图；其中带有箭头的虚线表示电流的走向；
[0023]图6为【具体实施方式】四中，调制波平移图；曲线M表示移动后的正半轴调制波，曲线N表示移动后的负半轴调制波；曲线P表示载波；曲线Q表示调制波平移后的功率单元导通的占空比；
[0024]图7为H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制的实验结果图。
【具体实施方式】
[0025]【具体实施方式】一:参见图2和3说明本实施方式，本实施方式所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，该方法是基于多个功率单元实现，所述的功率单元包括电容C、1号功率开关Sl、2号功率开关S2、3号功率开关S3、4号功率开关S4、l号二极管Dl、2号二极管D2、3号二极管D3和4号二极管D4 ；
[0026]所述的电容C的一端同时与I号功率开关SI的功率输入端、I号二极管Dl的阴极、3号功率开关S3的功率输入端和3号二极管D3的阴极同时连接，
[0027]所述的电容C的另一端同时与2号功率开关S2的功率输出端、2号二极管D2的阳极、4号功率开关S4的功率输出端和4号二极管D4的阳极同时连接，
[0028]所述的I号二极管Dl的阳极作为功率单元交流侧的一个连接端与I号功率开关SI的功率输出端、2号功率开关S2的功率输入端和2号二极管D2的阴极同时连接，
[0029]所述的4号二极管D4的阴极作为功率单元交流侧的另一个连接端与3号功率开关S3的功率输出端、4号功率开关S4的功率输出端和3号二极管D3的阳极同时连接；
[0030]该方法包括如下过程，
[0031]步骤一、根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容C充放电的情况；
[0032]步骤二、根据各个功率单元中电容C的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各个功率单元中电容C的端电压趋于一致；
[0033]步骤三、利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制。
[0034]【具体实施方式】二:参见图2、3、4和5说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的区别在于，步骤一中，根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容C充放电的情况的具体过程为， [0035]在某一时刻，电流方向从电网流向变流器，
[0036]当功率单兀的输出电压为正时，I号功率开关SI和4号功率开关S4导通,则电容C处于充电状态；
[0037]当功率单兀的输出电压为负时,2号功率开关S2和3号功率开关S3导通,则电容C处于放电状态，
[0038]在某一时刻，电流方向从变流器流向电网，
[0039]当功率单兀的输出电压为正时，I号功率开关SI和4号功率开关S4导通,则电容C处于放电状态；
[0040]当功率单兀的输出电压为负时,2号功率开关S2和3号功率开关S3导通,则电容C处于充电状态。
[0041]【具体实施方式】三:参见图2、3、4和5说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】二所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的区别在于，所述的步骤二中，根据各个功率单元中电容C的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各个功率单元中电容C的端电压趋于一致的具体过程为，
[0042]当(iaXvani)>0时，如果Vd。a」〈Vd。a，则增大第i个功率单元导通的占空比，即对于正在充电过程中的功率单元，当Vde a i小于Vde a时，应当延长该功率单元的导通时间；
[0043]当QaXvani) >0时，如果Vd。—LiXVdc^a,贝U减小第i个功率单元导通的占空比，即对于正在充电过程中的功率单元，当Vtk a i大于Vtk a时，应当减少该功率单元的导通时间；
[0044]当(iaXvani)〈0时，如果Vd。a」>Vd。a，则增大第i个功率单元导通的占空比，即对于正在放电过程中的功率单元，当Vde a i大于Vde a时，应当延长该功率单元的导通时间；
[0045]当(iaXvani)〈0时，如果Vd。—a—ZVdc^a,贝U减小第i个功率单元导通的占空比，即对于正在放电过程中的功率单元，当Vd^i小于Vd。—a时,应当减少该功率单元的导通时间；
[0046]ia是H桥级联STATCOM的a相输出电流，Vani是H桥级联STATCOM的a相第i个功率单元的交流侧输出电压，其中，i=l，2，…N，N为正整数，Vde a i是H桥级联STATCOM的a相第i个功率单元的直流侧电容的端电压，Vde a是H桥级联STATCOM的a相直流侧电容的平均电压。
[0047]【具体实施方式】四:参见图2、3、4、5和6说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】二所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法的区别在于，所述的步骤三中，利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制的具体过程为，
[0048]当调整指令为减小功率单元导通的占空比时，则下移正半轴调制波，使Ui=Ui0-^evdc i,上移负半轴调制波,使 Ui=Uit^hevdcj ；[0049]其中，Ui为平移后功率单元的调制波，Ui0为平移前功率单元的调制波，evdcJ为功率单元直流侧电容电压误差，且evd。i=Vd。_，Vdc i为功率单元直流侧电容电压，Vdc mean为功率单元直流侧电容电压平均值，k为调节系数；
[0050]当调整指令为增大功率单元导通的占空比时，则上移正半轴调制波，使Ui=Uitevdcu,下移负半轴调制波，Ui=Ui0-^evdc i o[0051]本实施方式中，假设当前需要减小功率单元导通的占空比，即减少单元充放电时间，以调制波大于零的前半周期来分析，具体参见图6，该功率单元应输出I和0电平，在0电平时该功率单元电容并没有接入主电路，既不充电也不放电。如果要减小功率单元充电时间，则需要减小I电平作用时间，那么可以减少I号功率开关SI和4号功率开关S4的导通时间；又因为I号功率开关SI和2号功率开关S2此时是由正相调制波(大于零)和正的三角载波比较决定，而3号功率开关S3和4号功率开关S4由反相调制波和负的三角载波比较决定，因此只要以0轴为界，如式Ui=Ui(l-k*evd。」所示；下移正半轴的调制波，并如式Ui=UitrHk^evdcu所示,上移负半轴的调制波,就可达到减小功率单元占空比的效果。
【权利要求】
1.基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，该方法是基于多个功率单元实现，所述的功率单元包括电容(C)、l号功率开关(Sl)、2号功率开关(52)、3号功率开关(S3)、4号功率开关(S4)、l号二极管(Dl)、2号二极管(D2)、3号二极管(D3)和4号二极管(D4)； 所述的电容(C)的一端同时与I号功率开关(SI)的功率输入端、I号二极管(Dl)的阴极、3号功率开关(S3)的功率输入端和3号二极管(D3)的阴极同时连接， 所述的电容(C)的另一端同时与2号功率开关(S2)的功率输出端、2号二极管(D2)的阳极、4号功率开关(S4)的功率输出端和4号二极管(D4)的阳极同时连接，所述的I号二极管(Dl)的阳极作为功率单元交流侧的一个连接端与I号功率开关(SI)的功率输出端、2号功率开关(S2)的功率输入端和2号二极管(D2)的阴极同时连接，所述的4号二极管(D4)的阴极作为功率单元交流侧的另一个连接端与3号功率开关(53)的功率输出端、4号功率开关(S4)的功率输出端和3号二极管(D3)的阳极同时连接； 其特征在于 ，该方法包括如下过程， 步骤一、根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容(C)充放电的情况； 步骤二、根据各个功率单元中电容(C)的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各个功率单元中电容(C)的端电压趋于一致； 步骤三、利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制。
2.根据权利要求1所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，其特征在于，步骤一中，根据各个功率单元输出的电压和电流的极性，判断各个功率单元中电容(C)充放电的情况的具体过程为， 在某一时刻，电流方向从电网流向变流器， 当功率单元的输出电压为正时，则电容(C)处于充电状态； 当功率单元的输出电压为负时，则电容(C)处于放电状态。 在某一时刻，电流方向从变流器流向电网， 当功率单元的输出电压为正时，则电容(C)处于放电状态； 当功率单元的输出电压为负时，则电容(C)处于充电状态。
3.根据权利要求2所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，其特征在于，所述的步骤二中，根据各个功率单元中电容(C)的端电压相对大小，给出占空比的调整方向，使各个功率单元中电容(C)的端电压趋于一致的具体过程为: 当QaXvani) >0时，如果Vtka ^Vtka，则增大第i个功率单元导通的占空比， 当QaXvani) >0时，如果Vtka AVtka，则减小第i个功率单元导通的占空比， 当(iaXvani)〈0时，如果Vtk a AVtk a，则增大第i个功率单元导通的占空比， 当(iaXvani)〈0时，如果Vtk a ^Vtk a，则减小第i个功率单元导通的占空比，ia是H桥级联STATCOM的a相输出电流，Vani是H桥级联STATCOM的a相第i个功率单元的交流侧输出电压，其中，i=l, 2，…N，N为正整数，Vdc a i是H桥级联STATCOM的a相第i个功率单元的直流侧电容的端电压，Vtk a是H桥级联STATCOM的a相直流侧电容的平均电压。
4.根据权利要求3所述的基于调制波平移的H桥级联STATCOM直流侧电容电压相内平衡控制方法，其特征在于，所述的步骤三中，利用载波相移调制策略，通过上下平移调制波，最终实现H桥级联STATCOM直流侧电容电压的相内平衡控制的具体过程为， 当调整指令为减小功率单元导通的占空比时，则下移正半轴调制波，使Ui=Uic1-1^evtk i,上移负半轴调制波，使； 其中，Ui为平移后功率单元的调制波，Ui0为平移前功率单元的调制波，evdcJ为功率单元直流侧电容电压误差，且Cvdcu=Vdcu-Vtkjlfjan, Vdc i为功率单元直流侧电容电压，Vdc_mean为功率单元直流侧电容电压平均值，k为调节系数； 当调整指令为增大功率单元导通的占空比时，则上移正半轴调制波，使Ui=Uit^hevdcj，下移负半轴调制波，Ui=Uic`1-1^evtk-P
【文档编号】H02J3/18GK103606934SQ201310610525
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】于泳, 徐榕, 王高林, 杨荣峰, 房云广, 李彦楠, 徐殿国 申请人:哈尔滨工业大学