链式SVG的基频优化PAM方法.pdf

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第41卷第7期2013年4月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.41NO.7Apr.1,2013链式SVG的基频优化PAM方法陈明明,姚钢,周荔丹,李立学,王昕,郭峰,龚晓璐(1.电力传榆与功率变换控制教育部重点实验室,上海交通大学电气系,上海200240;2.上海交通大学电工与电子技术中心,上海20024O;3.上海市电力公司市区供电公司,上海200080;4.上海电力科学研究院,上海200090)摘要:为了实现链式结构无功补偿器的性能,研究了使用于链式SVG的基频脉冲幅值调制(PAM),给出基频脉冲幅值调制的基本算法和理论分析。该方法通过脉冲循环进行直流侧电压平衡,利用多电平移相导通的思想求出SVG的初始角度。最后在Matlab/Simulink中建立链式SVG仿真模型,并在一台士l0kvar链式SVG实验样机上对控制策略进行了实验研究。实验结果表明系统的谐波含量达到并网要求。关键词:链式SVG;基频PAM;优化;导通角度;多电平FundamentalfrequencyoptimizationPAMmethodofchainSVGCHENMing-ming,YAOGang,ZHOULi-dan,LILi-xue,WANGXin2,GUOFeng。,GONGXiao.1u(1.KeyLaboratoryofControlofPowerTransmissionandConversion,MinistryofEducation,DepartmentofElectricEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.CenterofElectrical&ElectronicTechnology,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;3.UrbanPowerSupplyCompany,SMEPC,Shanghai200080,China;4.ShanghaiElectricPowerResearchInstitute,Shanghai200090,China)Abstract:TorealizetheperformanceofchainsvGthefundamentalfrequencyPAMcontrolusedincascadedmultilevelinvertersisstudied,anditsbasicalgorithmandtheoreticalanalysisarepresented.Basedonthethoughtofmulti-levelphaseshift,itcalculatestheoriginalangelofSVGThenitdescribesthePAMstrategy,itsperformanceandtheDCcapacitorsvoltagebalancingschemeofthepulsecycletransposition.ThemodelofSVGwithchaininverterisbuiltinMatlab/Simulink.AscalemodelexperimentusingaSVGr士10kVar)isusedtostudycontrolstrategy.TheexperimentresultsshowthattheharmoniccontentofthesystemCanreachtheneedsofparallelinginthepowergrid.—ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.60504010、andNationalHightechR&DProgramofChina(863Program)(No.2008AA04Z129).Keywords:chainSVG;fundamentalfrequencyPAM;optimization;conductingangle;multilevel中图分类号:TM76文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2013)070129-070引言近年来非纯电阻性负载的广泛应用,其产生的无功对电能质量造成严重影响,从而对电力系统稳定、安全运行造成潜在威胁[卜引。静止同步补偿器(SVG)通过对无功进行补偿,能够提高系统功率因数、减少功率损耗、提高供电质量]。其中,链式基金项目:国家自然科学基金(60504010);国家高新技术863发展计划(2008AA04Z129);流程工业综合自动化国家重点实验室开放课题基金资助SVG因功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快等优点在高压大容量场合得到越来越多的关注【-。链式SVG有多种控制策略,不同控制策略所达到的效果不同。空间矢量脉冲调N(SVPWM)可以提高直流电压利用率、降低输出电流的谐波畸变率;但其算法实现复杂,应用于链式SVG时需要对触发脉冲重新进行设计,对开关频率有较高要求,不适用于低频场合[10-12J。SPWM调制响应速度快,谐波主要集中在开关频率附近;但大容量SVG要求PWM策略避免过高的开关损耗,限制了其开关频率【l。电力系统保护与控制优化PWM控制算法是以消除或最优地降低输出电压中的谐波含量为目标,可以在相对较低的开关频率下,取得较好的谐波抑制性能【l,能够满足大容量链式SVG的要求。本文研究适用于高压大容量场合的无功补偿器,采用级联H桥多电平结构的逆变器组成SVG。首先采用脉冲幅值调制策略(PAM)降低链式SVG的开关损耗、减小输出波形谐波含量。其次设计一种基于移相导通角度消除特定次谐波的方法确定初始导通角度,使PAM导通角度的计算更加便捷、有效。最后利用Matlab对其控制算法进行仿真验证并在实验样机上进行实验,结果证实了该设计方法的有效。I生与可行・I生。1链式SVG的拓扑结构普通的三相桥变流结构不能满足大容量的SVG的要求,通常采用链式电路。链式SVG采用模块化结构,每一个模块由一个H桥组成,每个H桥有一个独立电容。图l是单相五模块级联拓扑结构图。图1单相五模块级联拓扑结构Fig.1Topologyofsingle-phasefiveblocks每个H桥有+E、0、-E(E为每个电容的电压值)ⅣⅣ三个电平,即个H桥级联可以得到2+1个电平。所以,级联式SVG是用几个电平台阶合成阶梯波来逼近正弦波的输出方式,由此在SVG进行无功补偿时可以很好地降低谐波含量、降低所用功率开关器件的电压定额、改善输出特性。2基频优化PAM控制策略2.1基频优化PAM控制算法单相全桥逆变电路及其输出开关函数波形如图2所示。通过傅立叶变换,可得单相全桥逆变电路的输出开关函数为=4cos(孚)Si(1)其中,0=7c一2。因此,单相的输出电压为140()=s(o,n,d。(2)其中,bldc为直流侧电压值。把式(1)代入式(2)可得::14dc4Cos()siI1()(3)本设计中主要考虑基波含量,因此∞(f):兰coscrsin()(4)(a)单相余桥逆变电路(b)单相全桥逆变电路输出开关函数波形图2H桥电路图及开关波形—Fig.2Hbridgecircuitdiagramandwaveformofswitch单相全桥逆变器的直流侧各连接一个独立的电容,以提供一个恒定的逆变侧直流源。通过图1一陈明明,等链式SVG的基频优化PAM方法.131.可推得链式SVG的输出相电压为U。=A1+A2+A3+A4+A5(5)由式(3)和式(5)可得:r。。5]{[cosna,n(】})其中,为链式SVG每个H桥的开关导通角度。当只考虑基波分量的时候,链式SVG的输出相电压为。=[c。s()]sin(cot)(7)当SVG需要输出无功时,也是通过调节触发脉冲的触发时刻,使触发脉冲超前或滞后于系统电压过零信号,即调节系统电压和SVG装置输出电压之间的功角来实现的。因此,式(7)可改写为Uo()=Kud(t)sin(cot+6)(8)=喜c,是sVG的输出功角。2.2基频优化PAM开关导通角的求解及分析基频优化PAM控制策略中,在每个单相桥都工作于基频开关频率条件下,以消除输出电压中的较低次谐波为目标,控制各H桥的导通角,合成链式SVG阶梯波形输出电压。同时,由于开关工作在基频,其开关损耗比高频开关小。图3显示5H桥级联的链式逆变器合成电压波形,其中为第f个H桥输出的交流方波电平,和n-f分别为第f个H桥的正半周波的导通起始和截止角。由于PAM控制是通过幅值相同而导通时间不同进行优化,且每个H桥的正负半周对称,有:+o—f=兀i=1,2、3、4、5(9)PAM ̄O策略输出的每相电压可以用傅里叶级数表示为4cos(no ̄isin(ncot)])(1。TJL:]a.a.,,,q,.,.。、+4E+3E+2E+E一E…一一一L:一一2E1.—l_j一3El一4,图3阶梯波合成图Fig.3Syntheticpictureofstepwave根据大容量SVG的控制要求,基频PAM的控制目标为:(1)使总输出电压的基波幅值为控制目标值;(2)使总输出电压的低次谐波性能达到最优。为了使SVG输出电流波形达到PAM的控制目标,可将上式表达成一个数学最优化问题,其函数为min肚945cos()】2)其约束条件为孝cos1=-T∑=:旦5udco<tr,<-三式中:是调制比;i=1,2,3,4,5。由于式(11)不在全域收敛,因此,只能通过初值的选取,用以保证式(11)的收敛性。下面介绍初值选取的方法。当开关导通角度是180。时,单个H桥的输出电压为=n=薹lodd=n=薹loddsin)(12‘.,,J当开关导通角度均减小2时,单个H桥的输出电压表示为==cos(sin()n=loddn=lodd..‘,儿(13)从而得到导通角度l80。和减小2时的单相电压比为】=:cos(n ̄0)(14)D针对每台逆变器,选择合适的,即可消除相应的谐波。.132.电力系统保护与控制通过改变逆变器的输出电压之间的初相角,可以消除某次谐波,使输出电压波形得到改善。单相的每个H桥同相导通时的输出电压值和每个H桥移相的电压比值为.in——Sln!一:2(15)..’n,—lS1n2式中:为消除的谐波次数;是H桥个数。结合式(14)和式(15),得谐波消减系数为.Z,z,,—Sln=COS(16)n——=。LloJ‘..—1S1n2为了达到消除特定次谐波的目的,令式(181分子项为零,可以得到多组数值组合解。为了确保基波含量最大化,所以选取基波衰减最小的一组数值解。由式(16)确定开关导通角度以及移相角度,通过其生成的阶梯波来确定PAM的每个开关的导通角度的初始角度,其运算公式为—’I=+(f1)9'/2,1=%一),式中:是H桥级联个数;是H桥之间移相角;导通宽度:兀一2;是第个H桥的初始导通角度。由式(16)可以选择性地消除特定次谐波,这样可以满足在特定场合下对特定次谐波的消除。当级联数为5时,假设需要优先消除5、7次谐波,由式(16)求得H桥之间移相角和导通宽度分别为7.2。和102.8。,再将所得角度代入式(17)确定每个开关的初始导通角度为:24.2。、31.4。、38.6。、45.8。和53。。将得到的初始角度带入式(11)中进行迭代计算,该式迭代5次即收敛达到精确解,且所得精确解能极大地降低谐波含量。2.3PAM控制传递函数由图1,可以得到该结构在ABC三相坐标系统下的数学模型。‰訾fIa+訾m8£誓fIc+。‘式中:/Ia)、iro(t)、iic)是sVG发出的三相电流;b/ia)、/'/Ib)、/dlc)是sVG的输出相电压。链式SVG的传递函数为△fI郧)△‘。(s)//6如‘)式中:Us/霹爵K2Xc、一"+R一)—K2X—cNX,、x。NlX+R)+1X。由式(19)确定以A6为输入的传递函数的特征方程为++(筹+甓+1)(20)堕f):0NXL由式(20)发现以下特点:链式SVG装置的特征方程与装置稳态运行点无关;特征方程为三次方程,它至少有一个实根。因式(2O)所有系数都大于零,所以一定是负值,而其他根都一定具有负实部。这说明该系统在稳态运行点是稳定的。由无功功率公式计算出负载的实际瞬时功率,以此作为参考值给定SVG,进行补偿,其控制框图如图4所示。图4PAM的控制原理图Fig.4ControlschemeofPAM由图4看出,PAM的控制方式简单,仅根据负载的无功功率Qref与SVG发出的Q做差值,然后经过PI调节器再通过功角关系转换得到。将控制器得到的反馈到电压相位,即可以得到所需要的无功功率。为了能使SVG有更快的动态响应,本文的PAM控制系统在传统PI控制中加上了逆系统PI控制。鲁旦卜一陈明明,等链式SVG的基频优化PAM方法.135.弋,一l’丽1j}{:}lE¨u(f)全过程—图810kvar输出电压、电流波形和其谐波含量FFT分析图以及SVG输出无功功率由0kvar] ̄lJ-10kvar的跳变过程Fig.8Outputwavesofvoltageandcurrent,theFFTanalysiswhenSVGexpo ̄-10kvarreactivepowerandthestepresponseofthereactivepowerofSVGjumpfrom0kvarto一10kvar4结论基频优化PAM方法的开关频率低从而降低开关损耗;优化后的开关导通角度能够降低输出波形谐波含量。同时,通过移相导通角度计算出的开关初始导通角度在进行迭代运算时收敛速度快。通过基频优化PAM控制在+10kvar链式SVG样机的实验,表明本文所设计并实现的PAM控制策略,能够满足链式SVG的性能要求。文中设计的PAM控制可以应用在更大容量的链式SVG中。参考文献[1]丁理杰,杜新伟,周惟婧.svc与STATCOM在大容量输电通道上的应用比较[J].电力系统保护与控制,2010,38(24):77-82.—DINGLiqie,DUXinwei,ZHOUWei-jing.ComparisonofapplicationofSVCandSTATCOMtolargecapacitytransmissionpathofpowersystem[J].PowerSystem—ProtectionandControl,2010,38(24):7782.[2]刘亮,邓名高,欧阳红林.D.STATCOM自适应检测算法的研究『J】.电力系统保护与控制,2011,39(5):I15.I19[3][4]——LIULiang.DENGMinggao,OUYANGHonglin.AresearchofadaptivedetectionalgorithmforD-S1'ATCOMfJ].PowerSystemProtectionandControl,2011,39f51:l15.119.郑建,陈劲操.混合级联逆变器在STATCOM中的应用研究[J1.电力系统保护与控制,2009,37(18):57.61.ZHENGJian.CHENJin.cao.StudyofSTATC0Mbasedonhybridcascadedmultilevelinverter[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(181:57.61.刘海波,毛承雄,陆继明,等.四桥臂三相四线制并联型APF.STATCOM[J].电力系统保护与控制,2010,38(16、:12.17.—LIUHai.bo.MAOCheng.xiong,LUJiming,eta1.Three.phasefour.wireshuntAPF.SAlTCOMusingafour-legconverter[J].PowerSystemProtectionandControl。2010.38(16):12.17.[5]PatelHS.HoftRGGeneralizedtechniqueofharmoniceliminationandvoltagecontrolinthyristorinveger:part1.harmonicelimination[J].IEEE.IA,1973,9(3):31O.3l7.[6]PatilKVMathurRM,JiangJ,eta1.Distributionsystemcompensationusinganewbinarymultilevelvoltagesourceinverter[J].IEEETransonPowerDelivery,1999.14f21:459.464.17JT0lbertLM,ChiassonJ,McKenzieK,eta1.EliminationofharmonicsinamultilevelconverterwithnonequalDCsources[J].IEEETransInd,2005,41r11:75.82.[8]ChiassonJN,TolbertLM,McKenzieKJJ,eta1.Acompletesolutiontotheharmoniceliminationproblem[J1.IEEETransonPowerElectronics.2Oo4,19f2):491.499.[9]WEIWen-hui,GENGJun-cheng,LIUWn.hua'eta1.staticcharacteristicstudyOf50MSTATCOMwithchain.circuittopology[C1//The4thIntemationalConferenceonPowerTransmission&DistributionTechnology,Changsha:China.2003:975.981.—110JLIUw_enhua,SONGQiang,CHENGYuan-hua,eta1.AmethodofsolutiontoselectiveharmoniceliminatedPWMswitchinganglesforNPCinverters[J].ProceedingsoftheCSEE,2002,22(111:43.53.111JSanboPan,JunminPan,ZuohuaTian.AshiftedSVPWMmethodtocontrolDC-Linkresonantinve 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