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级联式STATCOM直流侧电容电压平衡控制策略研究

时间:2016-07-04来源: 作者: 点击: 156次

摘要 

级联式STATCOM传统H桥单元的直流侧电源由电容器代替。理想状态下,每个H桥电容电压是平衡的,但实际上由于链式STATCOM各直流电容的充、放电时间不同,会造成电容电压产生不平衡。电容电压不平衡会使H桥输出的电压受到影响,进而会影响到装置的输出电压、电流的谐波含量以及STATCOM的响应时间,易损坏器件,严重时会威胁到装置的正常运行,是链式STATCOM在应用方面的一个主要缺点。

关键词

直流侧电源;电容电压;谐波含量;响应时间

Research on DC capacitor voltage balance control strategy Of Cascaded STATCOM

Xiao Gong

College of Electrical and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo,255000

Email:852296615@qq.com

Abstract

STATCOM DC side power supply unit by conventional H-bridge capacitor instead. Ideally, each H-bridge capacitor voltage is balanced, but in fact because of the different of each chain STATCOM DC capacitor charging and discharging time of the capacitor voltage will cause an imbalance. Capacitor voltage unbalance causes H-bridge output voltage is affected, in turn affect the harmonic content of the output voltage of the device, as well as STATCOM current response time, easy to damage the device, serious threat to the normal operation of the device is a chain a major drawback in the formula STATCOM applications.

Keywords

Cascaded STATCOM,Capacitor voltage,Harmonic content,Response time

1 引言

一般来说,控制直流侧电容电压平衡的方法有以下几种:

    (1)在直流母线电容两端并联一个电阻来调节。通过控制PWM开关的通断来调节模块的并联损耗,但这会增加额外的损耗。

    (2)通过调节并联损耗,采用外部能量交换来实现,但因为此损耗存在于各模块内部,电路复杂,控制较有难度。

    (3)以一个H桥单元为目标,通过控制直流侧电容的充放电情况来控制直流电压。

本文的主要工作室:对引起电容电压不平衡的原因进行分析,并研究直流侧电容电压的平衡控制方法,采用的是基于低电压追逐高电压的思想来实现电容电压的平衡控制,从而确保系统可靠连续工作,并在MATLAB/simulink 环境下做了仿真。

2 直流侧电容电压控制策略

电容电压平衡控制的具体做法是:不断检测一相中各H桥单元的电容电压值,并将电压值按从低到高或从高到低的顺序依次排列,当系统发送PWM触发脉冲的指令信号时,按照电压的排序结果,先使电容电压最低的单元开始,按照顺序依次投入H桥单元,此时的电容被充电,从而使电压上升。基于此思想,低电压不断向高电压接近,使一相所有单元的电容电压逐渐趋于平衡状态。

因为链式STATCOM的结构是由若干个结构相同的H桥单元串联而成,为了分析方便,将其等同于一个H桥单元,直流电容电压与电流呈积分关系,可表示为:

                        (2.1

由上式知,的大小及方向决定了直流侧电容电压的变化。若是正方向,即is>0时,当开关管S11S14导通时,电容器C是充电状态,当S12S13导通时,电容器C是放电状态;若是反方向,即is<0时,当开关管S11S14导通时,电容器C是放电状态,当开关管S12S13导通时,电容器C是充电状态。表1是在不同的电流方向时,电容C的充放电情况。

>0

<0

S11S14通,C充电

S11S14通,C放电

S12S13通,C放电

S12S13通,C充电

表1  电容充放电情况

Tab. 1  The charge and discharge of the capacitor

 经分析知,当电流方向一定时,可以通过控制开关管的通断来使电容器充电或是放电。

因本设计使用载波层叠移相CPD-PWM调制方法,现将H桥单元分成两个部分,左桥臂和右桥臂,左桥臂包括开关管S11与S12,左桥臂包括开关管S13与S14,且左桥臂及右桥臂中两个开关管分别是互补的,左桥臂和右桥臂调制波的相位是相反的。以左桥臂为例,CPD-PWM调制只需一个调制波,图1为载波与调制波的脉冲分布,可看出,四个载波中最上面的载波与调制波形成的脉冲是最窄的,第二个次之,第四个脉冲最宽,将它们分别用P1、P2、P3、P4表示,且脉冲宽度满足P1<P2<P3<P4。

1载波脉冲宽度示意图

Fig. 1  Schematic diagram of carrier pulse width

以单相A为例,设各单元直流侧电容电压分别表示为SM1SM2SM3SM4 。直流侧电容电压的控制方法为:(1)首先检测出每个单元的电容电压;(2)对检测到的电容电压也就是实际输出的电压进行排序,设SM4<SM3<SM2<SM1为排序后的电容电压大小;(3)根据每个单元的电流方向和电容电压的排列,进行脉冲分配控制,使实际电压较低的电压有较长的充电时间,而实际电压较高的电压有较短的充电时间。

2为链式STATCOM包括直流电容电压平衡控制在内的系统整体控制策略。

2系统整体控制策略结构图

Fig.2The overall system structure diagram of control strategy

3  直流侧电容电压的仿真

5为直流侧电容平衡控制之前某一相基于CPD-SPWM调制的四个H桥单元的直流侧电容电压,可看出各H桥单元直流侧电容电压是不平衡的,而且随着时间的增大,不平衡程度越来越大。

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图3 平衡控制前直流侧电容电压波形

Fig. 3 The DC capacitor voltage waveform before balance control

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图4  平衡控制后直流侧电容电压波形

Fig. 4 The DC capacitor voltage waveform after balance control

由图4可看出,经过了平衡控制策略之后,直流侧电容电压很到达到了稳定状态。可见此平衡控制方法可使直流侧电容电压很快达到平衡,效果非常显著。

4 结论

    本文通过对导致直流侧电容电压不平衡的原因进行分析,提出了电容电压的平衡控制策略,并且通过Matlab对其控制策略进行仿真,得到平衡控制前及平衡控制后的直流侧电容电压波形,通过对比及分析,验证了所用控制策略的合理性与有效性。

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作者简介:巩晓,作者系山东理工大学学术研究生,专业为电气工程,参加的科研项目多与有源电力滤波、电网无功补偿、风力发电并网运行、柔性输配电技术等相关。

 

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