级联型STATCOM的电压前馈空间矢量调制策略

邵容川， 熊　兰， 宫　力， 席自强

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

级联型STATCOM的电压前馈空间矢量调制策略

邵容川， 熊兰， 宫力， 席自强

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]针对级联STATCOM的单元直流电压平衡控制问题，基于传统SVM调制方法，提出一种带有电压前馈的空间矢量调制(FFSVM)策略。详述了新调制策略的算法，以及控制系统的设计。仿真结果表明，电压前馈空间矢量调制策略在单元直流电压不平衡的条件下能够输出有良好的电压波形，且具有平衡STATCOM各单元直流电压的能力。

[关键词]级联多电平； 直流电压不平衡； 电压前馈； 空间矢量

H桥级联型静止无功补偿器(STATCOM)，能够以耐压值较低的高频功率开关器件满足大中型电压网络的需求。然而级联各单元直流侧电压不平衡会导致输出电压的畸变，产生注入电力网络的谐波，因而成为级联型STATCOM工程中的一个重难点。

早期解决直流电压不平衡的一种方法是采用外加硬件电路。该方法虽然不增加控制复杂性，但是其附加电路及其控制电路会导致装置体积增大和成本增加。从控制角度出发解决直流电压不平衡问题的方法有交换触发脉冲平衡级联模块导通时间，以及改变H桥模块移相法控制法[1]，但前者不适用于多H桥模块拓扑结构，后者计算复杂且调整效果不明显。近年来研究较多的直流侧电容电压三级平衡控制法[2-3]也是一类常见的控制策略，又分为两种方法：一种是基于正、负序电流分离解耦控制的通用三级直流母线电压均衡控制方法，运算过程较为复杂，且零序电压会对直流母线电压造成影响；第二种方法在三级控制策略的每个阶段中分别加上比例谐振环节、自抗扰控制器以及移动各个功率单元调制波的环节。功率均衡控制策略[4]和STATCOM能量变换分析法[5]也是常被采用的控制策略。文献[6]提出一种单相单个电压平衡策略(IVBS),该方法基于瞬时理论，结合d-q轴变换，计算过程简单，达到在只改变d轴有功分量的前提下，各单元无功分量稳定的目的，但是该方法在每个单元前都加上了直流母线电压控制器，使得控制器结构复杂。这些方法都是将直流电压均衡的控制目标附加到系统控制算法之中，因此会增加系统控制算法复杂度。

H桥级联型STATCOM常常采用简单易行的基于载波的调制方法(包括载波移相调制法PS-PWM、载波移幅调制法LS-PWM)[7-9]以及多电平空间矢量调制法(SVM)[10],但是它们都以直流电压平衡为假设条件。当直流电压明显不平衡或者出现波动时，它们的输出波形质量会明显下降。为此，出现了在这些基本调制方法中引入直流电压前馈以改善输出波形直流的做法。文献[11]将直流电压前馈引入PS-PWM和LS-PWM的调制中，直接调节载波以消除逆变器输出电压中的二倍频分量。文献[12]在三电平中点钳位型逆变器中，采用中性点直流电压前馈调制法，削弱中性点电压纹波对输出电压的影响，获得无畸变的输出电压波形。

本文基于单相两单元H桥级联的拓扑结构，利用直流电压前馈空间矢量调制(FFSVM)方法，在直流电压不平衡的条件下能够获得良好的输出电压波形，并同时解决单元间直流电压不平衡问题，从而简化STATCOM的系统有功功率的控制。最后利用Matlab/Simulink仿真验证该方法的可行性。

1模型算法构建与分析

在级联H桥STATCOM拓扑结构中，空间矢量脉宽调制法(SVM)使各单元输出电压矢量合成后近似或等同指令电压矢量，减少输出电压波形高次谐波的含量，增加直流电压利用率。传统空间矢量脉宽调制法(SVM)过程需要利用逆变器功率开通关断组合来确定矢量扇区，再利用扇区边缘两矢量以及零矢量的作用时间，确定逆变器功率开关管的动作状态。图1和式(1)、(2)分别表示传统SVM扇区分布图、矢量合成以及矢量作用时间计算过程。

图 1　逆变器的空间矢量图以及矢量作用时间计算

(1)

Ts=tv1+tv2+tv0

(2)

式(2)中，Ts代表采样周期。 基于图2所示的单相两单元STATCOM拓扑结构，本文提出一种适用于任意直流电压比例情况下的直流电压前馈式空间矢量调制法，在按照指令电压输出的同时能够抑制直流电压不平衡。算法步骤如下：

(a)利用指令输出相电压Vout_ref和各单元直流电压之和之比，得到调制比M，即

M = Vout_ref/(Udc_1+Udc_2)

(3)

(b)据两单元直流电压4种不同的数量大小关系，把输出控制区间标幺化，即确定调制比M所处区间范围，与传统SVM法中制定扇区的步骤相似。

图 2　单相两单元STATCOM拓扑

(c)确定调制比所处区间后，在数轴上利用输出矢量比例算法，确定每个开关周期中的开关矢量组及其动作时间，实现传统SVM中选取扇区以及开关周期确定的步骤。

2算法说明

本文以单相两单元级联的STATCOM系统为例，结合各单元直流电压Udc_1、Udc_2的四种数值比较关系，将输出电压控制区间以级联各单元直流电压之和为基值进行标幺化，确定各子区间的划分节点Pi(i=1,2,3)，结果见表1。

表1　不同直流电压关系情况下控制区域标幺化

确定调制比M和控制区间划分点Pi后，可以得到图3所示的控制区间划分，进而确定开关矢量组。

图 3　划分点Pi确定的控制区间

由于每个单元有三种输出电平(即-Udc、0和Udc)，分别用数字0、1和2代表每个单元输出-Udc、0和Udc电平时的代码，则在控制区间划分点±Pi处对应的开关矢量由两个单元各自的输出代码组成。例如在某个开关周期中Udc_2≥ 2·Udc_1，M值见图3，介于P2和P3区间中，由于P2对应的输出状态为(-Udc_1+Udc_2)，因此其代码组为02；P3对应的输出状态为Udc_2(即为0+Udc_2)，故其代码组为12。从而确定了该开关周期中，两个输出矢量的代码组合分别为P2和P3所对应的02、12。

一个开关周期内，两个输出矢量的作用时间可以根据M与P2和P3的数值比例关系确定。若调制比M处于P2和P3之间的区间中，则有P2对应的状态矢量的作用时间为t1= (M-P2)/(P3-P2)，P3对应的状态矢量作用时间t2= (P3-M)/(P3-P2)。

可见，这种调制方法的实质就是依据各单元的实际电平来组织开关矢量，并计算相应的开关矢量作用时间，因而能在任意直流电压比例的条件下获得良好的输出波形。

3抑制直流电压不平衡的算法

由于各单元输出侧是串联的，因而在每个开关矢量作用时间内单元充电还是放电由其输出电平的极性决定，即同一时刻不同输出状态的各单元直流电压有不同的变化趋势(表2)。

表2　单元直流电压变化趋势与输出电流方向的关系

由表2可知，随着Iout方向的变化，不适当的开关矢量组合有可能使得原本较大的直流电压有继续变大的趋势，或者原本较小的直流电压保持着变小的趋势，从而各单元直流电压出现发散。因此，要达到抑制直流电压的不平衡的目标，只需要修正前文算法，去掉不符合要求的开关矢量状态。

例如，当Udc_2≤Udc_1<2·Udc_2且Iout>0时，-P2对应的开关状态为-Udc_2，此时第一单元输出电压Udc_1=0且不变，而第二单元输出电压为-Udc_2，根据表2，第二单元输出电压有更加变小的趋势，背离直流电压收敛一致的目的，两单元的直流电压将继续发散，故去除-P2对应的开关状态。同理可得区间划分点P1和P3处所对应的开关状态也要去除(图4)。

图 4　考虑输出电流方向后的控制区间图

修改之后的调制方法，既能准确地按照指令电压输出电压波形，同时在输出调制的过程中自动避免使得单元直流电压发散的开关矢量，而只采用能使得各直流电压趋于一致的那些开关矢量。因此这种控制直流电压平衡的方法是独立于系统的有功、无功控制算法的，从而使得系统的控制方案能够得到简化。

另一方面，由于单元直流电压的充放电速度是由输出电流大小决定的，因而这种调制方法对直流电压不平衡的抑制的效果也与输出电流大小有关，即电流越大，单元直流电压趋于一致的速度越快。

4仿真验证

为了验证带有直流电压前馈的空间矢量调制算法(FFSVM)对单元直流电压不平衡的适用性及其控制直流电压收敛的有效性，本文按照图2所示的单相220V两单元级联的STATCOM并网系统，在Matlab/Simulink中建立仿真模型，并与相移脉冲宽度调制法(PS-PWM)对比。两种调制方法的仿真, 其系统控制方法一致，只是所采用的调制方法不同。FFSVM的仿真控制框图见图4。

图 5　 前馈空间矢量调制策略控制框图

4.1FFSVM对直流电压不平衡的抑制能力

首先，在两个单元直流电压初始值、直流侧等效负载电阻值均不同的条件下，将FFSVM与PS-PWM两种调制方法对比。仿真参数见表3，FFSVM与PS-PWM的仿真结果分别见图6、7。

表3　直流电压不平衡抑制的仿真参数

(a)输出电压和电流波形

(b)两个单元的直流电压图 6　采用FFSVM的仿真波形

(a)输出电压和电流波形

(b)两个单元的直流电压图 7　采用PS-PWM法的仿真波形

单元一的直流电压初值与直流侧电阻值均高于单元二。仿真过程中的前0.05 s只有电网电压前馈和电感电流反馈投入，总的直流电压PI控制在0.05 s时开始投入，其作用是控制单元直流电压平均值为170 V的指令值。无功电流指令在0.15 s加入到系统电流参考值中。图6a和图7a的输出电压、电流波形显示了这个仿真过程。

在前0.05 s，图6b中两个单元的直流电压差由初始的10 V减小到了7 V，而图7b中两个单元的直流电压差则增大到了12 V。从0.05 s开始，在PI控制使得直流电压平均值达到指令值170 V的过程中，图6b中两个单元的直流电压差值迅速缩小直至基本一致，并且在0.15 s开始输出无功电流之后仍然保持了一致；而图7b中两个单元的直流电压差距一直较大，并且呈现逐渐发散的趋势，这是由于PS-PWM方法本身不具有抑制直流电压不平衡的能力，并且两个单元的直流侧阻抗也不同。可见FFSVM具有明确的抑制直流电压不平衡的作用。

但是在仿真开始0.05 s之内，由于此时电感电流很小，直流电容充放电的速度比较慢，图6b中两个单元的直流电压收敛速度较慢。当直流电压PI控制投入后，相对较大的电感电流使得FFSVM抑制直流电压不平衡的能力表现得非常显著。可见，采用FFSVM调制，输出电流越大，直流电压差值的收敛速度越快。

4.2输出波形质量比较

为了比较FFSVM与PS-PWM的输出波形质量，本文采用理想直流电压源代替单元的直流侧电容，在直流电压平衡和不平衡的两种条件下对比其输出电压。

4.2.1直流电压不平衡的情况仿真参数见表4。图8和图9显示了两种调制方法的输出电压波形及其谐波分析结果。

表4　直流电压不平衡时输出波形比较的仿真参数

(a)输出电压波形

(b)输出电压谐波分析图 8　直流电压不平衡时FFSVM的输出电压

(a)输出电压波形

(b)输出电压谐波分析图 9　直流电压不平衡时PS-PWM的输出电压

图8中FFSVM的电压波形看起来左右不对称。这是因为输出无功电流的相位与电压相差90°，而在电流大于零和小于零的情况下，为了使得两个单元直流电压趋于一致所选取的输出开关矢量不同。实际上，经过与开关矢量对应的作用时间计算，其合成输出电压的基波分量是正确的。

由图8、图9可见，当两个单元的直流电压分别为205 V和135 V时，FFSVM的输出电压总谐波畸变率(THD)约为25.72%，而PS-PWM的THD约为33.07%。在直流电压不平衡的情况下，PS-PWM的主要谐波成分的频率较高，而FFSVM的THD略好。

4.2.2直流电压平衡情况仿真参数与表4基本相同，只是两个单元的直流电压均为170 V。图10和图11显示了两种调制方法的输出电压波形及其谐波分析结果。

(a)输出电压波形

(b)输出电压谐波分析图10　直流电压平衡时FFSVM的输出电压

(a)输出电压

(b)输出电压谐波分析图11　直流电压平衡时PS-PWM的输出电压

由图10和图11可见，当两个单元的直流电压均为170V时，FFSVM的THD约为28.06%，而PS-PWM的THD约为31.06%。FFSVM在直流电压平衡与不平衡的情况下的THD变化不大，而PS-PWM从其谐波抵消的机制来说在直流电压平衡条件下的THD是优于不平衡条件下的。以上两种条件下的仿真表明，FFSVM的输出电压畸变率略优于PS-PWM。

总体来说，由于FFSVM对直流电压不平衡具有比较强的适应性，同时具有抑制直流电压不平衡的功能，因而更适合于单相级联型STATCOM的应用。

5结论

本文针对级联STATCOM所存在的直流电压均衡控制的问题，以一个单相两单元级联的STATCOM为例，描述了前馈空间矢量调试(FFSVM)法的算法及其抑制直流电压不平衡的方法。这种方法以实时检测的各单元直流电压和输出电流的方向为依据，能够在直流电压不平衡的情况下获得高质量的输出电压波形，同时利用各单元输出电流串联的结构特点控制单元直流电压的平衡，可以应用于级联型STATCOM。当单元数量增多时，只需按照同样的原理推出开关矢量的算法。通过与PS-PWM的仿真比较，验证了FFSVM控制直流电压平衡的有效性，且输出波形质量还略优于PS-PWM。

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[责任编校： 张岩芳]

Research on Voltage Feedforward Space Vector Modulation Strategy for Cascaded STATCOM

SHAO Rongchuan, XIONG Lan, GONG Li, XI Ziqing

(SchoolofElectricandElectronEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：To solve the problem of DC-link voltage imbalance in cascaded STATCOM, this paper introduces a Voltage Feedforward Space Vector Modulation (FFSVM) strategy based on conventional Space Vector Modulation method. The algorithm of this modulation strategy and the control system design are described. Simulation results demonstrate that this strategy achieves good output voltage performance under the condition of DC-link voltage imbalance and is capable of balancing DC-link voltage of each unit in STATCOM .

Keywords：cascaded multilevel; dc voltage imbalance; voltage feedforward; space vector

[收稿日期]2015-06-17

[基金项目]太阳能高效利用湖北省协同创新中心开放基金资助项目(编号HBSKFMS2014035)

[作者简介]邵容川(1990-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电能质量检测及控制技术

[文章编号]1003-4684(2016)02-0062-06

[中图分类号]TM743

[文献标识码]：A