链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析.pdf

：链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析熊桥坡，罗安，王晓，黎小聪，马伏军，肖华根（国家电能变换与控制工程技术研究中心，湖南大学，湖南省长沙市 ；湖南省电力公司检修公司，湖南省长沙市 ）摘要：链式静止无功发生器（）直流侧电容电压存在二倍频波动，电压检测时常采用滤波电路对直流侧电压信号进行调理。文中重点研究了滤波环节对链式 直流侧电容电压稳定性的影响。根据能量平衡的思想对链式 直流侧电压控制进行了建模，建立包含滤波环节的系统闭环模型，并进行稳定性分析，得到调节器积分时间常数大于滤波环节时间常数是系统稳定的必要条件。搭建了 电平 样机，在 和 电压下分别进行了并网实验，实验结果验证了文中稳定性分析的正确性。关键词：级联型多电平逆变器；静止无功发生器；直流侧电压稳定控制；稳定性分析；根轨迹法收稿日期：；修回日期：。国家自然科学基金重点资助项目（）；国家高技术研究发展计划（计划）资助项目（）。引言链式静止无功发生器（）采用 桥级联结构，具有模块化、易扩展的优点，在中、高压无功补偿领域具有广泛的应用前景。链式 直流侧一般采用直流电容起电压支撑作用，维持电容电压稳定是装置正常工作的前提条件。链式 直流侧电压控制原理与脉宽调制（）整流器和有源滤波器（）相似，检测各级联单元直流侧电容电压，采用负反馈的方式控制装置与电网的有功功 率 交换 以维 持 直 流 侧 电 压 稳定；控制环节普遍采用简单而有效的比例积分（）调节器。文献 根据能量平衡的思想将 电压环等效为积分环节，并进行了稳定性分析和控制参数设计，仿真和实验结果表明了该控制模型的有效性。与 整流器和 不同的是，链式 没有公共的直流侧，各相链节与电网进行无功交换，将导致直流侧电容电压出现二倍频波动。直流侧电压二倍频波动可经反馈通道引入控制回路，并在并网电流中产生三次谐波 。为抑制直流侧电容电压二倍频波动的影响，在直流侧电压检测时常采用滤波电路对直流侧电压信号进行调理。本文重点研究了滤波环节对链式 直流侧电容电压稳定性的影响。根据能量平衡的思想建立包含滤波环节的系统闭环模型。利用劳思赫尔维茨稳定判据进行稳定性分析，可得 调节器积分时间常数大于滤波环节时间常数是系统稳定的必要条件。同时，运用根轨迹法分析了 调节器比例系数和积分时间常数对系统闭环极点的影响。链式 工作原理及能量平衡模型单相链式 系统框图如图所示，主电路采用单相全桥结构作为级联单元，级联单元在交流端直接串联，再经连接电抗器（电抗值为）与电网相连。直流侧采用直流电容起电压支撑作用，各级联单元直流侧电容相互独立，且处于高电位。图单相链式 系统框图 第 卷第期 年月 日 ，维持各级联单元直流侧电容电压稳定是装置正常工作的前提条件。本文所研究的链式 电压外环采用 控制，根据直流侧总电压 与设定值 的误差，生成有功指令电流有效值：（）（）（）乘以与电网电压同步的正弦信号得到有功指令电流的瞬时值，再与无功指令电流叠加，生成 指令电流。电流内环采用无差拍跟踪控制生成调制信号。此外，为抑制级联单元直流侧电压的不平衡现象 ，采用文献 中所述的平衡控制策略，根据各级联单元的直流侧电压实际值与平均值 之间的差异，微调各级联单元的调制信号：（）（）式中：为平衡控制比例系数。将各级联单元的调制信号与移相的三角形载波比较，生成多路 信号，隔离驱动主电路中相应的开关器件。根据能量平衡的思想，直流侧和交流侧瞬时功率平衡，可以得到下面的瞬时功率平衡方程：（）（）（）（）（）（）式中：（）和（）分别为电网电压和电流的瞬时值；为各级联单元直流侧电容；（）为各级联单元直流侧电压的瞬时值为级联单元数。只有基波有功电流分量才影响到直流侧电压升降，因此，可忽略无功补偿电流和连接电感对直流侧电压的影响；同时假设各级联单元具有良好的一致性，直流侧电压及其变化完全相同。基波有功电流对直流侧电容电压的影响见下式：（）（）（）（）（）式中：为电网电压有效值；（）为各级联单元直流侧电压之和。式（）为典型的非线性微分方程，在稳态工作点附近采用小信号分析对其进行线性化处理。当电路达到稳态时，直流侧电压达到设定值，则（），（），。加入小信号扰动后可得：（）（）进行拉氏变换可得到 开环传递函数：（）（）（）（）电压环稳定性分析 控制闭环模型电压环采用 调节器，其传递函数为：（）（）由于 与电网间的无功功率交换，直流侧电压存在 的纹波。在进行直流侧电压检测时，常采用一阶 滤波电路进行信号调理，反馈环节传递函数为：（）（）式中：和分别为滤波电阻和电容；为滤波环节时间常数。直流侧电压 控制闭环框图如图所示。图直流侧电压 闭环控制框图 可以得到系统的闭环传递函数为：（）（）（）（）（）（）（）将式（）至式（）代入式（），整理得：（）（）（）劳思赫尔维茨稳定判据考虑滤波环节时，链式 直流侧电压控制系统是一个典型的三阶系统，系统特征方程为：（）根据劳思赫尔维茨稳定判据，对于三阶系统，其稳定的充分必要条件为：特征方程系数全部为正且，即 烅烄烆（）求得系统稳定的充分必要条件为：，即 调节器积分时间常数大于滤波环节时间常数。根轨迹分析搭建有 电平链式 实验样机，滤波电路 ，（）时间常数为 ，其主要参数如下：电网电压有效值 、级联数、并网电抗 、直流电压给定值 、直流侧电容 、开关频率 、无功指令电流峰值、滤波电阻参数 、滤波电容参数 。将电路参数代入式（）可得样机电压控制闭环传递函数为：（）（）（）积分时间常数分别取 （）、（）、（）、（），比例系数由 变化至 时，系统的根轨迹如图所示。图链式 系统根轨迹图 系统含有个特征根：一对共轭的复数根，以及一个位于实轴的负根。当 （）时，共轭的复数根位于右半平面，系统不稳定；随着的增大，位于实轴的负根从 处向远离虚轴的方向运动。当 （）时，共轭的复数根位于虚轴上，系统临界稳定；随着增大，共轭的复数根从原点附近出发向远离实轴的方向运动，位于实轴的负根静止在 处。当 （）时，共轭的复数根位于左半平面，系统稳定；随着增大，共轭的复数根从原点附近出发向远离虚轴方向运动，最终稳定在 附近，位于实轴的负根从 处向接近虚轴的方向运动，最终稳定在 附近。当 （）时，共轭的复数根位于左半平面，系统稳定；随着增大，共轭的复数根从原点附近出发向远离虚轴的方向运动，最终稳定在 附近，位于实轴的负根从 处向接近虚轴的方向运动，最终稳定在 附近。总之，随着的增大，共轭复数根向左运动，系统稳定性增强。时，系统的个特征根都位于左半平面，系统稳定，且随着的增大，共轭的复数根远离虚轴，位于实轴的负根靠近虚轴。特别是当时，随着的增大，位于实轴的负根逐渐成为主导极点，系统稳定性下降。实验验证搭建有 电平 样机，主电路结构见图。共有个级联单元，开关器件采用英飞凌两单元绝缘栅双极型晶体管（）模块 ，采用 公司配套驱动板 ，附录 图 （）为 级 联 单 元 及 光 电 接 口 板。附 录 图 （）为控制板，采用数字信号处理器（）芯片 作为主控单元，负责信号采集、直流侧电压稳定控制、电流跟踪控制、直流侧电压平衡控制以及装置启动和保护；采用现场可编程门阵列（）芯片 作为 发生器，完成载波移相调制。附录 图 （）为电压检测光电接收板，采用基于 的压频转换电路进行直流侧电 压 的 检 测；采 用 光 电 转 换 器 及多模光纤跳线组成光通信网络，负责主电路与控制回路间的隔离驱动和信号检测。在 电压环境下，进行低压实验，实验参数同 节根轨迹分析时的实验样机参数设定。设置 无功指令电流峰值为 ，进行并网实验。图（）为并网过程级联单元直流侧电压波形。并网过程分为以下几个阶段：首先，经不可控整流直流侧总电压上升至 ，各级联单元直流侧电压上升至 左右；然后，解除 封锁，直流侧电压从 过渡到给定值 ，各级联单元直流侧电压上升至 左右；最后，直流侧电压稳定在 ，稳定工作。图（）为稳态时电网电压和并网电流波形，从图中可以看出，电流波形良好，滞后电网电压 ，峰值为，与指令电流一致。从 代码调试器中导出稳态时 采集到的直流侧电压数据，数据显示：各级联单元直流侧电压维持在 左右，基本平衡。为验证本文稳定性分析的正确性，直流电压调节器中的 积 分 时 间 常 数分 别 取 ，进行了并网实验，其并网过程直流侧电压波形分别见图（）、图（）、图（）。当 （）时，解除 封锁后，经历左右的振荡发散过程，保护电路动作，将 切除；而当时，直流侧电压经过渡过程，最终能够稳定在设定值。电力电子技术应用专题熊桥坡，等链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析图 时的 低压实验波形 图变化对系统稳定性的影响 经 的升压变压器获得 电压，进行高压实验，实验参数如下：，。时，设 置 无功指令电流有效值为，进行并网实验。样机顺 利 启 动，且 可 稳 定 运 行。图为 稳 态 时 电能质量测试仪测得的低压侧电网电压和并网电流波形，并网电流滞后电压 ，有效值为 ，折算到高压侧为 ，与高压侧指令值接近。从 代码调试器中导出稳态时 采集到的直流侧电压数据，数据显示：各级联单元直流侧电压维持在 左右，基本平衡；直流侧总电压维持在 附近，稳定在设定值。实验结果表明，在 电压环境下，时，装置直流侧电压可维持稳定，实现无功功率的输出。图 时的 高压实验波形 结语本文以链式 为研究对象，根据能量平衡的思想对单相链式 直流侧电压控制进行了建模。考虑电压检测中滤波环节的影响，建立基于 调节器的系统闭环模型。利用劳思赫尔维茨稳定判据进行稳定性分析，并运用根轨迹法分析了调节器比例系数和积分时间常数对系统闭环极点的影响，为链式 直流电压调节器的设计提供了参考。附录见本刊网络版（：）。参 考 文 献 ，（）：，（）：（），（）：李建林，赵栋利，赵斌，等 载波相移 级联 型变流器及其在有源电力滤波器中的应用中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：，（）许湘莲基于级联多电平逆变器的 及其控制策略研究武汉：华中科技大学，张茂松，查晓明，孙建军，等链式 的无源性控制中国电机工程学报，（）：，（）：刘钊，刘邦银，段善旭，等系统电压不平衡下链式静止同步补偿器控制研究中国电机工程学报，（）：，（）：王立峰，郑建勇，梅军，等有源滤波装置直流侧电压控制瞬时能量平衡建模电工技术学报，（）：，（）：聂子玲，张波涛，孙驰，等 直流侧电容电压的二次谐波计算 电工技术学报，（）：，（）：孙海 单相 三次谐波电流产生及抑制研究 电力电容器与无功补偿，（）：，（）：耿俊成，刘文华，袁志昌 链式 电容电压不平衡现象研究：（一）仿真和试验电力系统自动化，（）：，：，（）：耿俊成，刘文华，袁志昌链式 电容电压不平衡现象研究：（二）数学模型电 力 系 统 自 动 化，（）：，：，（）：刘钊风力发电系统中链式 关键技术武汉：华中科技大学，刘凤君多电平逆变技术及其应用北京：机械工业出版社，：熊桥坡（），男，通信作者，博士研究生，主要研究方向：技术和电力电子装置。：罗安（），男，教授，博士生导师，主要研究方向：谐波治理和无功补偿关键技术、大型工业企业电气节能新技术。：王晓（），男，助理工程师，主要研究方向：电能质量装置和继电保护装置。：（编辑章黎），（，；，）：（），（）（）（）：；（）；电力电子技术应用专题熊桥坡，等链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析