基于三電平NPC技術(shù)的SVG控制方法及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

劉國海，劉云龍，李俊杰，劉 賀，陳兆嶺

（1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

基于三電平NPC技術(shù)的SVG控制方法及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

劉國海1，劉云龍1，李俊杰2，劉 賀2，陳兆嶺1

（1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

針對煤礦井下非線性負(fù)荷產(chǎn)生的無功以及電壓波動等電能質(zhì)量問題，搭建了礦用防爆型1 140 V、400 kVar三電平NPC技術(shù)的靜止無功發(fā)生器（SVG），并提出適用于系統(tǒng)無功補(bǔ)償控制的三電平空間電壓矢量調(diào)制算法.基于兩電平空間矢量調(diào)制原理，將三電平的參考電壓矢量扇區(qū)判斷和基本電壓矢量作用時(shí)間簡化到兩電平范疇，從而推導(dǎo)出三電平SVG的SVPWM調(diào)制算法及中點(diǎn)電壓平衡的控制策略.研制出基于DSP與FPGA結(jié)構(gòu)的三電平SVG數(shù)字控制系統(tǒng).在所搭建的系統(tǒng)上進(jìn)行了模擬試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明：所研制的系統(tǒng)具有良好的容性和感性無功控制特性，動態(tài)響應(yīng)5～10 ms，滿足工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際要求.

靜止無功發(fā)生器；三電平；NPC；SVPWM；中點(diǎn)電壓

近年來，隨著電力電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的快速發(fā)展，大功率靜止無功發(fā)生器（static var generator，SVG）得到了廣泛的應(yīng)用.盡管SVG在國內(nèi)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在煤礦井下配電系統(tǒng)中主要采用傳統(tǒng)無功補(bǔ)償器，先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用較少.相比傳統(tǒng)的靜止無功補(bǔ)償器（static var compensator，SVC），SVG具有無功功率補(bǔ)償連續(xù)可調(diào)、動態(tài)響應(yīng)快、噪聲小及損耗小等優(yōu)勢.而且采用PWM、多重化和多電平等技術(shù)的SVG可以有效地抑制電壓波動、諧波以及閃變，消除三相不平衡，改善電能質(zhì)量，提高效率，是國內(nèi)外動態(tài)無功功率補(bǔ)償研究的主要方向之一［1-7］.

三電平變流器主要有兩種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管箝位式和電容箝位式三電平變流器.基于三電平NPC技術(shù)的SVG相比兩電平SVG具有明顯的優(yōu)勢，可以達(dá)到更高的電壓等級，輸出電壓比兩電平變流器具有更小的d v/d t，輸出電壓、電流諧波含量降低，開關(guān)損耗小、效率高，系統(tǒng)具有更高的無功功率補(bǔ)償容量［8-9］.

文中研究基于三電平NPC技術(shù)的SVG的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理；其次，將兩電平SVPWM引入到三電平SVPWM算法上，給出參考電壓矢量分解SVPWM算法和中點(diǎn)電壓平衡控制方法，采用功率解耦控制策略對系統(tǒng)無功功率及直流側(cè)電壓進(jìn)行有效的控制；最終，在一臺三電平SVG試驗(yàn)樣機(jī)上對調(diào)制算法及控制策略進(jìn)行驗(yàn)證.

1　基于三電平技術(shù)SVG拓?fù)?/h2>

基于三電平NPC技術(shù)的SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，相比兩電平變流器，在三電平變流器換相過程中，每個(gè)IGBT均只承受直流側(cè)總電壓的一半，提高了設(shè)備容量，降低成本，并且具有輸出電壓、電流諧波低、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)［8］.圖2為SVG等效電路及矢量圖.

圖1　三電平SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2　SVG等效電路及矢量圖

圖2a中Lc，Rc為SVG系統(tǒng)等效電感和電阻（包括連接電抗器和系統(tǒng)本身阻抗），Us是網(wǎng)側(cè)電壓，Uc是SVG輸出電壓，Ic是SVG吸收的電流.對圖2a所示的SVG等效電路進(jìn)行分析，可將SVG當(dāng)作電壓控制電流源來對待，通過改變SVG輸出電壓Uc與電網(wǎng)電壓Us的相位差以及Uc的幅值，來間接地控制SVG從電網(wǎng)吸收電流Ic的相位和幅值，即控制了SVG吸收容性無功功率還是感性無功，以及無功功率大?。?］.圖2b中φ是連接電抗器的阻抗角，δ是SVG輸出電壓Uc與電網(wǎng)電壓Us的相位差.當(dāng)電流超前電網(wǎng)電壓90°，SVG吸收感性的無功功率；當(dāng)電流滯后電網(wǎng)電壓90°，SVG吸收容性的無功功率.考慮到電網(wǎng)為系統(tǒng)的損耗提供有功功率，電網(wǎng)電壓Us與電流Ic相位差略小于90°，偏差角為δ，這個(gè)δ角就是SVG輸出電壓Uc與電網(wǎng)電壓Us的相位差.

2　三電平SVPWM調(diào)制算法與中點(diǎn)平衡算法

目前，基于電壓空間矢量的三電平NPC變流器調(diào)制算法主要包括古典算法、基于參考電壓矢量分解SVPWM算法、基于線電壓坐標(biāo)系的SVPWM算法、基于60°坐標(biāo)系的SVPWM算法、基于120°坐標(biāo)系的SVPWM算法等［10-17］.圖3為三電平NPC變流器的電壓空間矢量圖.

由圖3可見，采用基于兩電平SVPWM的三電平SVPWM調(diào)制算法，將空間矢量圖分為6個(gè)大扇區(qū)1-6，分別以小矢量V1，V2，V3，V4，V5，V6作為兩電平電壓空間矢量的等效零矢量，相鄰兩個(gè)兩電平正六邊形扇區(qū)存在重疊部分，一般情況，對于重疊部分按平分線進(jìn)行劃分，如圖3陰影與非陰影部分所示.

圖3　基于兩電平算法的三電平NPC變流器空間矢量圖

基于兩電平空間矢量調(diào)制原理，將三電平的參考電壓矢量扇區(qū)判斷和基本電壓矢量作用時(shí)間簡化到兩電平范疇，從而推導(dǎo)出三電平SVG的SVPWM調(diào)制算法及中點(diǎn)電壓平衡的控制策略.

文中提出的算法采用傳統(tǒng)七段式SVPWM開關(guān)序列設(shè)計(jì)，在非陰影扇區(qū)1，3，5奇數(shù)扇區(qū)存在兩個(gè)N型小矢量和一個(gè)P型小矢量，稱作N型小矢量扇區(qū)；在陰影扇區(qū)2，4，6偶數(shù)扇區(qū)存在兩個(gè)P型小矢量和一個(gè)N型小矢量，稱作P型小矢量扇區(qū).圖4為參考電壓矢量轉(zhuǎn)換圖.

圖4　參考電壓矢量轉(zhuǎn)換

如圖4所示，例如當(dāng)Vref落入大扇區(qū)2小扇區(qū)Δ1時(shí)，以V2為等效零矢量，V8，V9為等效非零矢量.根據(jù)矢量合成，得到兩電平SVPWM調(diào)制算法的相對應(yīng)等效矢量，則有

其中，在基于參考電壓矢量分解三電平SVPWM里矢量Vsref表示兩電平SVPWM等效合成矢量，Vn-m代表大扇區(qū)n里第m個(gè)等效矢量.

如圖4所示兩電平SVPWM調(diào)制算法的相對應(yīng)等效矢量，采樣周期為Ts，根據(jù)伏秒平衡原理，可以得出

式中：V2-0為等效零矢量；T0，T1和T2分別為V2-0，V2-1和V2-2對應(yīng)的作用時(shí)間.將式（1）代入到（2）中，可得出

由此可知，利用兩電平SVPWM計(jì)算的三電平空間矢量作用時(shí)間是等效的.同理可得其他等效矢量及作用時(shí)間.

三電平NPC變流器的直流側(cè)中點(diǎn)電壓隨著運(yùn)行狀態(tài)的不同而改變，為了使直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏移最小，文中采用的控制策略如下：加入平衡因子f調(diào)節(jié)正負(fù)小矢量冗余開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間，并采用P型小矢量扇區(qū)與N型小矢量扇區(qū)的切換，有效地控制中點(diǎn)電壓平衡.

在基于兩電平SVPWM的三電平SVPWM調(diào)制算法中，每個(gè)扇區(qū)均以該扇區(qū)對應(yīng)的小矢量為主，通過檢測直流電壓Vdc1和Vdc2來調(diào)節(jié)平衡因子f，進(jìn)行P型和N型開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間調(diào)整，以及P型小矢量扇區(qū)與N型小矢量扇區(qū)的切換.平衡因子f根據(jù)電荷守恒原理計(jì)算可得.

當(dāng)1＜|f|時(shí)，對于相鄰兩個(gè)兩電平正六邊形扇區(qū)重疊部分，采用P型小矢量扇區(qū)與N型小矢量扇區(qū)的切換，根據(jù)圖3所示的小扇區(qū)標(biāo)號，用x-y表示x大扇區(qū)y小扇區(qū)，x和y為1～6，扇區(qū)切換狀態(tài)如表1所示，該切換以中點(diǎn)電流流出為正進(jìn)行分析.

表1　扇區(qū)切換狀態(tài)

當(dāng)-1≤f≤1時(shí)，等效零矢量的作用時(shí)間T0可以分為P型和N型開關(guān)狀態(tài)兩段，分別為T0P和T0N.

通過調(diào)節(jié)平衡因子f改變P型小矢量和N型小矢量作用時(shí)間，即有

式中：當(dāng)Vdc1＞Vdc2，有f＞0；當(dāng)Vdc1＜Vdc2，有f＜0.

3　控制樣機(jī)研制

研制了面向煤礦井下電力系統(tǒng)，應(yīng)用于大功率電機(jī)負(fù)載的新型三電平1 140 V、400 kVar無功功率補(bǔ)償裝置.研制出基于DSPTMS320F28335與FPGA的全數(shù)字控制系統(tǒng).裝置主拓?fù)鋮?shù)：電網(wǎng)線電壓有效值Us=1 140 V；電網(wǎng)頻率f=50 Hz；直流側(cè)電容C=3 000μF；并網(wǎng)電抗器Lc=0.6 mH；直流側(cè)電容電壓參考值；額定輸出電流Ic=200 A.

文中采用電流間接控制，將SVG當(dāng)作電壓控制電流源來對待，通過改變SVG輸出電壓Uc相位以及幅值，來間接地控制SVG從電網(wǎng)吸收電流Ic，包括無功電流Icq和有功電流Icd，分別與SVG吸收的無功功率和有功功率成線性關(guān)系.該方法通過PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對無功功率和有功功率模塊解耦，實(shí)現(xiàn)簡單，具有良好的動態(tài)響應(yīng).三電平SVG系統(tǒng)控制圖如圖5所示.為了使直流側(cè)總電壓Vdc保持恒定，將直流側(cè)電壓的參考值與實(shí)際檢測直流側(cè)電壓瞬時(shí)值Vdc的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到輸入有功電流的給定值，通過控制SVG吸收的有功功率來穩(wěn)定直流側(cè)總電壓.

4　試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際情況，搭建了模擬試驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)由所研制的1 140 V、400 kVar靜止無功補(bǔ)償器、模擬電機(jī)負(fù)載、相關(guān)測試儀器組成，現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示.

圖9，10分別為所研制SVG電流階躍給定為200 A時(shí)容性和感性無功的運(yùn)行試驗(yàn)波形.圖11為感性無功到容性無功的動態(tài)切換波形，動態(tài)切換響應(yīng)時(shí)間在5～10 ms.

圖9　發(fā)出容性無功階躍響應(yīng)波形

圖10　發(fā)出感性無功階躍響應(yīng)波形

圖11　動態(tài)調(diào)節(jié)波形

5　結(jié) 論

1）基于三電平NPC技術(shù)構(gòu)建SVG拓?fù)?，提出適用于系統(tǒng)無功補(bǔ)償控制的三電平空間矢量調(diào)制算法（SVPWM）的策略.

2）研制出基于DSP與FPGA結(jié)構(gòu)的三電平SVG數(shù)字控制系統(tǒng)，并首次應(yīng)用于煤礦井下電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置1 140 V、400 kVar三電平SVG的研制.

3）試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文中系統(tǒng)的調(diào)制算法及控制策略具有可行性，表明該樣機(jī)系統(tǒng)具有良好的容性和感性無功控制特性，動態(tài)響應(yīng)5～10 ms，滿足工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際要求.

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（責(zé)任編輯 梁家峰）

Control strategy and im Plementation of SVG based on three-level NPC inverter

Liu Guohai1，Liu Yunlong1，Li Junjie2，Liu He2，Chen Zhaoling1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China；2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）

To solve the reactive power，voltage fluctuation and other power quality problems generated by the nonlinear loads in coalmine power system，themine explosion-proof static var generator（SVG）was established based on 1 140 V，400 kVar three-level NPC technology，and the three-level space vector modulation algorithm was proposed for the control system.A novel three-level space vectormodulation algorithm was deduced based on two-level space vectormodulation to simplify the calculations of the sector judgment of reference voltage vector and the duration of space vectors by two-level SVPWM algorithm. The digital control system of three-level SVG was achieved based on the structure of DSP and FPGA.The simulation testwas completed on the new-built system.The experimental results show that the system has good capacitive and inductive reaction control characteristics with dynamic response time of 5～10 ms，which can meet the practical requirements.

SVG；three-level；NPC；SVPWM；neutral-point voltage

TM46

A

1671-7775（2015）04-0439-06

劉國海，劉云龍，李俊杰，等.基于三電平NPC技術(shù)的SVG控制方法及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，36（4）：439-444.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.04.012

2014-12-08

國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2011AA050403）

劉國海（1964—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，博士生導(dǎo)師（ghliu@ujs.edu.cn），主要從事電能質(zhì)量治理研究.劉云龍（1989—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生（LYL198900@163.com），主要從事電能質(zhì)量治理研究.