链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析

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1、第３８卷第３期Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．３２０１４年２月１０日Ｆｅｂ．１０，２０１４ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１３０７０４０１０链式静止无功发生器直流侧电压稳定性分析熊桥坡１，罗安１，王晓２，黎小聪１，马伏军１，肖华根１（１．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４１００８２；２．湖南省电力公司检修公司，湖南省长沙市４１００４１）摘要：链式静止无功发生器（ＳＶＧ）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ＳＶＧ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ＳＶＧ直流侧电压控制进行了建模，建立包含滤波

2、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１３电平ＳＶＧ样机，在２２０Ｖ和３ｋＶ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０引言茨稳定判据进行稳定性分析，可得ＰＩ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链式静止无功发生器（ＳＶＧ）采用Ｈ桥级联结件。同时，运用根轨迹法分析了ＰＩ调节器比例系数构，具有模块化、易扩展的优点，在中、高压无功补偿Ｋｐ和积分时间常数Ｔｉ对系统闭环极点的影响。［１－４］领域具有广泛的应用

3、前景。链式ＳＶＧ直流侧一般采用直流电容起电压支１链式ＳＶＧ工作原理及能量平衡模型撑作用，维持电容电压稳定是装置正常工作的前提单相链式ＳＶＧ系统框图如图１所示，主电路采条件。链式ＳＶＧ直流侧电压控制原理与脉宽调制用单相全桥结构作为级联单元，级联单元在交流端（ＰＷＭ）整流器和有源滤波器（ＡＰＦ）相似，检测各级直接串联，再经连接电抗器（电抗值为Ｌ）与电网相联单元直流侧电容电压，采用负反馈的方式控制装连。直流侧采用直流电容起电压支撑作用，各级联置与电网的有功功率交换以维持直流侧电压稳单元直流侧电容相互独立，且处于高电位。［５－８］定；控制环节普遍采用简单而有效的比例—积分（ＰＩ）调节器。文献［９］根

4、据能量平衡的思想将ＡＰＦ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ＰＷＭ整流器和ＡＰＦ不同的是，链式ＳＶＧ没有公共的直流侧，各相链节与电网进行无功［１０］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［１１－１２］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ＳＶＧ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—赫尔维图１单相链式ＳＶＧ系统框图收稿日期

5、：２０１３－０７－０４；修回日期：２０１３－１０－２７。Ｆｉｇ．１Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｃａｓｃａｄｅｄ国家自然科学基金重点资助项目（５１２３７００３）；国家高技术研ＳＶＧｓｙｓｔｅｍ究发展计划（８６３计划）资助项目（２０１１ＡＡ０５Ａ３０１）。—２５—２０１４，３８（３）维持各级联单元直流侧电容电压稳定是装置正２电压环稳定性分析常工作的前提条件。本文所研究的链式ＳＶＧ电压２．１ＰＩ控制闭环模型外环采用ＰＩ控制，根据直流侧总电压ｕｄｃ与设定值电压环采用ＰＩ调节器，其传递函数为：＊的误差，生成有功指令电流有效值Ｉ：ｕｄｃｐｓＴｉ＋１ＫｐｔＧＰＩ（ｓ）＝Ｋｐ（７）＊）

6、＋（ｕ＊）ｄｔ（１）ｓＴＩｐ＝Ｋｐ（ｕｄｃ－ｕｄｃｄｃ－ｕｄｃｉＴ∫ｉ０由于ＳＶＧ与电网间的无功功率交换，直流侧电Ｉｐ乘以与电网电压同步的正弦信号，得到有功［１０］压存在１００Ｈｚ的纹波。在进行直流侧电压检测指令电流的瞬时值ｉ＊，再与无功指令电流ｉ＊叠加，ｐｑ时，常采用一阶ＲＣ滤波电路进行信号调理，反馈环生成ＳＶＧ指令电流ｉ＊。电流内环采用无差拍跟踪ｃ节传递函数为：控制生成调制信号ｕｒ。此外，为抑制级联单元直流１１侧电压的不平衡现象［１２－１３］，采用文献［１４］中所述的Ｈ（ｓ）＝＝（８）ｓＲｆＣｆ＋１ｓＴｆ＋１平衡控制策略３，根据各级联单元的直流侧电压实式中：Ｒｆ和Ｃｆ分别为滤波电阻和电容

7、；Ｔｆ＝ＲｆＣｆ为际值ｕｄｉ与平均值ｕｄａｖｅ之间的差异，微调各级联单元滤波环节时间常数。的调制信号ｕｒｉ：直流侧电压ＰＩ控制闭环框图如图２所示。ｕｒｉ＝ｕｒ＋Ｋｐｂ（ｕｄａｖｅ－ｕｄｉ）ｉｃ（２）式中：Ｋｐｂ为平衡控制比例系数。将各级联单元的调制信号ｕｒｉ与移相的三角形载波比较，生成多路ＰＷＭ信号，隔离驱动主电路中［１５］相应的开关器件。图２直流侧电压ＰＩ闭环控制框图根据能量平衡的思想，直流侧和交流侧瞬时功