基于三电平NPC技术的SVG控制方法及其系统实现

基于三电平NPC技术的SVG控制方法及其系统实现
刘国海;刘云龙;李俊杰;刘贺;陈兆岭
【摘要】针对煤矿井下非线性负荷产生的无功以及电压波动等电能质量问题,搭建了矿用防爆型1140 V、400 kVar三电平NPC技术的静止无功发生器(SVG),并提出适用于系统无功补偿控制的三电平空间电压矢量调制算法.基于两电平空间矢量调制原理,将三电平的参考电压矢量扇区判断和基本电压矢量作用时间简化到两电平范畴,从而推导出三电平SVG的SVPWM调制算法及中点电压平衡的控制策略.研制出基于DSP与FPGA结构的三电平SVG数字控制系统.在所搭建的系统上进行了模拟试验.试验结果表明:所研制的系统具有良好的容性和感性无功控制特性,动态响应5～10 ms,满足工业现场实际要求.
【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(036)004
【总页数】6页(P439-444)
【关键词】静止无功发生器;三电平;NPC;SVPWM;中点电压
【作者】刘国海;刘云龙;李俊杰;刘贺;陈兆岭
【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
近年来，随着电力电子技术和微控制器技术的快速发展，大功率静止无功发生器（static var generator，SVG）得到了广泛的应用.尽管SVG在国内已经得到广
泛应用，但在煤矿井下配电系统中主要采用传统无功补偿器，先进的无功补偿装置应用较少.相比传统的静止无功补偿器（static var compensator，SVC），SVG
具有无功功率补偿连续可调、动态响应快、噪声小及损耗小等优势.而且采用PWM、多重化和多电平等技术的SVG可以有效地抑制电压波动、谐波以及闪变，消除三相不平衡，改善电能质量，提高效率，是国内外动态无功功率补偿研究的主要方向之一［1-7］.
三电平变流器主要有两种主电路拓扑结构：二极管箝位式和电容箝位式三电平变流器.基于三电平NPC技术的SVG相比两电平SVG具有明显的优势，可以达到更高的电压等级，输出电压比两电平变流器具有更小的d v/d t，输出电压、电流谐波
含量降低，开关损耗小、效率高，系统具有更高的无功功率补偿容量［8-9］.
文中研究基于三电平NPC技术的SVG的主电路拓扑结构及工作原理；其次，将
两电平SVPWM引入到三电平SVPWM算法上，给出参考电压矢量分解SVPWM 算法和中点电压平衡控制方法，采用功率解耦控制策略对系统无功功率及直流侧电压进行有效的控制；最终，在一台三电平SVG试验样机上对调制算法及控制策略
进行验证.
基于三电平NPC技术的SVG主电路拓扑结构如图1所示，相比两电平变流器，
在三电平变流器换相过程中，每个IGBT均只承受直流侧总电压的一半，提高了设备容量，降低成本，并且具有输出电压、电流谐波低、电磁干扰小等优点［8］.图2为SVG等效电路及矢量图.
图2a中Lc，Rc为SVG系统等效电感和电阻（包括连接电抗器和系统本身阻抗），Us是网侧电压，Uc是SVG输出电压，Ic是SVG吸收的电流.对图2a所示的
SVG等效电路进行分析，可将SVG当作电压控制电流源来对待，通过改变SVG
输出电压Uc与电网电压Us的相位差以及Uc的幅值，来间接地控制SVG从电网吸收电流Ic的相位和幅值，即控制了SVG吸收容性无功功率还是感性无功，以及无功功率大小［1］.图2b中φ是连接电抗器的阻抗角，δ是SVG输出电压Uc与电网电压Us的相位差.当电流超前电网电压90°，SVG吸收感性的无功功率；当
电流滞后电网电压90°，SVG吸收容性的无功功率.考虑到电网为系统的损耗提供
有功功率，电网电压Us与电流Ic相位差略小于90°，偏差角为δ，这个δ角就是SVG输出电压Uc与电网电压Us的相位差.
目前，基于电压空间矢量的三电平NPC变流器调制算法主要包括古典算法、基于参考电压矢量分解SVPWM算法、基于线电压坐标系的SVPWM算法、基于60°坐标系的SVPWM算法、基于120°坐标系的SVPWM算法等［10-17］.图3为
三电平NPC变流器的电压空间矢量图.
由图3可见，采用基于两电平SVPWM的三电平SVPWM调制算法，将空间矢量图分为6个大扇区1-6，分别以小矢量V1，V2，V3，V4，V5，V6作为两电平
电压空间矢量的等效零矢量，相邻两个两电平正六边形扇区存在重叠部分，一般情况，对于重叠部分按平分线进行划分，如图3阴影与非阴影部分所示.
基于两电平空间矢量调制原理，将三电平的参考电压矢量扇区判断和基本电压矢量作用时间简化到两电平范畴，从而推导出三电平SVG的SVPWM调制算法及中点电压平衡的控制策略.
文中提出的算法采用传统七段式SVPWM开关序列设计，在非阴影扇区1，3，5
奇数扇区存在两个N型小矢量和一个P型小矢量，称作N型小矢量扇区；在阴影扇区2，4，6偶数扇区存在两个P型小矢量和一个N型小矢量，称作P型小矢量扇区.图4为参考电压矢量转换图.
如图4所示，例如当Vref落入大扇区2小扇区Δ1时，以V2为等效零矢量，V8，
V9为等效非零矢量.根据矢量合成，得到两电平SVPWM调制算法的相对应等效矢量，则有
其中，在基于参考电压矢量分解三电平SVPWM里矢量Vsref表示两电平SVPWM等效合成矢量，Vn-m代表大扇区n里第m个等效矢量.
如图4所示两电平SVPWM调制算法的相对应等效矢量，采样周期为Ts，根据伏秒平衡原理，可以得出
式中：V2-0为等效零矢量；T0，T1和T2分别为V2-0，V2-1和V2-2对应的作用时间.将式（1）代入到（2）中，可得出
由此可知，利用两电平SVPWM计算的三电平空间矢量作用时间是等效的.同理可得其他等效矢量及作用时间.
三电平NPC变流器的直流侧中点电压随着运行状态的不同而改变，为了使直流侧中点电压偏移最小，文中采用的控制策略如下：加入平衡因子f调节正负小矢量冗余开关状态的作用时间，并采用P型小矢量扇区与N型小矢量扇区的切换，有效地控制中点电压平衡.
在基于两电平SVPWM的三电平SVPWM调制算法中，每个扇区均以该扇区对应的小矢量为主，通过检测直流电压Vdc1和Vdc2来调节平衡因子f，进行P型和N型开关状态的作用时间调整，以及P型小矢量扇区与N型小矢量扇区的切换.平衡因子f根据电荷守恒原理计算可得.
当1＜|f|时，对于相邻两个两电平正六边形扇区重叠部分，采用P型小矢量扇区与N型小矢量扇区的切换，根据图3所示的小扇区标号，用x-y表示x大扇区y小扇区，x和y为1～6，扇区切换状态如表1所示，该切换以中点电流流出为正进行分析.
当-1≤f≤1时，等效零矢量的作用时间T0可以分为P型和N型开关状态两段，分别为T0P和T0N.
通过调节平衡因子f改变P型小矢量和N型小矢量作用时间，即有
式中：当Vdc1＞Vdc2，有f＞0；当Vdc1＜Vdc2，有f＜0.
研制了面向煤矿井下电力系统，应用于大功率电机负载的新型三电平1 140 V、400 kVar无功功率补偿装置.研制出基于DSPTMS320F28335与FPGA的全数字控制系统.装置主拓扑参数：电网线电压有效值Us=1 140 V；电网频率f=50 Hz；直流侧电容C=3 000μF；并网电抗器Lc=0.6 mH；直流侧电容电压参考值；额定输出电流Ic=200 A.
文中采用电流间接控制，将SVG当作电压控制电流源来对待，通过改变SVG输出电压Uc相位以及幅值，来间接地控制SVG从电网吸收电流Ic，包括无功电流Icq 和有功电流Icd，分别与SVG吸收的无功功率和有功功率成线性关系.该方法通过
PI调节器实现对无功功率和有功功率模块解耦，实现简单，具有良好的动态响应.
三电平SVG系统控制图如图5所示.为了使直流侧总电压Vdc保持恒定，将直流
侧电压的参考值与实际检测直流侧电压瞬时值Vdc的差值经过PI调节器得到输入有功电流的给定值，通过控制SVG吸收的有功功率来稳定直流侧总电压.
根据现场应用实际情况，搭建了模拟试验系统.该系统由所研制的1 140 V、400 kVar静止无功补偿器、模拟电机负载、相关测试仪器组成，现场应用试验系统如
图6所示.
图9 ，10分别为所研制SVG电流阶跃给定为200 A时容性和感性无功的运行
试验波形.图11为感性无功到容性无功的动态切换波形，动态切换响应时间在5～10 ms.
1）基于三电平NPC技术构建SVG拓扑，提出适用于系统无功补偿控制的三电平空间矢量调制算法（SVPWM）的策略.
2）研制出基于DSP与FPGA结构的三电平SVG数字控制系统，并首次应用于煤矿井下电力系统无功补偿装置1 140 V、400 kVar三电平SVG的研制.
3）试验结果验证了文中系统的调制算法及控制策略具有可行性，表明该样机系统具有良好的容性和感性无功控制特性，动态响应5～10 ms，满足工业现场实际要求.
【相关文献】
［1］王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿［M］.2版.北京：机械工业出版社，2006.
［2］张文亮，汤广福，查鲲鹏，等.先进电力电子技术在智能电网中的应用［J］.中国电机工程学报，2010，30（4）：1-7. ZhangWenliang，Tang Guangfu，Zha Kunpeng，et al. Application of advanced power electronics in smart grid［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30（4）：1-7.（in Chinese）
［3］周建丰，顾亚琴，韦寿祺.SVC与STATCOM的综合比较分析［J］.电力自动化设备，2007，27（12）：57-60. Zhou Jianfeng，Gu Yaqin，Wei prehensive comparative analysis of SVC and STATCOM［J］.Electric Power Automation Equipment，2007，27（12）：57-60.（in Chinese）
［4］许湘莲.基于级联多电平逆变器的STATCOM及其控制策略研究［D］.武汉：华中科技大学
电气与电子工程学院，2006.
［5］郑宏，杨祥令，孙玉坤，等.用户端单相SVG的无功电流跟踪算法［J］.江苏大学学报：自
然科学版，2009，30（4）：387-391. Zheng Hong，Yang Xiangling，Sun Yukun，et al. Tracking algorithm of reactive current in single-phase client SVG［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2009，30（4）：387-391.（in Chinese）
［6］ Taher SA，Amooshahi M K.New approach for optimal UPFC placementusing hybrid immune algorithm in electric power systems［J］.International Journal of Electrical Power and Energy Systems，2012，43（1）：899-909.
［7］赵增玉，马刚，朱乃鹏.基于SVG的矿用3.3 kV静止无功动态补偿装置的研究［J］.工矿自动化，2011，37（8）：155-158. Zhao Zengyu，Ma Gang，Zhu Naipeng.Research of
mine-used 3.3 kV static var compensator based on SVG［J］.Industry and Mine Automation，2011，37（8）：155-158.（in Chinese）
［8］吴斌.大功率变频器及交流传动［M］.卫三民，苏位峰，宇文博，译.北京：机械工业出版社，2008.
［9］ Ghennam T，Bouhali O，Maizi D，et al.Theoretical study and experimental validation of a wind energy conversion system control with three-level NPC converters［C］∥Proceedingsof2012 20th International Conference on Electrical Machines.Marseille，
France：IEEE Computer Society，2012：2178-2183.
［10］于月森，姜小艳，符晓，等.三电平变换器SVPWM算法综述［J］.变频器世界，2009，13（9）：35-40. Yu Yuesen，Jiang Xiaoyan，Fu Xiao，et al.An overview of three-level SVPWM algorithms［J］.The World of Inverters，2009，13（9）：35-40.（in Chinese）［11］ Gupta A K，Khambadkone A M.A space vector PWM scheme formultilevel inverters based on two-level spacevector PWM［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1631-1639.
［12］ Halfaoui K，Guermazi A.Direct space vector PWM algorithm formultilevel inverters independent of thatof two levels with neutral point balancing［C］∥Proceedings of
the2013 10th InternationalMulti-Conference on Systems，Signals and
Devices.Hammamet，Tunisia：IEEE Computer Society，2013，doi：10.1109/SSD.2013. 6564082.
［13］ Zhu Rongwu，Wu Xiaojie，Jiang Xiaoyan，etal.An improved neutral-point-potentialbalance control strategy for three-level PWM rectifier［C］∥Proc eedings of the 2nd Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Microelectronicsand Electronics.Shanghai：IEEEComputer Society，2010，doi：10.1109/PRIMEASIA.2010. 5604978.
［14］ Saeedifard Maryam，Nikkhajoei Hassan，Iravani Reza. A space vectormodulated STATCOM based on a threelevel neutral point clamped converter［J］.IEEE Transactions Power Delivery，2007，22（2）：1029-1039.
［15］肖潇，宋平岗，喻冲.NPC型三电平逆变器SVPWM控制研究与仿真［J］.华东交通大学学报，2011，28（1）：68-72. Xiao Xiao，Song Pinggang，Yu Chong.Research and simulation of SVPWM control on NPC three-level inverter［J］.Journal of East China Jiaotong University，2011，28（1）：68-72.（in Chinese）
［16］ Huang Zhichao，Yang Shengzhen，Yan Hongyan，et al. A control method for SVPWM-based STATCOM using active-reactive current decouple under dq coordinate system［C］∥Proceedings of the 2012 International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering.Iasi，Romania：IEEE Computer Society，2012：191-196. ［17］王畅，王聪，刘建东，等.60°坐标系矿用变频器SVPWM算法研究［J］.煤炭科学技术，2012，40（2）：94-97. Wang Chang，Wang Cong，Liu Jiandong，et al.Study on SVPWM algorithm of60°coordinate system mine frequency converter［J］.Coal Science and Technology，2012，40（2）：94-97.（in Chinese）。