三相H桥级联静止同步补偿器的控制策略

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高电压技术 第 ３ ７卷 第８期 ２ ０ １ １年８月３ １日
，Ｖ Ｈ ｉ ｈＶ ｏ ｌ ｔ ａ ｅＥ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｏ ｌ ． ３ ７，Ｎ ｏ ． ８，Ａ ｕ ｕ ｓ ｔ３ １， ２ ０ １ １ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ
三相 Ｈ 桥级联静止同步补偿器的控制策略
江道灼 ， 张振华 （ ） 浙江大学电气工程学院 ， 杭州 ３ １ ０ ０ ２ ７
Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ｅｏ ｆＴ ｈ ｒ ｅ ｅ ｈ ａ ｓ ｅＨ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅＣ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｅ ｄＳ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ ＯＭ ｐ ｇ
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］ ５， １ ３ １ ５ 。Ｓ 的热点方向 ［ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ 的数学模型具有强
非线性特征 ， 存在的一个难点就是有功无功功 耦合 、 率解耦控制 ， 而 Ｈ 桥 级 联 拓 扑 的 引 入， 产生另一个 需要解决的难点是直流侧电容电压平衡控制 。 对于 有 功 无 功 功 率 耦 合 ， 相关文献多采用比例 ） 积分 （ 控制器进行解耦 ， 其参数整定困难 ， 难 以在 Ｐ Ｉ
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０ 引言
随着 现 代 电 力 网 络 的 发 展 ， 无功功率调节成为 其中重要的组成部 分 ， 而基于电压源型逆变器的静 止同步补 偿 器 （ 因具有快速的动态响 Ｓ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ ） 应和灵活的补偿方式等特点而得到了广泛的研究和 工程应用
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荷 分 量， 需研究具有快速响应的大容量 Ｓ ＴＡＴ 。 基于 桥级联 的 多 电 平 变 流 器 不 需 要 变 压 Ｈ Ｃ ＯＭ 易于模 块 化 生 产 和 扩 展 规 模 ， 对相同电平数来 器， 说， 所 需 元 器 件 最 少， 成为大容量 Ｓ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ 研 究
对于 电 容 电 压 平 衡 ， 国内外文献一般分为外加 硬件电路以均压以及与系统进行有功交换以均压两 ］ 种思路 。 文献 ［ 外加均压电路 ， 增加了装置成本 。 ２ ０ ］ 文献 ［ 在 Ｈ 桥电压参考波中叠加相位修正以均 １ ６ 压， 但要求模型详细精确以整定合适的 Ｐ Ｉ参数 。 有 日本学者在文献 ［ 中 采 用 整 体、 相间和独立三级 １ ５］ 控制思路清晰 ， 实验结果也验证了其可行 平衡控制 ， 性， 但是控制器 参 数 过 多 且 整 定 繁 琐 。 本 文 通 过 分 与 合 适 调 制 策 略 相 结 合， 提 析 Ｈ 桥模块工 作 模 态 ， 出并实现了一种简单有效的电容电压平衡策略 。 本文对级联 Ｓ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ 建 立 同 步 旋 转 坐 标 系 下的非线性模型 ， 通过合适的坐标变换和状态反馈 ， 得到线性化解耦模 型 ， 设计了基于滑模控制律的控 实现了直 制器 。 将调制策略 和 电 容 均 压 控 制 结 合 ， 流侧电容电压平衡 。 最后对闭环控制模型进行了数 值仿真研究 。
基金 资 助 项 目 ： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （ ８ ６ ３ 计 划） ） 。 （ ２ ０ ０ ８ ＡＡ ０ ５ Ｚ ２ １ ３ Ｐ ｒ ｏ ｅ ｃ ｔＳ ｕ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄｂ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＨ ｉ ｈ ｔ ｅ ｃ ｈＲ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈａ ｎ ｄＤ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｊ ｐ ｐ ｙＮ ｇ ｐ （ ） ｍ ｅ ｎ ｔＰ ｒ ｏ ｒ ａ ｍｏ ｆＣ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ０ ０ ８ ＡＡ ０ ５ Ｚ ２ １ ３ ． ｇ
摘 要 ： 三相 Ｈ 桥级联静止同步补偿器 （ 可以解决配电网冲击性 、 不对称负载造成的动态电能质量 问 Ｓ ＴＡ Ｔ Ｃ ＯＭ） ， 、 ， 、 存在有功无功解耦难的 题 也具有多电平 易扩展的特点 而静止同步补偿器数学模型是一个强耦合 非 线 性 系 统 ， 问题 ， 通过引入精确反馈线性化方 Ｈ 桥级联的拓扑又使得电容电压平衡控制成为难 点 。 针 对 有 功 无 功 耦 合 问 题 ， 系统降阶为两个独立的一阶线性系统 ， 并引入指数趋近律设计 完 成 滑 模 控 制 器 ， 克服了传统比例 法实现完全解耦 ， ） 积分 （ 控制器参数整定困难 、 鲁棒性不佳的问题 。 针对电容电压平衡问题 ， 通过分析单个 Ｈ 桥模块的工作模 态 ， Ｐ Ｉ ／ 结合最近电平逼近调制策略 ， 实现了电容均压 。 在 Ｍ 数值 仿 真 结 果 表 明 有 功 和 无 ａ ｔ ｌ ａ ｂ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 中搭建系统模型 ， 可独立调节 ， 电容电压能稳定在设定值 ， 系统动态响应 性 能 优 于 Ｐ 控 并且对内部参数变动具 功功率完全解耦 ， Ｉ 制， 有一定的鲁棒性 。 关键词 ： 级联 Ｈ 桥 ； 静止同步补偿器 ； 精确反馈线性化 ； 滑模控制 ； 电压平衡控制 ； 最近电平逼近调制 （ ） 中图分类号 ： 文献标志码 ： 文章编号 ： ＴＭ ７ １ ４． ３ Ａ １ ０ ０ ３ ６ ５ ２ ０ ２ ０ １ １ ０ ８ ２ ０ ２ ４ ０ ８
江道灼 ， 张振华 ．三相 Ｈ 桥级联静止同步补偿器的控制策略
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性化是在合适变换 区 域 内 全 状 态 精 确 线 性 化 ， 状态
］ １ ７ １ ９ 。 信息未有丝毫丢失 ［
１ 三相 Ｈ 桥级联 Ｓ Ｔ Ａ Ｔ Ｃ ＯＭ 数学模型
三相 Ｈ 桥级联 Ｓ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ 如 图 １ 所 示 。 图 １ 中， ｕ ｕ ｕ Ｌ 为 连 接 电 感； Ｒ 为等效 ｓ ａ， ｓ ｂ， ｓ ｃ为三相电源 ； …， 电阻 ； ｉ ｉ ｉ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ 补偿电流 ； Ｃ Ｃ ａ， ｂ， ｃ 为Ｓ ａ １， ａ ２， …， …， Ｃ Ｃｂ Ｃｂ ＣｂＮ ， Ｃ Ｃ Ｃ ａ Ｎ， １， ２， ｃ １， ｃ ２， ｃ Ｎ 为直流侧的电 …， …， …， 容； Ｕａ Ｕａ Ｕａ Ｕｂ Ｕｂ ＵｂＮ ， Ｕｃ Ｕｃ １， ２， Ｎ， １， ２， １， ２，
进行有益尝试 ， 但在 动 态 性 能 和 鲁 棒 性 方 面 也 不 尽
６ ７］ 。 本文利 用 精 确 反 馈 线 性 化 理 论 将 三 相 如人意 ［
不同于局 Ｈ 桥级联 Ｓ ＴＡＴ Ｃ ＯＭ 进 行 线 性 化 解 耦 ， 部近似线性化会损 失 一 次 项 以 外 所 有 信 息 ， 反馈线
： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｓ ｉ ｎ ｃ ｅｍ ａ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ Ｓ ＴＡ Ｔ Ｃ ＯＭｉ ｓ ｃ ｏ ｕ ｌ ｉ ｎ ｎ ｄｎ ｏ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｉ ｔ ｉ ｓｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｔ ｏｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ａ ｎ ｄｒ ｅ ａ ｃ ｐ ｇａ ｐ ｔ ｉ ｖ ｅｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ． Ａ ｎ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｏ ｉ ｎ ｔ ｉ ｓｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｄ ｃ ｓ ｉ ｄ ｅ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ｓ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｄｂ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅ ｃ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｅ ｄｔ ｏ ｐ ｇ ｇｃ ｐ ｙＨ ｇ ， ｔ ｈ ｅｅ ｘ ａ ｃ ｔｆ ｅ ｅ ｄ ｂ ａ ｃ ｋｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌｌ ａ ｗｉ ｓｄ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｄｔ ｏａ ｃ ｃ ｏ ｍ ｌ ｉ ｓ ｈｔ ｈ ｅｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｏ ｌ ｏ ． Ｃ ｏ ｎ ｓ ｅ ｕ ｅ ｎ ｔ ｌ ｐ ｐ ｇ ｙ ｑ ｙ ， Ｓ ＴＡ Ｔ Ｃ ＯＭ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄｔ ｏｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅｄ ｅ ｃ ｏ ｕ ｌ ｅ ｄｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅａ ｎ ｄｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｃ ａ ｎｂ ｅｃ ｈ ａ ｎ ｅ ｄｉ ｎ ｔ ｏ ｐ ｇ ，ｗ ｔ ｗ ｏ ｉ ｎ ｄ ｅ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒｓ ｓ ｔ ｅ ｍ． Ｓ ｌ ｉ ｄ ｉ ｎ ｏ ｄ ｅｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｉ ｓｕ ｓ ｅ ｄｔ ｏｄ ｅ ｓ ｉ ｎｔ ｈ ｅｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｈ ｉ ｃ ｈｃ ａ ｎ ｐ ｙ ｇｍ ｇ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｉ ｅ ｓ ｉ ｎａ ｄ ｕ ｓ ｔ ｉ ｎ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓｏ ｆ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＰ Ｉ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｏ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｂ ｕ ｓ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｊ ｇｐ ｐ ｌ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅｏ ｆ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｎ ｌ ｅＨｂ ｒ ｉ ｄ ｅｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ａ ｎ ｄｎ ｅ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｇ ｐ ｙ ｇ ｇ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ．Ｔ ｈ ｅｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓｏ ｆｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｓ ｈ ｏ ｗ ｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＡＳ ＴＡ Ｔ Ｃ ＯＭ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄｉ ｎｔ ｈ ｅＭ ａ ｔ ｌ ａ ｂ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ａ ｒ ｅｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ． Ｔ ｈ ｅａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅａ ｎ ｄｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｃ ａ ｎｂ ｅａ ｄ ｕ ｓ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｇ ｊ ， ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍｈ ａ ｓｇ ｏ ｏ ｄｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｉ ｓｂ ｅ ｔ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ ｌ ． Ｔ ｈ ｅｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅ ｓｏ ｆ ｃ ａ ａ ｃ ｉ ｔ ｏ ｒ ｓ ｃ ａ ｎｂ ｅｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｄｗ ｅ ｌ ｌａ ｙ ｙ ｐ ｐ ｙ ｇ ｐ ， ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ａ ｎｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌＰ Ｉ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ａ ｎ ｄａ ｌ ｓ ｏｈ ａ ｓｒ ｏ ｂ ｕ ｓ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ． ： ； ； ； ；ｖ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ｈ ｂ ｒ ｉ ｄ ｅｃ ａ ｓ ｃ ａ ｄ ｅ ｄ Ｓ ＴＡ Ｔ Ｃ ＯＭ ｅ ｘ ａ ｃ ｔｆ ｅ ｅ ｄ ｂ ａ ｃ ｋｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｌ ｉ ｄ ｉ ｎ ｏ ｄ ｅｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｌ ｔ ａ ｅｂ ａ ｌ ａ ｎ ｃ ｅ ｇ ｇｍ ｇ ｙ ； ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｎ ｅ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ