SVG無功補(bǔ)償裝置雙閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)與仿真摘要:電力系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求持續(xù)提升，促使多種電能質(zhì)量調(diào)控裝置出現(xiàn)，靜止無功發(fā)生器（SVG）具有補(bǔ)償效果好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和輸出特性佳的特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域被廣泛性采用。本文先從電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)背景入手，闡述研究目的與理論意義，全面整理國內(nèi)外主要的SVG無功補(bǔ)償技術(shù)路徑及應(yīng)用情況，加以分類總結(jié)并對(duì)比分析，之后詳細(xì)剖析級(jí)聯(lián)H橋型SVG的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，創(chuàng)建其在abc坐標(biāo)系以及dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型框架，經(jīng)過仔細(xì)對(duì)比雙極性和單極倍頻載波移相SPWM調(diào)制策略，依照這兩種方案的技術(shù)特征，決定選擇單極倍頻CPS-SPWM調(diào)制作為級(jí)聯(lián)型SVG的關(guān)鍵控制手段，從而達(dá)成更高效率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。對(duì)于三相星型靜止同步補(bǔ)償器（SVG）的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出依靠雙閉環(huán)控制框架的解決方案，而且更新性地提出一種用于檢測(cè)負(fù)載無功分量的改良型雙閉環(huán)調(diào)控方法，通過形成涵蓋整體均壓，相間均壓及相內(nèi)均壓的三層級(jí)聯(lián)控制體系，達(dá)成對(duì)子模塊電容電壓高效且穩(wěn)定的控制，依托MATLAB/SIMULINK平臺(tái)創(chuàng)建系統(tǒng)級(jí)仿真模型，展開仿真實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證星形級(jí)聯(lián)式SVG在電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償中的性能，及其所設(shè)計(jì)控制策略對(duì)直流側(cè)電壓協(xié)調(diào)的實(shí)際調(diào)控效果，結(jié)果顯示，該文提出的控制方案突出改善了SVG在無功補(bǔ)償和直流側(cè)電壓協(xié)調(diào)方面的綜合性能表現(xiàn)。關(guān)鍵詞：靜止無功發(fā)生器，級(jí)聯(lián)H橋，雙閉環(huán)控制策略，電壓平衡DesignandSimulationofDualClosed-LoopControlStrategyforSVGReactivePowerCompensationDeviceAbstract:Thecontinuousimprovementofpowerqualityrequirementsinthepowersystemhasledtotheemergenceofvariouspowerqualitycontroldevices.StaticVarGenerator(SVG)standsoutforitsexcellentcompensationeffect,fastdynamicresponse,andsuperioroutputcharacteristics,makingitwidelyadoptedinengineeringfields.Thispaperbeginswithanoverviewofthetechnicalbackgroundofreactivepowercompensationinpowersystems,elucidatestheresearchobjectivesandtheoreticalsignificance,andcomprehensivelyreviewsthemainSVGreactivepowercompensationtechnologypathsandapplicationscenariosbothdomesticallyandinternationally.Itthencategorizesandsummarizesthesetechnologies,followedbyadetailedanalysisofthebasictopologyandworkingmechanismofcascadedH-bridgeSVG.Amathematicalmodelframeworkisestablishedforbothabcanddqcoordinatesystems.Aftercarefullycomparingbipolarandsingle-polefrequency-doubledcarrierphase-shiftSPWMmodulationstrategies,itisdeterminedthatthesingle-polefrequency-doubledCPS-SPWMmodulationwillbethekeycontrolmethodforcascadedSVG,therebyachievinghigherefficiencyindynamicregulationcapabilities.Forthemaincircuittopologyofthree-phasestar-typeStaticVarGenerator(SVG),asolutionrelyingonadual-loopcontrolframeworkhasbeendesigned.Moreover,animproveddual-loopregulationmethodfordetectingthereactivepowercomponentoftheloadisproposedinanupdatedmanner.Byformingathree-levelcascadedcontrolsystemthatcoversoverallvoltagebalancing,phase-to-phasevoltagebalancing,andintra-phasevoltagebalancing,efficientandstablecontrolofsub-modulecapacitorvoltageisachieved.Asystem-levelsimulationmodelbasedontheMATLAB/SIMULINKplatformiscreatedtoconductsimulationexperimentstoverifytheperformanceofthestar-cascadedSVGinreactivepowercompensationanditsactualcoordinationeffectonDC-sidevoltageunderthedesignedcontrolstrategy.TheresultsshowthatthecontrolschemeproposedinthispapersignificantlyimprovesthecomprehensiveperformanceofSVGinreactivepowercompensationandDC-sidevoltagecoordination.Keywords:staticreactivepowergenerator,cascadedH-bridge,dualclosed-loopcontrolstrategy,voltagebalancing.VII第一章緒論1.1課題的研究背景、目的及意義當(dāng)下社會(huì)對(duì)于電力的需求量持續(xù)增多，電能質(zhì)量相關(guān)問題漸漸成為研究重點(diǎn)所在，若想改善電能質(zhì)量以完成改良管理，可以通過開發(fā)新型可持續(xù)能源或者改進(jìn)既有電力產(chǎn)品的性能來做到這點(diǎn)。如今，風(fēng)能，太陽能以及核能之類的可持續(xù)能源由于具備環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)而廣受矚目，但是受限于對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力要求較高以及存在資源損耗等狀況，它們想要全面鋪開仍然遭遇不少阻礙[1-2]。與之相比，高效電能質(zhì)量產(chǎn)品借助改進(jìn)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，既削減了資源的消耗量又突出改善了供電的質(zhì)量，而且很好地解決了諸如設(shè)備容量過多，負(fù)載結(jié)構(gòu)繁雜，電壓波動(dòng)頻繁之類的技術(shù)難點(diǎn)[3-4]。這一途徑符合時(shí)代發(fā)展需求，給現(xiàn)代電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)提升賦予了重要保證[5-6]?？萍汲掷m(xù)發(fā)展促使電力電子技術(shù)快速發(fā)展，相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用范圍慢慢變廣。這種情況使得無功功率需求增大，進(jìn)而引發(fā)電網(wǎng)電壓大幅波動(dòng)，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，在包含電力電子裝置和新能源接入的現(xiàn)代電網(wǎng)當(dāng)中，諧波污染，電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量問題越發(fā)突出，在這種情況下，無功補(bǔ)償技術(shù)得以發(fā)展起來，表現(xiàn)出重要的實(shí)用價(jià)值[7-8]，如：（1）提升電能質(zhì)量與負(fù)載電壓穩(wěn)定性以保障電網(wǎng)運(yùn)行（2）三相不平衡調(diào)節(jié)與負(fù)載潮流平衡策略（3）提高電網(wǎng)功率因數(shù)降低線路能耗并保障經(jīng)濟(jì)性（4）促進(jìn)節(jié)能減排；（5）延長設(shè)備使用壽命。無功功率偏高會(huì)致使電能質(zhì)量下滑，電壓波動(dòng)更為強(qiáng)烈，一旦系統(tǒng)有無功大量剩余的狀況，很可能造成電網(wǎng)電壓急劇下降[9]。影響運(yùn)行穩(wěn)定；無功短缺則會(huì)立即影響到整體電能質(zhì)量，在有功功率輸送期間，無功功率的恰當(dāng)調(diào)節(jié)十分關(guān)鍵，因?yàn)橐揽亢线m的無功流動(dòng)來保住系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，不過這個(gè)過程必然會(huì)產(chǎn)生一些有功損耗[10]。靜止無功發(fā)生器（SVG）具有快速響應(yīng)能力和良好的補(bǔ)償性能，已經(jīng)成為提升電能質(zhì)量，改良無功分配的關(guān)鍵技術(shù)方法，在實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。SVG技術(shù)研發(fā)階段，國內(nèi)外碰上不少技術(shù)難點(diǎn)，開關(guān)器件存在能量損失，脈沖信號(hào)傳送有時(shí)延，元件之間會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，而且子模塊元器件參數(shù)不完全相同等情況。這些因素致使電容電壓波動(dòng)超出預(yù)先設(shè)定的范圍，進(jìn)而造成直流側(cè)出現(xiàn)電壓不均衡的情形，這既影響到無功補(bǔ)償裝置對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)償效果[12]，又有可能致使硬件發(fā)生故障[12-13]，給系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來極大風(fēng)險(xiǎn)，在此種情形之下，相關(guān)學(xué)者漸漸重視起針對(duì)SVG直流側(cè)電壓控制策略的深入探究及改良工作。1.2無功補(bǔ)償裝置分類20世紀(jì)80年代，世界上出現(xiàn)了首套無功補(bǔ)償裝置，此后，各國學(xué)者對(duì)此開展了幾十年的深入探究，這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域于是取得了很大的發(fā)展和提升。（1）無功補(bǔ)償電容器（FC）因操作簡單，維護(hù)方便等突出優(yōu)點(diǎn)受到人們重視，其關(guān)鍵不足在于難以對(duì)無功功率執(zhí)行靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，如果電容器容量設(shè)置過大，就可能造成電力輸送時(shí)電能損耗明顯增多。（2）同步調(diào)相機(jī)（SC）屬于第二代無功補(bǔ)償裝置，其克服了第一代設(shè)備在動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償時(shí)的技術(shù)不足，不過，該裝置本身存在突出的局限之處，即運(yùn)行時(shí)能耗過多，而且響應(yīng)速度偏慢。（3）靜止無功補(bǔ)償器（SVC）被提出來克服傳統(tǒng)設(shè)備動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的問題，許多學(xué)者對(duì)此展開系統(tǒng)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，第三代高效無功補(bǔ)償裝置即SVC得以產(chǎn)生，它因具有快速響應(yīng)的良好特性，而在低壓配電網(wǎng)中得到全面采用，飽和電抗器（SR）屬于SVC的一種主要類型，受到學(xué)術(shù)界和工程領(lǐng)域的特別關(guān)注，伴隨世界范圍內(nèi)相關(guān)研究持續(xù)深入，各種新的無功補(bǔ)償技術(shù)開始出現(xiàn)并慢慢變得成熟起來。（4）靜止無功發(fā)生器（SVG）作為一種先進(jìn)的無功補(bǔ)償裝置，可以利用逆變電路靈活調(diào)節(jié)容性和感性無功功率，以此精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無功功率隨時(shí)補(bǔ)償?shù)哪康?，它的主要特點(diǎn)包含諧波含量低，控制能力強(qiáng)，而且在容量相同的情況下，具有更為精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等明顯優(yōu)點(diǎn)[16-17]。1.3SVG無功補(bǔ)償裝置研究現(xiàn)狀SVG一般依靠IGBT之類的全控型電力電子開關(guān)器件來形成，它的功能能夠拓展到調(diào)控交流側(cè)輸出電壓的幅值與相位，還能直接對(duì)交流側(cè)輸出電流實(shí)施精準(zhǔn)控制，通過這種途徑，該裝置可以吸收或者注入符合要求的無功電流，做到無功功率的動(dòng)態(tài)交換，進(jìn)而完成動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償想要達(dá)到的目的[18]。無功補(bǔ)償裝置相較于SVC的優(yōu)勢(shì)分析：（1）從運(yùn)行特性這個(gè)維度加以分析，SVC屬于變阻抗型補(bǔ)償裝置，它的各種形式都要依靠調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角來做到無功功率輸出的改變。該設(shè)備以并聯(lián)形式接入電網(wǎng)，其補(bǔ)償能力與系統(tǒng)電壓呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，一旦電網(wǎng)電壓下降，補(bǔ)償容量就會(huì)隨之縮減，而SVG采用變流器架構(gòu)，本質(zhì)上是可調(diào)逆變電壓源，通過精準(zhǔn)控制變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，可以維持最大無功電流輸出的穩(wěn)定，這樣便超越了SVC對(duì)電壓存在依賴這一天然不足，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出更好的運(yùn)行適應(yīng)能力和穩(wěn)定性。（2）在諧波抑制研究方面，過半的SVC裝置采用非全控型晶閘管開關(guān)元件，這種元件本身就是明顯的諧波源，運(yùn)行過程中極易產(chǎn)生高次諧波分量，要解決這個(gè)問題，往往需依靠無源濾波器一起治理，SVC屬于阻抗補(bǔ)償型設(shè)備，它并入電網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候，可能會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)阻抗特性發(fā)生動(dòng)態(tài)變化而引發(fā)諧振現(xiàn)象，所以在投入運(yùn)行之前，一定要做細(xì)致的阻抗適配分析和計(jì)算，SVG是電源型逆變?cè)O(shè)備，它接入電網(wǎng)時(shí)并不會(huì)改變系統(tǒng)原本的阻抗特性，只要調(diào)節(jié)逆變側(cè)輸出電壓的幅值和相位就能達(dá)成諧波抑制目的，而且，利用并聯(lián)多重化，多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，可以有效地縮減多次諧波干擾，把總諧波畸變率維持在合適的范圍之內(nèi)，不需要另外設(shè)置單獨(dú)的濾波單元。（3）在補(bǔ)償功能方面，SVG不但可以彌補(bǔ)無功功率的不足，而且能夠有效地解決電力系統(tǒng)中由負(fù)載不均衡引發(fā)的負(fù)序電流問題，當(dāng)三相對(duì)稱系統(tǒng)遭遇不對(duì)稱負(fù)荷干擾時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流，此電流和無功功率，都會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定造成明顯的不良影響，憑借先進(jìn)的控制算法，SVG能夠?qū)@種情況執(zhí)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，這樣全面的補(bǔ)償特性是傳統(tǒng)SVC裝置所沒有的。（4）從響應(yīng)特性來看，傳統(tǒng)SVC設(shè)備大多依靠半控型晶閘管等功率元件形成，它的控制系統(tǒng)指令信號(hào)延誤常常超出10毫秒，再加上裝置自己的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)程，總的響應(yīng)時(shí)間一般會(huì)達(dá)到50到60毫秒。而SVG設(shè)備以全控型IGBT器件為憑借，有著良好的信號(hào)傳遞能力，開環(huán)響應(yīng)速度主要受限于內(nèi)部時(shí)間常數(shù)，往往只是SVC的一半上下，無功補(bǔ)償裝置的響應(yīng)速度同壓制電壓波動(dòng)的能力存在明顯的反向聯(lián)系，所以，SVG在抑制電流波動(dòng)以及電壓閃變方面比SVC表現(xiàn)得更好一些。（5）SVC屬于傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置，依靠電容器與電抗器，它的總補(bǔ)償容量受到內(nèi)部電容器和電抗器設(shè)置規(guī)模的嚴(yán)格限制，所以常常要占據(jù)較大的物理空間。而SVG想要達(dá)成同樣的補(bǔ)償效果，只需設(shè)置少量的電容器或者電抗器就可以做到，工程應(yīng)用的數(shù)據(jù)顯示，在容量相同的情況下，SVG的占地面積比SVC大約削減了三分之二，于是在空間利用效率上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。（6）從成本要素展開分析：SVG采用諸多大容量全控型功率半導(dǎo)體器件，其單體價(jià)格高于傳統(tǒng)SVC所采用的普通晶閘管元件，但是，伴隨SVG技術(shù)得到全面應(yīng)用，而且高功率開關(guān)器件制造工藝以及控制算法始終在改良，它的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)大幅優(yōu)化。反觀SVC，因其設(shè)計(jì)依賴大量無源元件，所以在削減成本上存在較大的局限性。此外，對(duì)于無功補(bǔ)償裝置而言，傳統(tǒng)三相兩電平或三電平變換器由于電力電子半導(dǎo)體器件的耐壓應(yīng)力限制，采用該類拓?fù)涞腟VG裝置往往需要經(jīng)工頻變壓器升壓后并網(wǎng)，大大增加了系統(tǒng)的成本和體積。在這種情況下，基于模塊化結(jié)構(gòu)的多電平變換器是目前最有前途的替代方案ADDINNE.Ref.{D9867092-792B-432C-9A97-387456E58D77}[19]。多電平技術(shù)是將多個(gè)相同的變換器模塊按一定的規(guī)律組合起來，從而具有易于擴(kuò)展性，多電平交流側(cè)電壓使其接近于正弦輸出，降低了輸出濾波器的要求，提高電能質(zhì)量；允許使用低壓電力電子器件。多電平變換器技術(shù)有效推動(dòng)了大容量靜止無功補(bǔ)償裝備的發(fā)展。多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有四類典型形式，一是二極管鉗位型多電平變換器（DCMC），二是飛跨電容型多電平變換器（FCMC），三是模塊化多電平換流器（MMC），四是級(jí)聯(lián)H橋型（CHB）多電平變換器，下面會(huì)針對(duì)這幾種拓?fù)湫问秸归_深入的剖析與交流。1.3.1二極管鉗位型多電平變換器二極管鉗位型多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有四個(gè)功率開關(guān)器件，即S1，S2，S3和S4，而且存在兩個(gè)鉗位二極管D1與D2，直流母線電壓依靠兩個(gè)直流支撐電容器C1和C2劃分成三個(gè)不同的電勢(shì)層級(jí)。實(shí)際運(yùn)行過程中，上下直流側(cè)電容電壓的中點(diǎn)電位較易產(chǎn)生波動(dòng)，該波動(dòng)會(huì)造成輸出電壓波形畸變，若偏移幅度進(jìn)一步增大，則可能引發(fā)橋臂上下開關(guān)管所受應(yīng)力改變，進(jìn)而致使高壓側(cè)開關(guān)器件受損，通常需采用外部控制策略來抑制中點(diǎn)電位的波動(dòng)，特別是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障且處于不對(duì)稱狀態(tài)時(shí)，此問題將會(huì)更為突出。此外，若要增加輸出電平數(shù)，則需對(duì)橋臂進(jìn)行擴(kuò)展，增加二極管、直流側(cè)電容以及開關(guān)器件。不僅如此，如果二極管和電容數(shù)量過多，直流側(cè)電容電壓波動(dòng)和不平衡情況更加明顯，越接近輸出端，開關(guān)器件所承受的電壓越大ADDINNE.Ref.{BD5511F5-AED7-4776-8900-EA7EA8E3516C}[20]，增加了中點(diǎn)電位偏移的抑制復(fù)雜度。1.3.2飛跨電容型多電平變換器飛跨電容型多電平變換器與二極管鉗位型在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理上存在一定的相似之處，二者輸出電壓電平狀態(tài)相同，主要區(qū)別則在于飛跨電容型以電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉗位二極管來達(dá)成相應(yīng)功能[21]。這種改良既加強(qiáng)了控制策略的靈活程度，又簡化了母線電容的穩(wěn)壓流程，不過，與二極管鉗位型，隨著電平數(shù)量增多，就須要增添飛跨電容以適應(yīng)電路需求，而且還要用更為繁雜的控制算法去應(yīng)對(duì)橋臂間電容器件的均壓難題，如此便在某種程度上加大了系統(tǒng)的控制困難并增多了開關(guān)損耗[22]。要想設(shè)備正常運(yùn)行，就得事先給飛跨電容充好電，這一前提進(jìn)一步制約了此類變換器的實(shí)際應(yīng)用范圍。鉗位式多電平變換器存在一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，即隨著輸出電平數(shù)增多，所需鉗位元件的數(shù)量會(huì)大幅增長，在高電平應(yīng)用場(chǎng)景下，系統(tǒng)架構(gòu)愈發(fā)繁雜，控制方案的執(zhí)行遭遇諸多困難，這種情況直接影響到它在更高電平范圍的應(yīng)用可能性，DCMC（雙極性鉗位型）和FCMC（飛跨鉗位型）這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，往往很難超越五電平的技術(shù)瓶頸。功率開關(guān)器件由于負(fù)載電流分配不均，造成直流側(cè)串聯(lián)電容的充放電時(shí)間出現(xiàn)差異，進(jìn)而極大地抬高了直流電壓協(xié)調(diào)控制的技術(shù)要求[23]。從模塊化設(shè)計(jì)角度而言，這類變換器缺乏足夠的擴(kuò)展靈活性，給其大規(guī)模工業(yè)化制造造成了較為突出的負(fù)面效應(yīng)。1.3.3模塊化多電平換流器與二極管鉗位型，飛跨電容型多電平變換器相比，級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，它在可擴(kuò)展性，控制特性以及應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在突出優(yōu)勢(shì)，模塊化多電平換流器（ModularMultilevelConverter,MMC）便是這種技術(shù)的典型代表，自從被提出來以后，學(xué)術(shù)界和工程領(lǐng)域就普遍關(guān)注此項(xiàng)技術(shù)。MMC每相橋臂分上下兩部分，各個(gè)部分包含大量結(jié)構(gòu)相同的子模塊，這些子模塊相互串聯(lián)，而且每個(gè)子模塊按照單相兩電平變換器也就是半橋電路來設(shè)計(jì)，僅僅可以達(dá)成+Vdc或者0這兩種電壓輸出狀態(tài)，其基本合成單元涉及兩個(gè)功率開關(guān)器件和一個(gè)直流側(cè)支撐電容器。這種結(jié)構(gòu)按照模塊化設(shè)計(jì)，其接入和隔離較為便捷，電平數(shù)量可靈活擴(kuò)展，在含有n個(gè)模塊的橋臂上，能夠供應(yīng)n+1種不同的電平輸出選擇，而且具備良好的多余容錯(cuò)能力[24]。而公共直流母線的存在，使得MMC在柔性直流輸電領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。1.3.4級(jí)聯(lián)H橋多電平變換器級(jí)聯(lián)H橋多電平變換器是由全橋單元串聯(lián)而成，有學(xué)者也將其劃分為一種特殊的MMC型多電平變換器。不同的是，該變換器結(jié)構(gòu)不存在公共直流母線，不含鉗位二極管和懸浮電容，每個(gè)橋式單元都存在獨(dú)立的直流源，能輸出+Vdc，0，-Vdc三種電平，可以搭配超級(jí)電容模組、超級(jí)電容、光伏系統(tǒng)等，并且每個(gè)模塊都可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。不僅如此，當(dāng)一相串有n個(gè)模塊單元時(shí)，輸出電壓能達(dá)到2n+1個(gè)電平數(shù)量，在相同電平數(shù)下，級(jí)聯(lián)H橋多電平采用的功率開關(guān)器件最少，降低了設(shè)備的體積和成本，同時(shí)該結(jié)構(gòu)又具有模塊化的特點(diǎn)，適用于大容量、高電壓的場(chǎng)合[25-27]。級(jí)聯(lián)H橋多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包含星型與三角形這兩種典型的銜接方式，在電壓等級(jí)相同的情況下，星型結(jié)構(gòu)存在明顯的優(yōu)勢(shì)，其單相橋臂只需承受相電壓，所以功率單元數(shù)量需求較少，對(duì)器件性能的要求也更低。而三角形結(jié)構(gòu)則不同，它的單相橋臂要承載線電壓，運(yùn)行過程中極易出現(xiàn)內(nèi)部環(huán)流現(xiàn)象，從而極大地提升了設(shè)計(jì)與控制的復(fù)雜程度，往往得要采取額外的手段來加以抑制，遵照前面的分析，并綜合考慮到系統(tǒng)簡化的需求以及工程應(yīng)用中的實(shí)際可行性，本文最后選定星型級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)當(dāng)作靜止同步補(bǔ)償器（SVG）的研究對(duì)象。1.4SVG直流側(cè)電壓平衡控制策略現(xiàn)狀靜止無功發(fā)生器（SVG）具有出色的控制特性，明顯的補(bǔ)償效果以及較低的諧波含量，在無功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位[28]，在級(jí)聯(lián)型SVG的研究過程中，直流側(cè)電壓不均衡這一問題始終是迫切必要解決的主要難題之一，近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者就這個(gè)問題給出了許多改良措施，文獻(xiàn)[29-30]利用在SVG外部設(shè)置均壓電路來達(dá)成交直流功率的變換，并保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，不過這種方法會(huì)增大設(shè)備的體積，提升經(jīng)濟(jì)成本，在某種程度上制約了其大規(guī)模的應(yīng)用，文獻(xiàn)[31]對(duì)于靜止無功發(fā)生器（SVG）出現(xiàn)的三相電壓不均衡情況，提出采用注入零序電壓的辦法加以應(yīng)對(duì)。待定系數(shù)法雖能簡便確定零序電壓注入量，但未顧及直流母線與相內(nèi)電壓的均衡問題，文獻(xiàn)[32]借特定控制方法達(dá)成中高壓領(lǐng)域的電壓協(xié)調(diào)調(diào)度，但其控制方案過于復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用可行性低，難以在SVG設(shè)備中推廣。文獻(xiàn)[33]試圖用模糊域比例積分（PI）控制策略替代傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)方式來保持SVG直流側(cè)電壓穩(wěn)定，不過該方案動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能短缺，系統(tǒng)響應(yīng)速度尚需改良，SVG直流側(cè)電壓均衡控制策略漸漸表現(xiàn)出分層化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，當(dāng)前有些研究只關(guān)注母線電壓或者相間電壓協(xié)調(diào)的調(diào)度機(jī)制，沒有充分考慮到高壓SVG情形下子模塊內(nèi)部電壓均衡的額外需求；而且，即便一些文獻(xiàn)給出了分層控制框架，但對(duì)于各層級(jí)之間控制耦合關(guān)系的剖析仍然不夠。現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)SVG補(bǔ)償性能的即時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了更高要求，在此情形下，怎樣提升SVG裝置直流側(cè)電容電壓均衡控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及調(diào)節(jié)精度，成了當(dāng)下迫切須要解決的核心問題之一。1.5本文主要研究內(nèi)容級(jí)聯(lián)H橋SVG無功補(bǔ)償雙閉環(huán)PI控制策略研究與設(shè)計(jì)第一章要重點(diǎn)論述無功補(bǔ)償技術(shù)的研究背景，關(guān)鍵目標(biāo)及其學(xué)術(shù)價(jià)值，在該部分，將會(huì)系統(tǒng)回顧靜止同步補(bǔ)償器（SVG）裝置在國內(nèi)外的發(fā)展歷程，深入剖析其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及直流側(cè)電壓均衡控制策略的研究狀況，而且還要對(duì)傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備和現(xiàn)代SVG裝置執(zhí)行對(duì)比分析。第二章圍繞級(jí)聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵運(yùn)行原理創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型框架，通過對(duì)載波移相與載波層疊調(diào)制方法的性能特征及本身不足展開比較分析，最后選定載波移相CPS-SPWM技術(shù)當(dāng)作研究重點(diǎn)，此項(xiàng)技術(shù)憑借其良好的諧波抑制能力而被選中。第三章提到一種新穎的控制策略，這個(gè)策略把雙閉環(huán)控制和分層控制概念結(jié)合，目的在于改善系統(tǒng)性能并解決當(dāng)前存在的問題，該策略分為三層：第一層是電壓外環(huán)控制模塊，它主要靠基波正序有功電流產(chǎn)生機(jī)制來穩(wěn)定三相串聯(lián)H橋各個(gè)模塊的直流側(cè)電壓，再加上前饋解耦算法去加強(qiáng)電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；第二層關(guān)注相間電壓的均衡調(diào)節(jié)，通過重新分配三相功率去除相間差別，保障系統(tǒng)整體運(yùn)行和諧統(tǒng)一；第三層重點(diǎn)放在子模塊間電壓的協(xié)調(diào)上，用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器準(zhǔn)確調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)H橋子模塊的目標(biāo)參考電壓數(shù)值，使得每個(gè)子模塊所吸收的有功功率和其自身損耗達(dá)成動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，進(jìn)而確保全部H橋單元的直流母線電壓都能精確地符合預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。第四章形成起完整的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用仿真分析方法評(píng)定星接級(jí)聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）在改善公共結(jié)合點(diǎn)電壓方面的表現(xiàn)，還有其對(duì)電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償?shù)膶?shí)際效果，并且驗(yàn)證所提出的控制策略在維持級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓穩(wěn)定均衡方面的可靠性，仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的控制方案能夠大幅改善SVG無功補(bǔ)償裝置的綜合性能。

第二章級(jí)聯(lián)SVG工作原理分析該部分重點(diǎn)解讀級(jí)聯(lián)型靜止無功產(chǎn)生器（SVG）的運(yùn)行機(jī)制和主要原理，重點(diǎn)圍繞主電路結(jié)構(gòu)以及單個(gè)H橋單元的工作特性展開深入探究，并創(chuàng)建相應(yīng)的等效數(shù)學(xué)模型，在控制策略方面，系統(tǒng)地比較分析級(jí)聯(lián)H橋SVG的調(diào)制方法，經(jīng)過綜合考量之后，最終選擇具備良好諧波抑制性能的CPS-SPWM作為理想的調(diào)制方案。2.1無功補(bǔ)償原理靜止同步補(bǔ)償器（SVG）具有產(chǎn)生及吸收無功功率之能力，其可消耗容性無功功率，并供應(yīng)感性無功支持，此特性使得SVG能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)里的無功功率予以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而有效地滿足電網(wǎng)無功補(bǔ)償之需求。圖2-1顯示的是在理想狀態(tài)下僅僅考慮等效電感作用的時(shí)候，靜止同步補(bǔ)償器（SVG）的運(yùn)行向量聯(lián)系，時(shí)，SVG輸出電流滯后于網(wǎng)側(cè)電壓，其方向由STATCOM流向電網(wǎng)。此時(shí)，SVG裝置相當(dāng)于一個(gè)電感，從電網(wǎng)吸收無功功率，。而時(shí)，SVG工作在容性工況條件下，此時(shí)STATCOM裝置相當(dāng)于一個(gè)電容，SVG輸出電流超前于網(wǎng)側(cè)電壓，向電網(wǎng)發(fā)出無功功率，。(a)感性工況 (b)容性工況圖2-1理想情況下SVG運(yùn)行向量圖精確檢測(cè)無功電流和諧波信號(hào)，是無功補(bǔ)償裝置可靠運(yùn)行的必要前提，也是推動(dòng)其技術(shù)升級(jí)的核心要素之一，若不能快速準(zhǔn)確獲取無功電流和諧波數(shù)據(jù)，無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際效果就會(huì)大打折扣。信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性，隨時(shí)響應(yīng)能力以及環(huán)境適應(yīng)性，會(huì)直接影響補(bǔ)償設(shè)備的性能指標(biāo)，動(dòng)態(tài)追蹤能力及其應(yīng)用范圍的拓展?jié)摿?，?dāng)下，無功電流的主流檢測(cè)方法主要包含以下幾類：：1.當(dāng)下，濾波器檢測(cè)技術(shù)主要涵蓋模擬和數(shù)字兩類方式，模擬濾波借助帶通濾波器或者陷波器達(dá)成電流信號(hào)的獲取，其優(yōu)點(diǎn)在于操作方便，成本低，不過對(duì)于外部環(huán)境（諸如電網(wǎng)波動(dòng)之類的情況）比較敏感，非?？赡艹霈F(xiàn)較大的測(cè)量誤差，而且能耗也更高一些。數(shù)字濾波是對(duì)離散化的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行運(yùn)算處理，首先要把原始的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式才行，這種濾波方式有著很強(qiáng)的抗干擾能力；這個(gè)辦法依靠專門的數(shù)字信號(hào)處理器件，所以硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度就明顯增大。2.Fryze功率定義的時(shí)域分析檢測(cè)法其原理是將負(fù)荷的電流進(jìn)行分解，與電網(wǎng)電壓同相位的為有功分量，其余的分量統(tǒng)稱為無功分量，包括諧波分量。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)電路簡單，缺點(diǎn)是其實(shí)時(shí)性不好，計(jì)算量大，有電路延時(shí)現(xiàn)象，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性。3.快速傅里葉變換（FFT）作為一種頻域分析技術(shù)，以傅里葉變換理論作根基，全面應(yīng)用到工程領(lǐng)域的諧波檢測(cè)當(dāng)中，它的主要特點(diǎn)是能夠同步得到電壓與電流基波及其諧波分量的幅值和相位數(shù)據(jù)。不過這種方法也存在一些不夠之處：所需的采樣點(diǎn)數(shù)量過多，計(jì)算耗時(shí)偏長，而且當(dāng)采樣頻率和信號(hào)頻率不相符合時(shí)，極易出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差。4.小波變換檢測(cè)法屬于一種技術(shù)，此技術(shù)為超越傅里葉變換的局限而發(fā)展起來，適合于對(duì)非穩(wěn)定信號(hào)開展分析，在處理波動(dòng)諧波以及快速變化的諧波方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這種方法在穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)方面存在不足，主要體現(xiàn)在檢測(cè)時(shí)滯較長，精度不夠高等方面。5.自適應(yīng)檢測(cè)技術(shù)是依靠自適應(yīng)干擾去除理論的一種閉環(huán)控制檢測(cè)手段，重點(diǎn)在于利用自適應(yīng)濾波器來處理負(fù)載電流，以此得到與電網(wǎng)電壓相位同步的有功分量。從原始負(fù)載電流當(dāng)中去掉這個(gè)分量以后，就可以得到無功分量與諧波成分的總和，這種方法的優(yōu)點(diǎn)主要是能夠大幅度減小傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)由于電壓畸變而產(chǎn)生的誤差問題，并且表現(xiàn)出比較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；缺點(diǎn)則是對(duì)硬件電路的性能要求比較高，而且在即時(shí)響應(yīng)速度上存在一些不夠之處。6.瞬時(shí)無功功率理論的檢測(cè)方法可追溯到1983年日本學(xué)者赤木泰文的研究成果，這一理論沖破了以往以平均值為根基的功率界定框架，關(guān)鍵之處在于從三相靜止abc坐標(biāo)系到α-β靜止坐標(biāo)系或者d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，而且系統(tǒng)地給出了瞬時(shí)有功功率（p）和瞬時(shí)無功功率（q）的概念。伴隨研究不斷推進(jìn)，該理論由于具有容易達(dá)成，響應(yīng)快，即時(shí)性佳等優(yōu)點(diǎn)，已全面被運(yùn)用在無功電流和諧波信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面[29,32]，依托此理論的主要檢測(cè)技術(shù)涵蓋p-q法，ip-iq法以及id-iq法等常規(guī)方案，本文打算利用依靠瞬時(shí)無功功率理論的方法來做無功補(bǔ)償研究2.2級(jí)聯(lián)型SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高壓電力系統(tǒng)對(duì)靜止無功發(fā)生器（SVG）的絕緣耐壓性能提出了嚴(yán)格要求，級(jí)聯(lián)H橋型SVG技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以星形結(jié)合的方式把大量H橋子模塊級(jí)聯(lián)起來，形成多電平輸出特性，進(jìn)而有效地滿足高電壓環(huán)境下的應(yīng)用需求，其具體結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D2.2。圖2-2級(jí)聯(lián)H橋型SVG裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在H橋子模塊做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，各個(gè)單元都用全橋拓?fù)湫问?，用圖2-3的符號(hào)來顯示。按照NSM（嵌套子模塊）架構(gòu)，同一個(gè)橋臂里上下開關(guān)管是互補(bǔ)導(dǎo)通的，要是T1和T4導(dǎo)通，T2和T3斷開，子模塊就輸出電壓Ucm；反過來，如果T1和T4斷開，T2和T3導(dǎo)通，那輸出電壓就變成-Ucm；還有，當(dāng)T1和T2一起導(dǎo)通或者斷開，T3和T4反著動(dòng)的時(shí)候，輸出電壓就是零，這樣設(shè)計(jì)就能達(dá)成三種電平輸出模式。圖2-3H橋子模塊2.3級(jí)聯(lián)型SVG主電路拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型2.3.1基于abc坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型圖2.2中，L為連接電抗，usa,b,c為電網(wǎng)電壓，uca,b,c為SVG的輸出電壓，ica,b,c為裝置輸出電流，udci為子模塊電容電壓。（2-1）2.3.2基于dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型前面方程中的系數(shù)不是固定不變的，利用Park變換，可以把三相靜止abc坐標(biāo)系中的級(jí)聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）的數(shù)學(xué)模型變成為dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的模型，這樣的變換過程能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的需求，給后面的理論分析帶來方便。Park變換公式dq-abcT的表述為（2-2）根據(jù)基爾霍夫定律得到電網(wǎng)電壓與裝置電壓在dq坐標(biāo)系下的關(guān)系，表示為(2-3)前面的方程體現(xiàn)了靜止同步補(bǔ)償器（SVG）在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，這里面，u_sd和u_sq分別表示電網(wǎng)電壓在d軸，q軸上的分量；i_d和i_q是SVG電流在d軸，q軸方向的投影值；u_cd與u_cq顯示SVG輸出側(cè)電壓在d-q坐標(biāo)系中的分解分量?；谒矔r(shí)功率理論的裝置有功與無功實(shí)際值P、Q表達(dá)形式(2-4)對(duì)于三相平衡系統(tǒng)，假定電壓u與坐標(biāo)系中的軸重合，此時(shí)ucq=0（2-5）2.4級(jí)聯(lián)型SVG的調(diào)制策略研究調(diào)制方式的選擇對(duì)于多電平變換器的輸出電壓、電流質(zhì)量起著重要的作用，合適的調(diào)制方式往往調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)算量小。載波移相正弦脈寬調(diào)制(carrierphaseshiftsinusoidalpulsewidthmodulation,CPS-SPWM)、載波層疊正弦脈寬調(diào)制(phasedispositionsinusoidalpulsewidthmodulation，PD-SPWM)是多電平常應(yīng)用的兩種調(diào)制方式，其具體對(duì)比如表2-1所示。表2-1調(diào)制方式對(duì)比調(diào)制方式優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)適用場(chǎng)合CPS-SPWM等效開關(guān)頻率較高調(diào)制波與載波數(shù)量多、均壓復(fù)雜電平數(shù)目較少及中等場(chǎng)合PD-SPWM控制設(shè)計(jì)簡單需要子模塊電容均壓電平數(shù)目較少及中等場(chǎng)合2.4.1載波移相調(diào)制技術(shù)載波移相調(diào)制技術(shù)重點(diǎn)在于對(duì)比各子模塊的調(diào)制波和特定載波，由此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈寬調(diào)制信號(hào)，拿A相來說，要是單個(gè)橋臂含有N個(gè)子模塊，那么同一橋臂里相鄰子模塊的載波相位差就是2π/N，上下橋臂相應(yīng)子模塊之間的載波相位會(huì)相差π/N，這個(gè)辦法依靠精確控制載波間的相對(duì)相位關(guān)系，做到對(duì)開關(guān)狀態(tài)的高效管理。以N=4為例展開分析，其控制原理可參照?qǐng)D4-9，在此情形下，c1到c8代表上下橋臂模塊的載波信號(hào)，mPa和mNa則分別和A相上下橋臂的調(diào)制波信號(hào)相對(duì)應(yīng)。CPS-SPWM技術(shù)依靠比例積分（ProportionalIntegral,PI）控制器來達(dá)成子模塊電容電壓的協(xié)調(diào)控制，因?yàn)樗兄^高的等效開關(guān)頻率，所以被全面地應(yīng)用在低電平數(shù)量的場(chǎng)合當(dāng)中，當(dāng)單個(gè)橋臂含有很多子模塊的時(shí)候，就須要設(shè)置許多PI調(diào)節(jié)器，這樣會(huì)極大地提升計(jì)算的復(fù)雜程度。圖2-4CPS-SPWM調(diào)制原理載波層疊調(diào)制技術(shù)對(duì)于包含N個(gè)橋臂子模塊的級(jí)聯(lián)H橋靜止無功發(fā)生器（CHB-SVG）來說，可以把N路頻率，幅值相同的三角載波信號(hào)疊加起來，再拿這個(gè)疊加信號(hào)和調(diào)制信號(hào)逐個(gè)點(diǎn)去做對(duì)比，這樣就能生成脈寬調(diào)制波形，做到向正弦輸出靠近，當(dāng)N=4的時(shí)候，它具體的調(diào)制原理就像圖2-5顯示的，在這里面，mPa和mNa分別表示A相上，下橋臂所對(duì)應(yīng)的調(diào)制波信號(hào)。同CPS-SPWM比起來，PD-SPWM的等效開關(guān)頻率更低一些，不過在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，它具有操作方便，計(jì)算復(fù)雜度低這樣的特點(diǎn)，常常會(huì)用電容電壓排序法來做到子模塊電容電壓的均衡控制，由于它在電平數(shù)較少或者處于中等水平的情況下優(yōu)勢(shì)很大，所以本研究就選了四個(gè)子模塊作為典型例子來做進(jìn)一步探究，從而決定采用載波移相脈寬調(diào)制（CPS-PWM）技術(shù)去達(dá)成PWM信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)。圖2-5PD-SPWM調(diào)制原理2.5小結(jié)該部分內(nèi)容深入剖析了級(jí)聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）的運(yùn)行機(jī)理，先說明了SVG達(dá)成無功補(bǔ)償?shù)幕驹?，包含其處于感性和容性?fù)載情況下的工作模式，而且重點(diǎn)論述了無功電流檢測(cè)和諧波分析的意義及其完成手段。然后主要探究了級(jí)聯(lián)型SVG主電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，特別是H橋子模塊的設(shè)計(jì)想法與其性能特征，依此創(chuàng)建起依靠abc三相靜止坐標(biāo)系和dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，給全面考量SVG技術(shù)性能給予了理論支持，通過對(duì)CPS-SPWM和PD-SPWM這兩種調(diào)制策略的性能比較，選取了具有更好諧波抑制效果的CPS-SPWM作為本文的關(guān)鍵控制算法。

第三章級(jí)聯(lián)H橋SVG裝置雙閉環(huán)控制策略設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)型靜止同步補(bǔ)償器（SVG）憑借其優(yōu)良的無功功率調(diào)節(jié)性能，在高壓電力系統(tǒng)中被普遍采納，要想設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，就務(wù)必達(dá)成其直流側(cè)電容電壓的均衡控制，本文把級(jí)聯(lián)H橋型SVG無功補(bǔ)償裝置當(dāng)作研究對(duì)象，首先按照d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，給出一種d-q電流內(nèi)環(huán)解耦控制策略；在系統(tǒng)層面規(guī)劃出一種通過檢測(cè)負(fù)載q軸分量來執(zhí)行無功補(bǔ)償?shù)男路椒ǎ@樣就合成了完整的協(xié)同控制體系；在內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用融入雙閉環(huán)比例積分（PI）調(diào)節(jié)機(jī)制的三層均壓控制計(jì)劃，以保證直流母線電壓既穩(wěn)定又可靠。3.1dq解耦控制及無功補(bǔ)償控制策略根據(jù)上述式（2-3）、建立dq解耦控制如圖3-1所示，其中，本文設(shè)計(jì)通過檢測(cè)負(fù)載電流的q軸分量，從而得到iq*，以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載下的無功補(bǔ)償，從而設(shè)計(jì)一種檢測(cè)負(fù)載q軸分量的無功補(bǔ)償控制策略圖3-1dq解耦控制3.2三層均壓控制策略電容電壓波動(dòng)公式為（3-1）圖3-2子模塊電容充放電示意圖設(shè)子模塊輸出電壓為(u)，其數(shù)值取決于流經(jīng)電容的電流，當(dāng)(u)與電容電流同向時(shí)，電容充電；反之則放電。借助系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析可知，一個(gè)工頻時(shí)段內(nèi)，電容要完成兩次完整的充放電循環(huán)，進(jìn)而產(chǎn)生二倍頻波動(dòng)現(xiàn)象，無功分量對(duì)有功損耗并無直接影響，所以即便存在波動(dòng)，電容電壓的穩(wěn)態(tài)均值依舊可以維持不變，深入探究顯示，電容電壓波形的極值往往靠近(u=0)的臨界處。在CHB-STATCOM主電路設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)子模塊大多依靠相同規(guī)格的電容器來完成直流側(cè)支撐功能，從理論上講，處于三相協(xié)調(diào)運(yùn)行狀況下，如果所有子模塊的參數(shù)以及控制策略毫無差別，那么直流側(cè)電容電壓就能夠達(dá)成理想的自均衡狀態(tài)，但是在實(shí)際的工程環(huán)境當(dāng)中，由于會(huì)受到外部干擾，元件之間存在差異，控制并非理想化等多種因素的影響，這種理論上的均衡狀態(tài)常常很難長期保持下去：(1)就算各個(gè)模塊用的是相同型號(hào)的元器件，它們的電氣參數(shù)也許還是會(huì)有些許差別，開關(guān)器件的寄生參數(shù)，線路阻抗以及電容寄生電感存在偏差，這些情況有可能引發(fā)子模塊之間產(chǎn)生能量損耗時(shí)不同步，這種逐步累加起來的能量損耗會(huì)提升直流側(cè)電容電壓出現(xiàn)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，從而給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不良影響。(2)各模塊的控制邏輯并未改變，但控制信號(hào)傳至開關(guān)器件所經(jīng)途徑不同，便會(huì)發(fā)生時(shí)間遲延狀況，此遲延使得開關(guān)器件很難守住理論上的同步狀態(tài)，造成子模塊電容電壓的相位存在細(xì)小差別，進(jìn)而引發(fā)有功功率調(diào)配不均。(3)三相電路出現(xiàn)暫態(tài)故障的時(shí)候，子模塊電容電壓將會(huì)產(chǎn)生大幅波動(dòng)，電容依賴充放電來達(dá)成運(yùn)行協(xié)調(diào)，而這樣的暫態(tài)情況會(huì)使得子模塊電容電壓不協(xié)調(diào)現(xiàn)象更為嚴(yán)重。依托于此，要達(dá)成子模塊電容電壓均衡這一控制目標(biāo)，就務(wù)必通過改良控制策略來調(diào)整各個(gè)子模塊之間的有功功率分配，本文規(guī)劃了一種三級(jí)電壓均衡控制法，該方法覆蓋總直流電壓調(diào)節(jié)，相間電壓協(xié)調(diào)控制以及相內(nèi)電壓均衡維持這三個(gè)層次。整體直流電壓控制的主要目的在于保持靜止無功發(fā)生器（SVG）三相子模塊電容電壓的平均值符合預(yù)先指定的參考值，若檢測(cè)到這個(gè)平均值出現(xiàn)偏差，那么控制器就會(huì)參與進(jìn)來，對(duì)參考電流加以調(diào)整，從而改變SVG所吸收的有功功率，使得直流電壓平均值圍繞設(shè)定的參考值上下波動(dòng)，這一控制策略的邏輯架構(gòu)在圖3-3中有細(xì)致的展示。圖3-3整體直流電壓控制（3-2）相間均壓控制重點(diǎn)要達(dá)成的目標(biāo)是，讓靜止無功發(fā)生器（SVG）同一相中子模塊電容電壓的平均值精準(zhǔn)符合系統(tǒng)指定的參考值，一旦出現(xiàn)偏差，可以在各相調(diào)制波添加特定的交流偏移量，這樣就能調(diào)節(jié)各相輸出電壓，從而改變有功功率在相間的分配狀況，最終做到相間電壓的協(xié)調(diào)一致，圖3-4細(xì)致地展示了相間均壓控制的邏輯框圖。圖3-4相間均壓控制圖3-5相內(nèi)均壓控制其中，udcaj，udcbj，udccj為各相電容電壓的實(shí)際值值,從而得到各相調(diào)制波的交流偏移量，將其疊加在三相調(diào)制波上，本文最終選定的系統(tǒng)控制框圖如圖3.6所示，采用電壓外環(huán)結(jié)合三級(jí)均壓控制和載波移相調(diào)制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)級(jí)聯(lián)H橋SVG的控制。其中，整體直流電壓控制輸出的id*來穩(wěn)定系統(tǒng)整體直流側(cè)的電容電壓，相間和相內(nèi)均壓控制輸出的交流偏移量進(jìn)行疊加，就可以得到三相中每個(gè)子模塊的調(diào)制波信號(hào)。同時(shí)，系統(tǒng)無功補(bǔ)償策略通過檢測(cè)負(fù)載q軸分量生成iq*，實(shí)現(xiàn)阻感性/阻容性情況下無功補(bǔ)償。圖3-6總控制框圖3.3小結(jié)高壓級(jí)聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)受到諸多因素的影響，本文把雙閉環(huán)比例積分（PI）控制理論同多層級(jí)均壓控制框架融合，提出一種依靠雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)的改進(jìn)控制方法，這種方法按照負(fù)載q軸分量生成無功補(bǔ)償參考信號(hào)，進(jìn)而在動(dòng)態(tài)工況下達(dá)成對(duì)無功功率的精確補(bǔ)償。三層均壓控制的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下：第一層是電壓外環(huán)調(diào)節(jié)，通過形成基波正序有功電流控制器來維持三相H橋模塊直流母線電壓整體穩(wěn)定；第二層著重于相間電壓均衡控制，用特定算法很好地限制相間電壓偏差；第三層則利用PI控制器對(duì)子模塊實(shí)施細(xì)致調(diào)節(jié)，保證單個(gè)模塊內(nèi)部電壓均勻分布，將前面三層控制策略合成之后，系統(tǒng)直流側(cè)電壓分布的整體協(xié)調(diào)性得到很大改善。第四章級(jí)聯(lián)H橋型SVG無功補(bǔ)償裝置仿真驗(yàn)證本節(jié)借助MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)塑造了級(jí)聯(lián)H橋型靜止無功發(fā)生器（SVG）系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，著重針?duì)所提出的無功補(bǔ)償方法以及直流側(cè)電壓均衡控制策略展開技術(shù)可行性和實(shí)際效果的評(píng)價(jià)驗(yàn)證。4.1SVG無功補(bǔ)償裝置主電路仿真系統(tǒng)搭建為驗(yàn)證本文所提雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)的級(jí)聯(lián)H橋SVG控制策略的正確性與有效性，對(duì)所提控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其主電路圖如圖4-1所示。圖4-1主電路仿真圖對(duì)于級(jí)聯(lián)H橋SVG，每相以4個(gè)子模塊為例進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)仿真參數(shù)分別如表4-1所示。表4-1系統(tǒng)參數(shù)子模塊數(shù)4個(gè)變量數(shù)值單位額定線電壓8.75kV子模塊電容電壓2.1kV電網(wǎng)頻率50Hz開關(guān)頻率5kHz子模塊電容10mF濾波電感L3mH負(fù)載功率P+jQ3+j4MW4.2dq解耦控制模塊搭建負(fù)載與反饋電流dq變換后的解耦控制及前饋解耦控制模塊見圖4-2。圖4-2dq解耦仿真圖4.3三層電壓平衡模塊電壓均衡控制模塊的設(shè)計(jì)依照前面提到的三層控制架構(gòu)來做，其中包含三相全局均壓組件，相間電壓協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)單元以及相內(nèi)均壓子系統(tǒng)。4.3.1整體均壓圖4-3整體電壓控制仿真圖把三相各子模塊的電壓值加總起來，以這個(gè)總和為依據(jù)算出平均數(shù)，將得到的平均數(shù)和預(yù)先設(shè)定的參考值各自乘上10倍系數(shù)之后作對(duì)比，經(jīng)過PI控制器的運(yùn)算產(chǎn)生出基波正序有功電流指令，按照?qǐng)D4-3所展示的原理，憑借這個(gè)指令就可以做到級(jí)聯(lián)型靜止同步補(bǔ)償器（SVG）對(duì)電網(wǎng)有功功率的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)控制，這樣就能保證達(dá)成系統(tǒng)電壓穩(wěn)定以及均衡運(yùn)行的目的。4.3.2相間均壓圖4-4相間均壓控制仿真圖4.3.3相內(nèi)均壓圖4-5相內(nèi)均壓控制仿真圖4.3.4參數(shù)表4-2雙閉環(huán)控制參數(shù)控制器參數(shù)數(shù)值電壓外環(huán)比例系數(shù)0.6電壓外環(huán)積分系數(shù)13.5電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)(id)2.6電流內(nèi)環(huán)積分系數(shù)(id)300電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)(iq)2.6電流內(nèi)環(huán)積分系數(shù)(iq)300表4-3相間均壓環(huán)控制參數(shù)控制器參數(shù)數(shù)值電壓環(huán)比例系數(shù)0.5電壓環(huán)積分系數(shù)0.5表4-4相內(nèi)均壓環(huán)控制參數(shù)控制器參數(shù)數(shù)值電壓環(huán)比例系數(shù)0.5電壓環(huán)積分系數(shù)14.4阻感性負(fù)載下仿真分析4.4.1無功補(bǔ)償及相關(guān)電壓電流波形對(duì)于級(jí)聯(lián)H橋SVG裝置而言，當(dāng)阻感性負(fù)載投入時(shí)，級(jí)聯(lián)H橋輸出感性無功仿真工況設(shè)定如下：0.5s以前純阻性負(fù)載，級(jí)聯(lián)H橋不投入無功，0.5以后設(shè)置阻感性負(fù)載3+j4MW投入，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到裝置功率波形、網(wǎng)側(cè)電流波形、網(wǎng)側(cè)電流THD、SVG裝置輸出波形分別如圖4-6到4-8所示。如圖4-6和圖4-7所示，通過仿真波形可以看出，在0.5s以前，電網(wǎng)與負(fù)載側(cè)達(dá)到有功功率平衡，級(jí)聯(lián)H橋SVG裝置不輸出電流，0.5s以后，在阻感性負(fù)載投入時(shí)，SVG裝置大約經(jīng)20ms迅速發(fā)出感性無功進(jìn)行無功補(bǔ)償，同時(shí)，由圖4-7可得，SVG裝置輸出電壓超前與輸出電流。在感性負(fù)載投入后，電網(wǎng)與負(fù)載仍能維持有功功率平衡。且由圖4-8可得，SVG裝置工作后，電網(wǎng)電流THD為0.64%，滿足要求。圖4-6功率波形圖4.7電壓及電流波形圖4-8a相電流THD圖4-9子模塊電容電壓波形4.4.2子模塊電容電壓均衡仿真分析如圖4-9所示，通過仿真波形可以看出，在0.5s以前，子模塊電容電壓在三層均壓控制策略下維持在2.1kV穩(wěn)定。在0.5s以后，SVG裝置輸出感性無功的同時(shí)，子模塊電容電壓仍能穩(wěn)定在2.1kV，紋波大約為25V。4.5 阻容性負(fù)載下仿真分析4.5.1無功補(bǔ)償及相關(guān)電壓電流波形對(duì)于級(jí)聯(lián)H橋SVG裝置而言，當(dāng)阻容性負(fù)載投入時(shí)，級(jí)聯(lián)H橋輸出容性無功仿真工況設(shè)定如下：0.5s以前純阻性負(fù)載，級(jí)聯(lián)H橋不投入無功，0.5以后設(shè)置阻容性負(fù)載3-j4MW投入，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到裝置功率波形、網(wǎng)側(cè)電流波形、網(wǎng)側(cè)電流THD、SVG裝置輸出波形分別如圖4-10到4-12所示。如圖4-10和圖4-11所示，通過仿真波形可以看出，在0.5s以前，電網(wǎng)與負(fù)載側(cè)達(dá)到有功功率平衡，級(jí)聯(lián)H橋SVG裝置不輸出電流，0.5s以后，在阻容性負(fù)載投入時(shí)，SVG裝置大約經(jīng)20ms迅速發(fā)出容性無功進(jìn)行無功補(bǔ)償，同時(shí)，由圖4-11可得，SVG裝置輸出電壓滯后與輸出電流。在容性負(fù)載投入后，電網(wǎng)與負(fù)載仍能維持有功功率平衡。且由圖4-12可得，SVG裝置工作后，電網(wǎng)電流THD為0.52%，滿足要求。圖4-10功率波形圖4-11電壓和電流波形圖4-12a相電流THD4.5.2子模塊電容電壓均衡仿真分析如圖4-13所示，通過仿真波形可以看出，在0.5s以前，子模塊電容電壓在三層均壓控制策略下維持在2.1kV穩(wěn)定。在0.5s以后，SVG裝置輸出容性無功的同時(shí)，子模塊電容電壓仍能穩(wěn)定在2.1kV，紋波大約為25V。圖4-13子模塊電容電壓波形4.6小結(jié)本節(jié)展開仿真研究，分別針對(duì)阻容性負(fù)載和阻感性負(fù)載這兩種情況，考察所給出的無功補(bǔ)償控制策略以及子模塊均壓控制方案是否可行且有效。

第五章總結(jié)與展望5.1工作總結(jié)本研究重點(diǎn)關(guān)注級(jí)聯(lián)H橋靜止同步補(bǔ)償器（SVG）的無功補(bǔ)償雙閉環(huán)比例積分（PI）調(diào)節(jié)控制策略，展開細(xì)致的理論剖析，仿真驗(yàn)證以及方案規(guī)劃，第一章闡述無功補(bǔ)償技術(shù)的研究背景及其工程意義，全面梳理國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，進(jìn)而明確課題的研究方向與預(yù)期目的；第二章首先拆解級(jí)聯(lián)型SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其運(yùn)行原理，于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下塑造系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與功率兼顧關(guān)系，通過對(duì)比載波移相調(diào)制（CPS-SPWM）和層疊調(diào)制的技術(shù)特性，最終選定具有突出諧波抑制能力的載波移相PWM作為關(guān)鍵控制手段；第三章給出一種融合雙閉環(huán)控制與分層設(shè)計(jì)思想的混合控制架構(gòu)：頂層為電壓外環(huán)控制器，憑借基波正序有功電流產(chǎn)生機(jī)制做到各個(gè)H橋模塊直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定協(xié)調(diào)；中層執(zhí)行相間電壓動(dòng)態(tài)調(diào)度，借助改善三相負(fù)載功率分配來完成兼顧調(diào)節(jié)；底層針對(duì)子模塊級(jí)電壓一致性難題，運(yùn)用PI算法準(zhǔn)確校正各級(jí)聯(lián)H橋單元的目標(biāo)參考值，以此保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和較強(qiáng)的魯棒性。第4章形成起系統(tǒng)的仿真模型，借由仿真實(shí)驗(yàn)來考量星接級(jí)聯(lián)型靜止無功發(fā)生器（SVG）的無功補(bǔ)償特性，還要驗(yàn)證所給出的控制策略對(duì)于維持級(jí)聯(lián)型SVG直流側(cè)電壓穩(wěn)定是否可行，仿真得到的數(shù)據(jù)表明，這種控制方案能夠極大地改善SVG無功補(bǔ)償設(shè)備的綜合性能。5.2展望在后續(xù)研究中，還需考慮負(fù)載不平衡下的工況，通過優(yōu)化控制策略進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無功支撐作用。

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