基于静止无功发生器的三态滞环控制策略研究*

张晓滨，王小艳，钟彦儒，吴江峰

(西安理工大学自动化与信息工程学院电气系，陕西西安710048)

无功补偿对维持电力系统的稳定与经济运行，改善电能质量有着极其重要的意义。近年来，新型电力电子装备——静止无功发生器(SVG)以其响应速度快、补偿无功连续、损耗低等优点在国内外得到了长足发展[1]。

SVG的控制分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制采用跟踪型PWM控制技术对电流的瞬时值进行直接跟踪控制的方式。间接电流控制是控制SVG的输出电压来达到间接控制电流的目的[2]。与间接电流控制相比，直接电流控制具有更高的响应速度和控制精度，但开关频率较高[3-4]。因此降低开关频率成为当前直接电流控制方式的研究热点。参考文献[5]提出了一种三相关联的滞环控制方法，降低了开关频率；参考文献[6]用基于滞环控制的空间矢量调制方法来降低开关频率；参考文献[7]提出了一种电压空间矢量双滞环电流控制方法降低了开关损耗，但这些方法总体上实现复杂，且频率降低不明显。

[8-10]提出一种基于单相并网逆变器的三态滞环控制策略，可以有效地降低开关频率。但该方法并不适用于三相系统。本文通过分析SVG的传统滞环控制策略运行原理并结合单相三态滞环控制策略，提出一种基于SVG的三态滞环控制策略。通过仿真将三态滞环控制策略与传统滞环控制策略进行对比，结果证明，三态滞环控制策略既保留了传统滞环控制响应快的优点，又明显降低了开关损耗，对于提高整个系统运行效率有着重大的意义。

1 SVG的滞环控制策略

SVG的主电路结构如图1所示，由6个开关管构成的逆变电路组成工作主体。直流侧并接电容，交流侧通过3个电感L与电网相连。直接电流控制策略作为其中一个重要环节，直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，达到实时补偿无功的目的。

1.1 SVG传统滞环控制策略

(1)传统滞环控制策略的原理

根据图1、图3所示，设滞环宽度为2H。以A相为例，当电流Δica＞H时，S1导通，S4关断，跟踪电流增大，A相输出电压为Udc；当电流Δica＜-H时，S4导通，S1关断，跟踪电流减小，A相输出电压为-Udc。同理，B相和C相工作过程类似，只是其参考电流依次滞后120°和240°。由于输出相电压只有±Udc两种状态，所以传统滞环控制策略也称为两态滞环控制策略。

(2)传统滞环控制策略的频率分析

图3中，设t1-t0=Δt1；t2-t1=Δt2，滞环宽度为2H，电流脉动1次为1个周期T。在t0～t1段，S1导通，S4关断，跟踪电流增大，SVG的等效电路方程可以写成:

同理在t1～t2段，S4导通，S1关断，跟踪电流减小。同样可以得到:

根据式(2)、(3)可以得到开关频率为:

开关频率的导数为:

当e=0时开关频率有最大值:

1.2 三态滞环控制策略

(1)三态滞环控制策略的原理

根据图1、图4所示，设滞环宽度为2H。分析A相电流的正半周:当Δica＞H时，S1导通，S4关断，跟踪电流增大，A相输出电压为Udc；当电流Δica＜-H时，S1关断，S2、VD4和负载构成续流回路，跟踪电流减小，A相输出电压为零。分析A相电流负半周:当电流Δica＜-H时，S4开通，S1关断，跟踪电流负方向增大，A相输出电压为-Udc；当Δica＞H时，S4也关断，S5、VD1和负载构成续流回路，跟踪电流负方向减小，A相输出电压为零。同样，S3和S6组成B相，正半周的续流通路为S4、VD6和负载组成回路；负半周的续流通路为S1、VD3和负载组成回路。S2和S5组成C相，正半周的续流通路为S6、VD2和负载组成的回路；负半周的续流通路为S1、VD5和负载组成回路。应用三态滞环控制策略，SVG交流侧输出的相电压除了有±Udc两种状态外，还有零电压状态，所以也称三态滞环控制。

(2)三态滞环控制策略的频率分析

图4中，设t1-t0=Δt1，t2-t1=Δt2，滞环宽度为2H。设1个开关周期为T，则电流脉动1次为半个周期T/2。在电流的正半周t0～t1段的分析和传统滞环控制策略一样，所以得:

在t1～t2段S1和S4都关断，电路处于续流状态，跟踪电流减小。SVG的等效电路方程可以写成:

根据式(7)、(9)可得SVG的开关频率为:

对开关频率求导得:

如图5所示，对于电流负半周的分析与正半周的分析类似，可得到同样的结论。因此从理论推导可以得出:与传统滞环控制策略相比，三态滞环控制策略大大降低了开关频率。若Udc≥2e，则传统滞环控制策略的开关频率为三态滞环控制策略的3倍以上。在频率的最大点，三态滞环控制策略的开关频率仅为传统滞环控制策略的1/4。

另外，对于三态滞环控制策略，当电流为正时，只发出上桥臂开关管的PWM触发脉冲信号，下桥臂开关管始终封锁；当电流为负时，只发出下桥臂开关管的PWM触发脉冲信号，上桥臂开关管始终封锁。因此不会出现同一桥臂的上下管直通现象，不用插入死区时间，从而避免了复杂的死区控制问题。

2 仿真结果及分析

为验证前面理论推导的正确性和有效性，利用PSIM软件分别对传统滞环控制策略和三态滞环控制策略进行了仿真验证。仿真主要参数设定:交流侧线电压为380 V，参考电流为20 A，交流侧电感为4 mH，电流环宽为1 A。首先对两种滞环控制策略的电流动态跟踪性能进行对比。图6反映了采用传统滞环控制策略SVG的A相电流跟踪情况，其中V1为参考电流波形，V4为SVG的实际输出电流波形。图7为采用三态滞环控制策略SVG的A相电流跟踪曲线，其中V1为参考电流波形，V3为SVG的实际输出电流波形。通过对比发现两种滞环控制策略的电流跟踪动态性能基本一致。

图8为采用传统滞环控制策略的A相上桥臂开关管的开关波形。图9为采用三态滞环控制策略的A相上桥臂开关管的开关波形。通过对比两种滞环控制策略的开关频率发现，应用三态滞环控制策略SVG的开关频率远小于应用传统滞环控制策略SVG的开关频率。三态滞环控制策略可以很好地实现开关降频的功能。

图10为采用三态滞环控制策略SVG的A相上下桥臂开关管的开关波形。可以看出:当电流为正时上桥臂开关管连续动作，下桥臂开关管始终关断；反之当电流为负时下桥臂开关管连续动作，而上桥臂开关管始终关断。因此不存在上下桥臂开关管直通的可能，在开关管控制时不需要插入死区时间。

为了降低SVG在直接电流控制方式下的开关频率，本文提出三态滞环控制策略。通过理论分析和仿真试验，将传统滞环控制策略和三态滞环控制策略进行对比。比较结果表明，三态滞环控制策略在保持了传统滞环控制策略动态响应快的基础上，大大降低了开关频率，减少了开关损耗。另外，三态滞环控制策略避免了在开关控制时插入死区时间，大大简化了开关控制算法。因此解决了直接电流控制方式开关频率过高的问题，提高了SVG系统的效率。

参考文献

[1]张军利.基于DSP的DSTATCOM触发系统的实现[J].电子技术应用，2008，34(1):33-34.

[2]张晓滨，钟彦儒.静止无功发生器动态模型和非线性逆系统-PI控制策略研究[J].系统仿真学报，2009，21(11):3166-3170.

[3]EUN C S，SUNG M P，WON H O，et al.A novel hysteresis current controller to reduce the switching frequency and current error in D-STATCOM[C].IECON 2004，30th Annual Conference of IEEE，New York，USA，2004:1144-1149.

[4]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，1998.

[5]曾国宏，郝荣泰.有源滤波器滞环电流控制的矢量方法[J].电力系统自动化，2003，27(5):31-35.

[6]张兴，张崇巍.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[J].中国电机工程学报，2001，21(10):103-105.

[7]姜俊峰，刘会金，陈允平，等.有源滤波器的电压空间矢量双滞环电流控制新方法[J].中国电机工程学报，2004，24(10):82-86.

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