摘要: 探讨了带中性点箝位三相三级逆变器的静止无功发生器(SVG)，提出了用单周控制的新方法，来实现正弦脉宽调制SPWM，每一瞬刻，只需对三只全控型电力电子开关元件作PWM 控制，减少了元件的开关损耗，此外，单周控制电路简单，动态性能好。利用这种方法对带三相三级PWM 逆变器的SVG 进行了Matlab/Simulink 建模和仿真，得出了输出正弦电流的无功的予期结果，证明在原理上是可行的，宜进一步试验验证。
关键词: 带三相三级逆变器的静止无功发生器; 脉宽调制PWM;单周控制;Matlab/Simulink 仿真
A Study on Static VAR Generator with Three-Level Inverter
CHEN Xianming LU Hongshui LIU Guohua
(State Grid Electric power Research Institute Nanjing, Jiangsu, China 210003)
Abstract:A static VAR generator (SVG) with neutral point clamped three-phase three-level inverter is explored, and a newone-cycle control (OCC) method which can implement sine pulse-width modulation (SPWM ) is proposed. Only threefully-controlled power electronic switch devices need to act for PWM control at any instant so as to reduce switching loss. Inaddition, one–cycle control causes simpler electric circuit and better dynamic performance. The modeling and simulation for SVGwith three-phase three-level PWM inverter under one-cycle control is completed with Matlab/Simulink software. The simulationresults show that reactive power output with three–phase sinusoidal currents can be obtained. It verifies that principle of the methodis feasible and worthwhile confirmation further in experiment.
Keywords: SVG with three-phase three-level Inverter; PWM; One-cycle control(OCC); Matlab/Simulink Simulati
1. 引言
为解决电网电压跌落或突升和电网动态无功调节，过去常用静止无功补偿器(Static VAR CompensatorSVC)，它主要由晶闸管投、切电容器(ThyristorSwitch Capacitor, TSC)和晶闸管控制电抗器(Thyristor control Reactor, TCR)和固定电容器(FixedCapacitor , FC)等组成，它的缺点是体积庞大，占地面积大，维护工作量大，此外隨着电网电压下降，补偿的无功成平方下降，并且基本上是单向补偿无功。静止无功发生器(Static VAR Generator, SVG)占地面积小，能双向补偿无功，动态性能也较好，用在输电网上容量较大，为得到输出正弦电流，常用逆变器的多重化联接，或用单相H 桥串，并联的方法，要用到多台变压器。在配电网用SVG 的容量要求比起输电用的小得多。有可能使用三相三级逆变器来滿足容量要求，但是为得到正弦的三相电流，还是要用正弦脉宽调制SPWM 之类的控制方法。近年来随着单周控制[1]在PWM 上应用，利用单周控制中性点箝位的三相三级PWM 逆变器来开发SVG 也是比较理想的,单周控制是一种新型非线性大信号的脉宽调制(PWM)控制,所用元器件少，控制电路简单，速度快，成本低，己开始在工业中得到应用。本文提出用带单周控制中性点箝位三相三级PWM 逆变器的SVG方法，并通过Matlab/Simulink 软件的仿真，得到了SVG 输出正弦无功电流，证明了该方法的可行性，值得进一步实验验证。
2.静止无功发生器SVG 工作原理[2,10]图1A 表示了由三相电压源逆变器VSI、其直流侧电容器C 和输出联网电感器L 组成的SVG 和电网Uac连接的原理图，图1B 为其等效电路图，Ui 表示逆变器产生的交流相电势，Uac 为电网的交流相电压，L 为联网电感器的电感，R为电感器电阻以及VSI 中开图1 SVG 原理图 关元件损耗等引起的等效电阻。显然当Ui 大於Uac，SVG 将输出无功到电网，反之将吸收电网无功，因而起着无功双向调节的作用。图1C 表示了SVG 输出无功到电网时，对SVG应实施的控制原理图。
这里SVG 输出相电压Ui 滞后电网相电压Uac θ 角，而相电流I 越前电网相电压 Uac(90-θ)，所以有无功输入到电网，而相电流I 的有功分量与Uac 同方向，电网输出有功，用以补偿电抗器的电阻、VSI 开关元件及电容器工作时的介质损耗，即：P=Uac×I×Sinθ=I2 R (1) θ=Sin-1 (IR/Uac)这样可以避免VSI 从直流侧补充电能的要求。电网吸收无功: Q=Uac2Sin2θ/2R
(2)显然Ui 和Uac 存在着下述关系：
(3) 其中X=ωL, φ=tg-1 (ωL/R) 如果控制Ui 越前于电网电压Uac，用类似控制，SVG 可吸收来自电网的无功。总之用θ角可控制无功的正负和大小，另外在PWM 控制下每个开关周期导通的占空比也能调节无功大小。
3.中性点箝位三相三级逆变器工作原理[3-6]
图2 (A)并网三相三级逆变器，(B)每周6 个时区(T,D 分别代表全控T 管及二极管,Dap,Dbp,Dcp 代表三相上箝位二极管,Dan,Dbn,Dcn 代表三相下箝位二极管)图2a 表示了并网的中性点箝位的三相三级逆变器的主电路，它由直流电源E1=E2 供电，逆变器三相的上、下桥臂都是由和二极管D 反并联的全控型电力电子开关元件(以下简称T 管)比如IGBT，两只串联组成。注意三级逆变器每相输出有三种电平，以a 相为例，T1,T2 导通输出正电平，T2,T3 导通输出零电平,T3,T4 导通输出负电平。
逆变器输出经串联的三相电感 La=Lb=Lc=L 接至三相电网。(图2A 中还表示出了逆变器输出三相电流ia,ib,ic 的正方向)
图2B 中表示了电网的三相电压Ua,Ub,Uc，按各相电压的正、负可将一周波划分为:101,100,110,010,011,001 六个时区，第一位数代表a 相，第二、三位数代表b,c 相。”1”代表该相电压为正，反之”0”代表该相电压为负。为达到逆变器输出电流正弦,通常宜采用脉宽调制PWM 控制。
假定三级逆变器用PWM 控制，在101 时区当a 相T1和c 相T9 给以PWM 的驱动信号ga,gc，而T2,T10 保持恒导通。当b 相在”0”态驱动信号使T7,T8 导通时，a,c 相电流ia,ic 路径(图3)为：
此時加于a,c 相绕组电压为+E1，而b 相为-E2。注意这时ia+ic=-ib 也就是ia+ib+ic=0 满足三相电流对称的要求。
图3在101 时区的三相电流路径
当T1,T9 PWM 驱动信号变”0”时，即T1,T9 关断时，由于电感L 的存在电流ia,ic,ib 不能为零仍需续流。[注：三级逆变器T1,T2 导通，a 相输出正电平，而T2,T3导通a 相输出零电平，为防止T1,T2,T3 同时导通，造成经Dan 使电源E1 的短路，必须在T1,T3 间设置导通死区，使T1 完全关断后，T3 才导通，对用PWM来控制设置死区是不可行的，因此不能采用T1,T3 互补导通的方法]
(A)假定这时T7 导通T8 关断，ia,ic 将从b 相下箝位二极管Dbn 接至零电平，再分别到a,c 相的上箝位二极管Dap、T2 和Dcp、T10，此时加在a,b,c 相绕组上的电压均为0。
(B)假定这时T7,T8 导通这时T8 导通Dbn 处于反压下不通，ibE2-,E2+，再分2 路,经Dap,T2 及Dcp T10 流动，三相绕组均加上 –0.5E2 电压
(C) 假定这时T7,T8 关断这时ib 只能强行经二极管D6,D5 流到E1+,E1- 再分2 路,经Dap,T2 及Dcp T10 流动，三相绕组均加上+0.5E1 电压。
上述三种保持电感电流持续的方法，应认为(A)法较好。但在实际中c 相，a 相PWM的脉冲并不同步，亦即a 相PWM 为”1”时，c 相PWM 可能为”0”，这时对a 相讲，要求T7,T8 恒导通，对c 相讲要求T7 导通，T8 关断。所以(A)法也有缺陷。注意Ua,Ub,Uc 是三相对称电压，任何瞬刻都有Ua+Ub+Uc=0，由单周控制产生的Ua,Ub,Uc 的PWM脉冲波间也应保持上述关系，所以应有PWMa+PWMb+PWMc=0, PWMa+PWMc=-PWMb，亦即可令T8受PWMb 控制即可,上述情况也可适用到其它5 个时区。
图4 三相三级逆变器PWM 脉冲形成电路
图4 为产生上述所需三相PWM 的12 只T 管控制脉冲电路图，其中Usa,Usb,Usc 为同步电压，如要求并网功率因数为1，可直接用电网电压。ga,gb,gc 来自三相单周控制单元的输出。图5 为这种情况下1.5 周波内逆变器12 只T 管驱动信号.,由上面叙述所知，在用180 度逆变制下，同一时间每相都有一只T 管作180 度时间的PWM 控制(如对a,c 电压正半波，控制上臂T1.T9管，b 相负半波，控制下臂T8 管)。由上面叙述可知，在用180 度逆变制下，同一时间每相都有一只T管作180 度时间的PWM 控制(如对a,c 电压正半波，控制上臂T1.T9 管，b 相负半波，控制下臂T8 管)。
4.带三级逆变器SVG 的仿真
仿真用的是Matlab/Simulink 7.0 版[7,8,9]软件，图6 为单周控制带中性点箝位三相三级逆变器的SVG 仿真结构图，其主电路3L-inverter 和图2A 相同，为中性点箝位的三相三级逆变器. 图7 为其为其展开，图8(A),(B)为它a 相上、下桥臂的组成，它们都是由两组T 管和反并联的二极管D 串联组成，并带有各自的箝位二极管。逆变器输出由并联的三相高通滤波器HPF 滤去开关频率谐波,再经电感L 联至交流电网ac Power。 控制电路有：A)逻辑模块Logic Ctrl，它用来产生图5 的12 个T 管的驱动信号，它的详细电路同图4。 B) 图9 为单周控制OCC 模块.三相用的三个OCCa,OCCb.OCCc，它们完全相同，并由定时器Timer控制的三只开关Switch 来封锁其输出。
图10 是OCCa 的展开,它的输入:被控信号是逆变器a相输出电压Uia 经积分器积分后得Vint，参考信号Refa 采用的是和电网a 相电压成正比的信号，Refa 的大小受图6 中的Ref 控制。因为要让OCC 中比较器compa 正确比较，如Vint 大于参考值Refa，则比较器反转，通过RS 触发器的复位端R 复位，使Q 端变低，关断电路主开关PWM 脉冲，而!Q 端变高,通过Switch将积分器清零, 直至下一开关周期的时钟脉冲clk 再来，不断重复上述过程。因比较器只能单方向比较,交流的Uia 和Refa 均需用绝对值。
图6 中右侧三相星形联接的串联电阻R1 和电容器C1和电网ac Power 的三相A,B,C 端联接，这时电容器C1 的电压Usa 滞后于同相的电网电压某个θ角，并作为逆变器该相输出电压Ui 正弦参考 值。如图11 所示。
图11 θ角的生成
Open-close loop selection开关用于SVG 开环、闭环控制的选择。闭环调节由Controller 和有功、无功P,Q 测量模块组成，Controller 模块的展开如图12 所示。由双PI 调节环组成，外环的作用是维持直流电压Udc稳定在给定值，其输出作为有功P 的给定，以保证电网供给SVG 所需有功。内环用于控制脉宽。图13 为PI 调节的结构图，其输出有限幅，闭环调节下Usyn信号可实现SPWM 控制，并给出Ui和电网电压Uac的相位差。而这时Ui的脉宽只取决于达到有功平衡时的参考值Ref。
要调节SVG 无功Q 的输出大小，需要调节Usyn 的相角。图6 结构图中还有一些用于电压、电流的测量单元，电流有效值显示以及若干示波器Scope，用于观察仿真结果。
该仿真电路元件参数如下：SVG 直流側电容 C1,C2=2500 微法，电感器La=Lb=Lc=L=7.5mH, 电阻 0.01Ω电网电压ac. Power, 3 相, 50Hz,线电压有效值340V,每相内阻0.02Ω，二极管D 管压降0.8V 全控型T 管IGBT,管压降1V，通态电阻Ron=0.001Ω，吸收电路电阻Rs=100KΩ，高通滤波器HPF 电感8.68 mH, 电容器 80 微法 单周控制用的时钟频率clk=1.2KHz，开环仿真用 Ref=(1—6)*10-4 安.秒。
图14 表示了带三相三级逆变器的SVG在开环稳态工作下，保持C1,R1 给定值不变时，改变OCC 模块的参考值Ref 时，逆变器输出总无功Q，(Q 为负表示电网吸收无功)可看出随着Ref 增大，SVG 输出无功增加。图15 表示SVG 在闭环稳态工作下，保持C1 =7.5 微法，,改变R1，亦即改变图11 中的θ角，无功Q 的的变化。可看出随着R1(θ)增加，SVG 输出无功Q是增加的。[注意θ=f(R1)的关系较复杂]。在开环控制下SVG 输出无功可通过调节Ref 来调节，也可以保持Ref 不变，调节R1 达到。
图16 为 Ref=0.00014 时，串联电容器C1,C2 初始充电电压Uc1=Uc2=0，对上述参数的带三级逆变器的SVG 开环时作Matlab/Simulink 仿真的结果。
仿真持续0.09 秒，由图6 中的定时器Timer 控制图9的OCC 模块中的开关Switch，使t=0∽0.03 秒时间封锁输出到三级逆变器开关元件如IGBT 所有的驱动脉冲。使逆变器中的二极管整流桥起作用，给直流侧电容器C1,C2 充电t=0.03∽0.08 秒时间解除驱动脉冲封锁，进入正常的三级逆变器运行。从图16D,16F可看出直流侧电压,Uc1,Uc2,和Uc 在t=0.02”时直流侧电容器己充滿电压373,373 和746vdc。注意通常三相整流桥直流输出电压应为1.35 倍交流侧线电压。这里746v 远大于1.35*340=459v，这是因交流侧串有电感后，相当于升压的Boost 电路的原因。
另外应该指出图16 中的仿真目的，是了解工作机理，因此没有采取起励时的限流措施，导致起始瞬间，直流侧电流id (图16C)和三相交流电流ia’,ib’,ic’(图16B)十分大。
图16A 为交流侧a 相电压Ua 和a 相同步电压Usa 和a 相电流ia，在t=0.03”前ia 很大，之后进入逆变区ia变小，相位逐步越前Ua 90 度，即SVG 输出无功到电网，并且ia 趋向正弦。图16B 是逆变器输出的电流ia’,ib’,ic’，它们经过高通滤波器HPF 和交流侧串联电感滤波后成电网侧电流，图16D 为a 相电感上的电压降ULa 的波形，它是保证逆变器输出电压(图16F)Uab’向电网电压的过渡，该图上还有直流侧电容器电压Uc1,Uc2，可看出二者是一致的。图16E 为逆变器输出a 相端对直流侧中性点o 的波形。图16F 为三级逆变器输出线电压Uab’的波形，呈5 级阶梯形。图16G为有功P，无功Q 的波形,在0.03”以前因直流侧电容器快速充电，P，Q 都很大且均为正，在0.03”后进入SVG 工作,Q 变负，表明向电网输出无功约4000 瓦。从电网吸收少量有功。图16H 表示OCCa 中在逆变调节过程中积分值Uint 跟隨参考值Refa 的的变化波形.
图17 为令直流侧电容器C1,C2 各充满373vdc 电压，定时器Timer 设置不再封锁向三级逆变器T 管的驱动脉冲，SVG 在上述参数下的闭环控制仿真所得结果图17A 为电网a 相电压Ua，a 相同步电压Usa 和a 相电流ia，可看出ia 越前Ua 约90 度，正弦波形。图17B 为三级逆变器输出三相电流ia’,ib’,ic’，图17C为直流侧电流id。图17D 为a 相电感上电压ULa 波形及直流侧电容器电压波形，可着出上、下电容器电压Uc1 和Uc2 完全一致。图17E,F 分别为三级逆变器输出a 相对直流側中点的电压Uao 和其输出线电压Uab’，分别为3 级和5 级脉宽调制的阶梯波。图17G为SVG 输出的无功Q，约3800 乏和吸收有功P。图17H 表示出了a 相的OCCa 在调节过程中积分值Uint 紧紧跟隨参考值Refa 的的变化波形，可看出前一阶段调整幅度大，随后趋向稳定，由於仿真时间只有工频三个周期，末能完全稳定下来。
5. 结论:1)本文提出了利用单周控制实现带中性点箝位三相三级PWM 逆变器的SVG 的新方法，涉及它的开环和闭环控制，并且进行了Matlab/Simulink 仿真试验证明该方法可行，其特点是电路简单，可以按正弦脉宽调制SPWM 工作，使SVG 输出为三相正弦无功电流。适合于配电网的动态无功补偿，由于单周控制是每个开关周期都进行控制，其动态性能必然良好。2). 虽然带三相三级逆变器的SVG 带有12 个T 管，但正常运行时，用本方法控制，任何瞬间都只有三只T 管参予PWM 调制，有利于减少元件的开关损耗。3)用本方法控制带三相三级逆变器的SVG，其输出无功大小可通过调节θ(图6 中R1)来达到，亦可通过调节调宽或占空比有关的Ref 来达到。如要SVG 吸收无功则要调节θ为负值，则图6 中R1,C1 的星形联接宜改R1,L1。4) 为进一步减少由开关元件T 管的开关损耗，提高SVG 运行效率，理想的办法是使用软开的技术。此外上述控制，宜进一步通过试验装置的实验，为工业实现打下基础。
参考文献
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