（电力系统及其自动化专业论文）h桥级联式sssc主电路拓扑分析及控制策略研究.pdf

摘要 a b s t r a c t s 枷cs y n 幽n o u ss e r i e sc 蚴p e l l s a t o “s s s c ) p l a y s 锄i m p 叫锄tr o l ei ni m p r o 啊n gt l l e s y s t 锄s t a b i l i t ya n di l l c r e 勰i n gt i l ea v a i l a b l e 咖s f 酹c a p a b i l i t yf o rt 1 1 ep o 、v e rs y s t 锄t i i s d i s s 豇倒o i l ，湖b i n 抽gw i 廿lm en a t i o n a ln a t u f a la n ds d e i l c ef 饥m d a t i o no f c h i n a ( s t i | d y m o d u l a t i o np n c i p l eo fs s s cb a s e do nn o n o n i l o p r o n a la 柑i n 砒e s 锄dr e s a i f c ho nt l l e b a l a l l c eo f d cv o l t a g c ) ，d 唧l ys 眦i e do nt h em a i l ic i r c u i t m a t t l 啪a t i c a lm o d e l s ，m o d l l l a h o n s 打a t e 百鹤a n dc o n n d lm e t l l o d s 锄ds o t h em a i nt o p o l o g yr e s e a “i hi st l l e 矗m d 撇e n t a l 如r 锄a l y 西n gt l l ec h a r a c t e r i s t i co f h 埘d g cc 雒c a d es s s c t 1 l i sd i 跖e r t a t i o no o f n p a 捌s o m ed i 虢彻1 tc o u p l c dc i r c u i t sa n d m o d e so fc 0 衄e c t i o no fi n v a t e r ，孤dc o n c l u d e dt h a th b r i d g ec a s c a d et o p o l o p i sa p p l i c a b l e f o rm es s s c a l s ot l l ec o n c e p to fh n p e d a n c ec 0 m p e n s a d d o m a i l l ，锄dq u a s i s t e a d y m 劬锄a 廿c a lm o d e lo fo u t p u tv o l t a 霉ew e r eg i v e nf i r s n y b 船e d 伽m e s ew o d c am c t l l o df o r s e l c c t i n gt l l ed cc a p a d t a i l c ew a sd e d u c c d a l s on l el a 增e - s t 印d y n 锄i cp h a s o r 如州do f h b f i d g cc 私c a d es s s cw a se x p l a i n e d m o d u l a d o ns 跏e 画e si se l 锄a l t a r yf b ra 出e “n gt l l es s s cc o n h d l 矗删o n b a s e d 伽 t l l en r t h o g m a lk lc o o r d i n a t o rm l l l t i 1 e v e ls v p w m ，觚i m p r o v e di i n ev o l t a 2 e m o d u l a t i 蚰m e t h o dw 恤c hi sm o r ec o n c i s ea n dd “l e dw a s 西v 钮a i l d 锄i m p r o 删s i n m e p h a s em o d u l a t i o na l g o r i m mf o rs ”砌鲥c a ls y s t 锄a n dag e n 训i z o dm o d u l a t i o nm c t h o d 衙 t 1 1 f e ep h a s e 删：l s ”i l 】m e 缸c a ls y s t e mw e r ep r o p o s c d a l s ot h ec o n c e p to fp w ms t a t i c m o d u l a t i o n 锄r ( p w m s m e ) w 鹞f i r s t 西v e l l t h ec a l c l l l a t i o fp w m s m ew 鹤d e d u c c d q u 锄t i t i v e i ya n d t h eh 猢o n i cf e 殍1 l 喇t i e so fd i s 嫡b u t i o no f h - b r i d 窘ec a s c a d es s s cb a s e do n c a r r i e rp h 嬲e - s t l i n i n gs p w mw 勰趾a l y z c dd e t a i l e d l y t h eb a l 锄c ea n ds t a b i l i t yo f d c p a c i t o r v o l t a g ea r ed e c i s i v ef b rt 1 1 en o 咖a lo p e 瑚舡o f h - b r i d g cc 嬲c a d c ds s s c h lt h i sp a p c r ，t l l em e c h a l l i s m so fi m b a l 趾c ea 1 1 di n s t a b i l i t yo fd c v o l t a g e sa r eq u a l i t a t i v e l ya n a l y z o d 丘蛳t l l ea s p e c to f 衄e r g yd i s 缸b u t i o n 锄dg e t t i n gt l l e c o n c l u s i o 璐t h a tm em a i n c i r c u i tp 硼锄e t e 倦，d cv o l t a 驽ev a l u e 觚dm o d l l l 砒i o ns t 阮t c g ya l l c a na 仃b c td cv o l t a g e sb a l a n ：o nt h eo m e rh 锄d ，t l l ea c 咖u l a t i o fe i l a 譬yi m b a l a i l c ea n d t l l ee f r o ro f d c t e c t i o nc a nf e s i l l ti l ld cv o l t a g e si n s t a b i l i t y a c c o r d i n gt 0t | l ei d 鼯o f h i e r a r c h y c o i l 仃d l ，t h e 叮h r l i n e so fd e f 抽c c c o n 打o ls b e g yo fd cv o l t a 窖鹤b a l 姐c e 柚ds t 曲i l i t y w 舔6 培tp r o p o s e d ，w h i c hc o n s i s t so fm o d u l a t i s n 砒e g yc a l l e dc m d c b s w m 锄d s t a b i l i t yc o n o ls 打a t e 缈 a l s ot h ec o n 打o is 嘲e 西e so fc o n s t a n tr e s i s t 孤l c ca n dc o n s 觚p o w e rw i lt h eo u t p u t f i l t e 塔a n dw i t h o u tf i l t e 埽w e r ed e s i 辨e du n d e rt h en o 眦a lo p 剃叫c o n d i t i o na n d 址m 咖a l o p e 瑚t i o nc o n d i t i o n as e 鲫ta n dv a r i a b l es t m c t i l f eb a n g b a n gc o n t r o l l 盯o fs s s cw a s 西v e nf o rt 他s y s t c i i l 仃a n s i e n ts ta _ b i l i t y s i m u l a i i o ns h o w st l l a ts s s ch a s 趾a d v a n t a 擘r co nt t l e e 圩b c t so fp o w 盯o s c i l l a t i o nd 锄p i n 辱a n dt h es p e c dd i 行蝴l c e 锄dm ep o w 盯o fl i n e 勰t l l e i 1 1 p u ts i g 皿a lw e r es i m u l a t c d a tl a s tt h es e l f - e x c i t a t i o ns t a n l l pc h a r g ee i l c r p s 仃a t e g yo f h - b r i d g ec 舔c a d es s s cw e 西v e na l t h es m a l ls t 印r t d ss i m u l a t i o nm o d e lo f h 小r i d 盛ec 豳c a d es s s cw 鹤f i r s ts e tu pi nt h e s t a n d a r df o i | rm a c h i n e s 粕dt 、v 0 撇s y s t e m s s o m ek e yt c c h n i c a lp r o b l e m so fs m a t ls t e p s i l i l u l a t i o nw e r ep o i m e do u t a l s ot l l ep r o t o t y p eo fs s s c 砸i n gt t l e 删v e r s a ic o n v e n e rw 勰 b u i l t ，柚dt h ec o n t m l l e ro fs s s c 、v 鹤r e a l i z e dl l s i n gt l l ed s p 柚df p g a n ec x p e r i m e n t a i r e s u l t ss h o 、v nt l l ec o r r e c t n e s so f t l l ec o n 汀o lm e t h o d sa n dm o d u l a d o ns 蚴e 西e s k e yw o r d s ：s s 8 c ，h b r i d g ec 嬲c a d e ，m u l t i l e v e ls v p w m ，d cv o l t a g eb a l a n c c ，r 1 d s u 声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文h 桥级联式s s s c 主电路拓扑分析及 控制策略研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 位# 密的学 作者签名： 日期：兰堑：兰 华北电力大学博士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第一章引言 电力工业关系到国民经济发展的命脉。在“西电东送，南北互供，全国联网”的战略 目标指引下，我国正在形成以三峡系统为中枢，东北、华北、华中、西北、川渝和山东 电网，长达数千公里的交流联网；华中与华东、南方电网的直流互联电网。随着电网规 模的日益扩大，电力工业将面临着许多新的机遇与挑战。其中主要技术包括：长距离输 电的安全稳定问题，交直流混合输电问题，区域间低频振荡问题，特高压技术【l 】，提高 现有电网输送能力的问题等。可见，世界电力工业的难题在中国，世界电力工业发展的 机遇及原动力同样在中国。面对这样一个极其复杂的巨大电网，取得具有我国自主知识 产权的电力系统相关科学技术，成为了摆在我们面前的一项重要任务。通过近年来几起 重大电力系统故障的分析总结，广大电力工作者已经认识到，在加强电网结构建设的同 时，还应采用一些先进的调控手段。其中柔性交流输电技术( f l c ) 【i b l ea c1 船n 锄i 豁i o n s y s t e m ，f a c t s ) 是其中的一种重要控制手段【2 】。f a c t s 控制器分类口】如图1 1 所示，按 与系统连接方式可分为并联型、串联型及混合型这三类，其主要技术依托是电力电子技 术，运用电力电子技术可以将各种能源高效率地交换成高质量电能【4 】，实现节能、环保。 电力电子技术已经成为弱电控制与强电运行之间，信息技术与先进制造技术结合，传统 产业实现自动化、智能化、节能化、机电一体化之问的桥梁。 图1 1f a c t s 控制器分类 第一章引言 静止同步串联补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o l l ss c r i 鼯c o r n p e 璐a t o r s s s c 或s 3 c ) 是一种串 联在线路中的f a c t s 装置，其注入电压几乎是正弦波形，可以灵活改变幅值及相位， 并且其注入电压与线路电流正交，小部分注入电压与线路电流用以补偿逆变器的损耗， 大部分注入电压在串联线路中起到容性或感性阻抗的作用嘲，其基本原理如图1 2 所示。 一k 一 b h f = ”。十 ；k i js s s c ： l 豆； l 码i l j l j 图l - 2 s s s c 原理示意图 c i g i 也1 4 研究委员会的定义为：“一种串联联接的g 1 o 型换流器，用以注入可控电 压。注入的电压与电流成9 0 度”。s s s c 可以通过控制串联电压来控制线路阻抗，进而 有效的进行系统控制，具有优良的稳态及动态性锹6 】。同常规补偿装置相比，s s s c 主 要具有以下优点： ( 1 ) 可不必采用任何交流电容器或电抗器在线路内产生或吸收无功功率； ( 2 ) 可在同一电容性和电感性范围内，与线路电流大小无关地产生可控的补偿电压； ( 3 ) 对次同步谐振( s s r ) 及其他振荡现象具有一定的抗干扰能力； ( 4 ) 接入储能装置后，可对线路进行有功和无功补偿( 增大或减少线路功率，甚至可使 其反向流动) ，每单位容量可以产生正负两个单位的补偿值，以与线路串补度无关地维 持r 的高比值； ( 5 ) 能快速或几乎瞬时地响应控制指令； ( 6 ) 具有适应单相重合闸时非全相运行状态的能力； ( 7 ) 冷却系统绝缘要求低； ( 8 ) 设备布置在地面上，运行及操作可以直接观察，并且技术服务比较方便。 c i g r e 从对电力系统作用的角度，对f a c t s 设备控制能力进行了分析，分析结果 如图1 3 所示【刀，图中表明s 似r c o m 对电压控制作用最强，u p f c 对各方面都有很强 的控制作用，而s s s c 对于潮流控制及暂态稳定的控制能力都很强。 可见，s s s c 具有的优越运行特性和目前其他串联补偿装置不具备的应用柔韧性， 对于提高电网的稳定性，增强传输能力具有重要意义，是建设“一强三优”现代电网，保 证电网坚强的一种先进的f a c t s 设备。s s s c 必将成为未来解决电网安全性及可靠性问 题的重要手段之一，所以当前必须对s s s c 技术的发展给予足够的重视。 2 华北电力大学博士学位论文 图l - 3 各种f f 虻t s 设备对系统影响的强弱 开展s s s c 相关领域的研究工作，不但在技术上，而且在我国电网的实际需求上都 具有辐射性。但是，当前在s s s c 的研究中，国内外研究者大多局限于提高输电能力、 抑制次同步振荡等功能性探究上，其具体装置内特性研究往往论及不足，而且s s s c 应 用在输电系统这样的高压大容量场合( 兆瓦级以上) ，电气环境复杂，尤其是谐波、三 相不平衡、系统扰动等问题对其影响较大，对器件及装置控制策略要求较高。因此，s s s c 的主电路拓扑、底层调制算法、控制策略成为了装置是否能够成功运行的关键问题，同 时也是制约s s s c 发展的主要原因，目前亟待解决。 根据国外近几年f a c t s 技术的研发及工程实践口】，基于h 桥级联式多电平电压源逆 变器( v s i ) 的f a c t s 装置将会成为f a c t s 技术发展的主导方向。随着我国电力系统 及电力电子技术的快速发展，在输配电网中采用基于h 桥级联式多电平v s i 主电路结 构的e a c t s 设备是电力系统的一个发展趋势，而s s s c 作为一种串联补偿设备因其自 身特有的优点，必将成为未来电网串联补偿的一个重要发展方向，因而深入研究s s s c 的主电路拓扑及控制策略对于电网安全、稳定、优质、经济运行有重要的理论及实践意 义。而且。通过对它的研究可以推动电力电子新技术在电力系统中的应用，促进我国电 力电子产业的快速进步。 本文研究力图为s s s c 技术走向实用化奠定理论基础，并能直接应用于s s s c 设备 的设计及制造中。为电力电子技术在电力系统中的应用提供一个桥梁，进而促进我国的 柔性交流输电技术的发展，为参与国际竞争、迈向世界前列做出贡献。 综上所述，开展针对s s s c 主电路拓扑分析及控制策略这两方面问题的研究具有十 分重大的理论及现实意义。本论文的研究工作是在国家自然科学基金的资助下展开的， 项目名称：基于非正交坐标系s ，w m 的s s s c 调制原理与直流电压平衡方法研究( 项 目号：5 0 5 7 7 0 2 4 ) 。 1 2s s s c 主电路拓扑及数学建模研究现状 主电路拓扑及数学模型对于s s s c 的运行及分析至关重要。不同的主电路拓扑将对 3 第一章引言 应不同的数学模型，不同的分析用途采用的数学模型也有较大的不同。下面将针对主电 路拓扑及数学模型这两方面内容对国内外的研究情况进行介绍。 1 2 1s s s c 主电路拓扑研究方面 从目前的文献中可以看出，s s s c 可采用的主电路拓扑多种多样，包括传统的三相 桥结构、多重化结构及多电平结构等。上世纪九十年代末最早提出了s s s c 的概念【阳【9 】， 并给出了基于多重化结构s s s c 的基本运行原理及稳态情况下的数学模型。文【l o 】基于 4 8 脉动换流器设计了s s s c 的控制系统并给出了电磁暂态分析模型。文 1 1 】同样是基于 多重化结构给出了s s s c 的e m ，1 1 p 仿真模型。文f 1 2 】提出了一种基于h 桥级联式结构无 耦合变压器的s s s c 主电路拓扑，并给出了相应的仿真实验结果。文【1 3 】基于电流源三 相桥逆变器设计了s s s c 的主电路，控制算法及电磁暂态数学模型一并给出。文 1 4 】基 于二极管箝位式多电平主电路结构，给出了s s s c 阻尼次同步振荡的数学模型及控制算 法。根据以上文献，s s s c 的主电路拓扑多采用多重化及多电平两种结构。 虽然采用变压器多重化的方式可以提高装置容量、降低输出谐波，但这种方式有着 自身难以克服的缺陷：变压器的铁磁非线性特性给控制器设计带来了很大的困难，也是 引发装置故障的重要原因，变压器非线性对装置特性的影响包括：连续运行时变压器饱 和引起过流，逆变器脉冲封锁后变压器非线性导致逆变器侧电压波形畸变、直流侧电压 上升引起直流侧过电压保护动作；使装置增加5 0 左右的损耗和4 0 左右的占地面积 同多重化结构相比较，多电平结构更适合类似s s s c 这类高压大容量f a c t s 设备的 应用。从目前的研究来看，多电平结构主要分为箝位型及级联型两类i 同，箝位型又包括 二极管箝位式及飞跨电容式两种，级联式包括相同模块级联式及混合级联式。 ( 1 ) 二极管箝位式( d i o d c c l 撇p e d ) 多电平逆变器，如图1 4 所示。直流侧电 容电压的平衡是这种主电路结构的主要问题。 图l 一4 二极管筘位式多电平逆变器 4 华北电力大学博士学位论文 ( 2 ) 飞跨电容多电平逆变器，如图1 5 所示。由于存在大量的钳位电容装置体 积较大，而且可靠性差。 图l - 5 飞跨电容式多电平逆变器 ( 3 ) h 桥级联多电平逆变器，如图1 6 所示。可采用y 型和联接成三相系统， 直流侧电压可以相同也可不同 垤v c 图1 6 h 桥级联式多电平逆变器 h 桥级联式结构自从彭方正等学者提出以来【悯，已经成为目前工业应用比较成熟的 f a c t s 装置的主电路接线方式，a l s t o m 公司【1 7 1 8 1 及清华大学联合许继【1 明相继研发 生产出了基于此种主电路拓扑的s 1 = f 盯c o m ，并在现场投入使用。同其他主电路拓扑相 比，此种结构具有方便高压大容量设计、冗余性好、便于模块化、分相控制、有利于运 行及维护等优点，并且避免了采用多重化变压器，从而减少了占地面积，降低了装置成 本。但目前还没有针对h 桥级联式s s s c 详细分析报导，特别是一些相关参数的确定、 耦合变压器的选取、调制策略、直流侧电压的平衡等问题还有待于进一步的研究。目前 一种具有电压自平衡功能的主电路拓扑也受到了人们的关注【硎。 5 第一章引言 1 2 2 关于s s s c 数学建模的研究 f a c t s 装置数学建模往往基于主电路结构，数学模型精细程度与所研究的问题密切 相关。由于目前关于s s s c 的相关问题的研究从系统分析一直到电磁暂态仿真，所以其 数学模型也包含了稳态数学模型、潮流计算模型、电磁暂态数学模型、机电暂态数学模 型等。文【9 】分析了s s s c 的稳态功率传输特性，并与t c s c 进行了对比分析，给出了可 以描述s s s c 工作原理的稳态数学模型。文【2 l 】将s s s c 等效为电压源建立了包含外接 电力系统的潮流计算模型。文【2 2 】基于三相桥加耦合变压器的主电路拓扑建立了s s s c 的详细电磁暂态数学模型，并分析了不同补偿电压下的功角曲线。文 2 3 】采用h 桥级联 式结构建立了s s s c 的电磁暂态仿真及实验模型。 除了对s s s c 本身模型的讨论外，目前关于h 桥级联结构f a c t s 装置数学模型及 其相关问题的研究也是一个热点。文【2 4 】通过f o u r i e r 分析得到了h 桥级联式s v g 直流 电容的二次谐波分量表达式。文【2 5 】建立了基于h 桥级联式结构的s v g 动态模型，并 给出了有功无功解耦控制策略。文 2 6 】给出了级联结构s t a t c o m 的小信号数学模型， 并据此设计了控制策略。 从现有的研究成果可以看出，对于s s s c 的准稳态( 或稳态) 模型的研究主要集中 在s s s c 在系统中的表现方面( 如潮流控制等) ，但对装置本身的特性的研究还不够深 入。特别是对于在h 桥级联式主电路拓扑下s s s c 的补偿能力及考虑直流电压波动后的 装置的准稳态数学建模方面，目前还没有相关报道，但两者对装置的运行、分析及参数 的选择至关重要。另外，对于电力电子技术普遍采用的动态相量建模不仅可以实现对系 统特性的精确描述，而且还能节约计算时闻，但s s s c 的动态相量建模目前在国内外还 是空白 13s s s c 控制技术研究现状 s s s c 的控制策略总体上可以分为三个层次，即上层系统级功能控制、中层装置级 功能控制、底层器件级调制策略。具体结构如图1 7 所示。 中层底层 上层 八 卜 扒 l 系统级功能控制 装置级功能控制 = | 器件级调制策略 l 功率1 电流电压w 阻启 输出直流电压 y p w m 抗动电压稳定 图1 7s s s c 控制系统总体结构 上层控制决定s s s c 在所处电力系统中作用的控制环节，也就是决定s s s c 的最终 控制功能的环节，根据需求可分为功率控制、电流控制及电压控制等。本环节的输 入量为系统的一些状态参数电压及电流等，输出为中层控制的参考值如阻抗、电压 等。 6 华北电力大学博士学位论文 中层控制是决定s s s c 装置本身控制参数的环节，主要包括阻抗控制、启动控制及 直流侧电容电压稳定控制及逆变器输出电压跟踪控制等。本环节的输入量为上层控 制给定的参考阻抗、电压、直流侧电容电压等，输出量为底层控制的参考调制信号 及装置的断路器开关动作信号。 底层控制决定s s s c 中电压源逆变器( v s i ) 开关器件动作指令的控制环节，可根据 需要采用s v p w m ，载波移相s p w m 及阶梯波调制等。本环节的输入为中层控制生 成的参考调制信号，输出为各个开关器件的p w m 脉冲。 s s s c 在电力系统中的作用主要通过上层控制来实现，目前关于s s s c 的控制算法讨 论较多。文【2 7 】给出了s s s c 控制系统的几个基本的环节，包括功率控制、直流电压控 制、保护、锁相等。文中以p i 控制为主。文 2 8 】基于4 8 脉动多重化结构的s s s c 设计 了改进的恒阻抗控制器，采用阻抗闭环的控制方式。文 3 】指出了s s s c 的基本控制目标 包括直接或问接控制电流或参考阻抗或输出电压直接功率控制的好处是通过闭环控制 保持线路传输功率，但在某些情况下，保证线路传输功率为定值有时是不可能的或是不 必要的，从运行的观点来看，通过阻抗控制保证线路的阻抗特性将会更好。其控制策略 与【2 8 】相同。文 2 9 】直流侧采用贮能装置给出了s s s c 的滑模模糊控制器。文【3 0 】利用近 似线性化的方法，设计了单机系统及多机系统下的s s s c 阻尼振荡控制器。文【3 l 】基于 如理论设计了s s s c 的阻尼s s r 控制器。文 3 2 】给出了一种智能积分式s s s c 控制器。 文【3 3 】设计了有功及直流电压两个控制环，提出了m i m o 控制器，并具有参数预补偿功 能。文 3 4 】对s s s c 在串联固定电容补偿线路中的作用进行了分析，提出了一种串联电 容线路中s s s c 控制器，用来阻尼由串联电容引起的次同步振荡文【3 5 】建立了7 s s s c 的三阶动态模型，利用直接反馈线性化方法设计了s s s c 的非线性控器，提高了系统控 制的鲁棒性。文 3 6 】设计了一种基于非线性最优理论的s s s c 控制器。 从目前的研究来看，关于s s s c 的系统级控制主要集中在基于非线性控制、毗等高 级控制理论在s s s c 中应用的研究上，着力解决s s s c 阻尼次同步振荡及低频振荡问题。 中层控制是s s s c 装置本身输出参数的控制，对于h 桥级联式s s s c 主要是指对h 桥级联结构的参考输出指令的控制。文 1 2 】给出了h 桥级联式结构控制算法，但只有直 流侧电容电压的控制策略。文【2 6 】对h 桥级联结构s 似r c o m 的控制系统进行了设计及 分析，主要思路为先得到数学模型，再进行小信号分析，然后计算传递函数，最后根据 b o d e 图分析p l 控制参数。h 桥级联式主电路结构在动态电压调节器( d t ) 中有着普 遍的应用文【3 7 】采用比例控制设计了一种h 桥级联式d v r 的控制策略。【3 8 】一书中给 出了典型s s s c 控制系统应完成的功能：引入所需串联电抗补偿( 容性或感性) ； 阻止功率振荡并提高暂态稳定性；控制s s s c 补偿线路中的电流。文【3 9 】提出了一种 适用于f a c t s 的单相自适应p l l 算法。但以上文献没有具体分析h 桥级联式s s s c 单 相瞬时值控制策略。 对于h 桥级联结构，直流侧电压的平衡及稳定控制是研究的重点及难点。文 4 0 】 4 l 】 7 第章引言 对于载波移相s p w m ，从仿真实验及数学模型两方面分析了直流侧电容电压不平衡问 题，认为“混合型损耗差异、并联型损耗差异以及脉冲延时”是造成直流侧电容电压不平 衡的根本原因。提出了不平衡与能量的关系，但没有从根本的能量交换原理上解释电容 电压不平衡问题。文【4 2 】【4 3 】认为直流侧电容功率交换不均衡是导致电压不平衡的根本 原因，并针对梯形波调制给出了相应的直流侧电容电压平衡方法。其中，文 4 2 】根据功 率交换的情况计算触发角。文【1 2 】通过选取不同的直流电容及调整每个h 桥的触发角来 平衡直流电压。文【4 3 】 4 4 】采用的是一种脉冲轮换方式平衡直流侧电压，应用于无功补 偿要对每个h 桥分别控制，但较难实现，而应用于有源滤波采用脉冲轮换方式后，只需 控制1 个h 桥的直流电压。文【4 5 】【4 6 】采用的是一种外加直流电容电压控制装置的方法 来保持直流电压的平衡，但这种方式会增加装置的造价及复杂程度。文 4 7 】采用了一种 新型的主电电路结构及相应的调制算法来平衡直流侧电压。文 4 8 】针对1 5 0 h z 优化p w m 采用脉冲轮换换位的方式控制直流侧电压的平衡。从上述文献中可以得出，对于级联式 主电路结构s s s c ，其直流侧电压要从稳定及平衡两个层次来分析并设计不同的控制策 略，而且目前还没有针对多电平s v p w m 方式下的直流电容电压稳定及平衡策略的研 究 s s s c 的启动控制也是在s s s c 的研究中必须面临的一个问题，也是s s s c 投入实际 运行的关键技术问题。文 4 9 】提出了s t a t c o m 的三种启动方式，自励、半自励及他励 启动，并设计了他励整流启动器。由于s s s c 是串联型设备不存在s m 玎c o m 自励启动 过程中的过电流问题，可以考虑采用自励启动策略，这样可以省去启动整流器，降低投 资。文【5 0 】给出了s s c ( d v r ) 的自励充能策略，由于s s c 的工作原理等原因，在充能 的过程中其要消耗较多的无功功率，并会导致负荷电压有一定程度的下降，而且其充能 是要经常进行文 5 l 】针对三相桥结构s s s c 给出了电容自充电策略。 综上所述，目前对于h 桥级联式s s s c 控制系统的研究主要体现在系统级控制方面， 而装置本身的控制策略研究的不多，所以本文将在这方面进一步开展研究工作。 1 4s s s c 底层调制技术研究现状 底层调制技术将直接控制s s s c 中电压源逆变器( v s i ) 开关的动作，无论控制算法 得到的结果如何，都必须由调制技术驱动逆变器来实现。可见，调制是输出指令的最后 一关，它的性能将直接决定着装置的特性。图l - 8 为高压大容量f a c t s 装置中v s i 所 采用的调制策略分类图，从图中可以看出，f a c t s 装置的调制策略与其主电路结构密切 相关。对于采用多重化结构的s s s c ，如文【8 】【1 0 】 1 1 】，大都采用阶梯波调制；多电平结 构，如文 1 2 1 4 】，可采用阶梯波调制，也可采用载波移相s p w m 调制或多电平s v p w m ； 开关器件串联方式三相桥结构采用s p w m 或s v p w m 。 华北电力大学博士学位论文 图1 8 高压大容量f a c t s 装置调制策略 对于目前普遍采用的多电平主电路结构，文【1 5 】系统的论述了目前所采用的主要调 制方法，阶梯波调制也可分为查表方式的触发角计算方式，也可以称为选择谐波消除阶 梯波调制，在线计算触发角的调制方式【捌 多电平s ，w m 技术由于具有直流电压利用率高、开关损耗小等优点成为了目前研 究的热点。传统多电平s ，w m 计算复杂，当前广大研究者在其简化算法方面作了大量 的工作文 5 3 】提出了一种多电平s v l ，w m 实现的快速算法，并指出开关状态的选择要 考虑直流电压平衡等相关因素。由于采用欧几里得坐标系使时问计算复杂，开关状态的 选择也没有详细说明。文【5 4 】提出了一种基于最小开关损耗的开关状态分配方法，主要 思想是在电流峰值处让某一相开关不动，从而减小了3 0 左右的损耗。在开关频率较高 的时候效果比较明显。文【5 5 】提出了一种改进的多电平s v p w m 算法，不需要查表、三 角函数、坐标变换等运算，算法简便，但对脉冲最终生成这方面的考虑较少。文【5 6 】提 出了一种基于d q 坐标系的计算方法，可以生成每相电压状态，算法便于生成触发脉冲， 但计算较复杂。文【5 7 】提出了基于最小能量准则的选择冗余矢量来平衡直流电压的原理 及方法，但并没有说明具体的矢量选择方法及如何选择动作开关。文 5 8 】采用了一种 3 d s v l ，w m 方法，适用于有三次谐波及三相不平衡的情况。采用优化开关序列前半周期 正序，后半周期反序的方法来减少开关动作次数。文【5 9 】建立了一个基于6 0 度坐标系的 空间矢量调制算法，文中详细分析了空间矢量与开关状态的关系，并提出了一种大小开 关状态轮换选择的开关策略选择方法。主要分为四步：平均、大小开关状态的确定； 逆变器输出电压的开关状态效果；开关状态的选择；开关序列的设计，其中开关 序列的设计要复杂一些，文中也没有详细说明。文中主要是从减少谐波这个角度出发的。 文 6 0 】同样论述了冗余开关矢量的选择问题，指出了选择应依据直流电压及器件的负荷 平衡综合考虑。但文中也没有给出具体的选择方法。文 6 l 】指出了级联h 桥在某些单元 损坏时的脉冲分配方法。文【6 2 】提出了一种基于两电平的s v p w m 矢量选择优化方法， 综合考虑了减少谐波及降低开关损耗这两方面因素。文 6 3 】将开关矢量进行了分类，并 定义了各开关矢量的长度，而且还明确了选择冗余矢量的原则，其原则中考虑了中点电 位的平衡，但其针对二极管箝位式多电平。文中还考虑到了最小脉宽的限制问题，引入 了中点电位控制因子来合理分配零矢量，指出中点电位波动的周期为电源周期的l 3 。 9 第一章引言 文 6 4 】总结了国内外s v p w m 的研究目标，指出“国内外s ，w m 方法的研究目标主要 集中在：等效开关频率最优化，减少开关次数，从而减小开关损耗；限制小脉冲的产生； 平衡中点电位；使输出的波形质量高，谐波小。其中，尤以目标3 最为重要”。主要研 究的是二极管箝位结构下多电平s v p w m ，其基本原理是加入控制因子，根据电流的方 向确定中矢量的持续时间。但这种方法的谐波特性较差。文【6 5 】指出了“采用电压空间矢 量p w m 方法时，需解决3 个问题：能简单、快速计算出各控制周期中所有输出电矢量 及其作用时间，对各电压矢量具有的大冗余开关状态进行优化选择，对计算得到的 关状态进行综合处理，实现p w m 脉冲的输出”文中所提出了线电压坐标系统的思想， 是一种基于6 0 度坐标系的多电平s v p w m 。文中给出了一种大小矢量轮换选择的方法。 但文中对冗余矢量选择优化的目标还不是很清楚。另外，文中没有说明冗余开关脉冲的 选择方法，对于级联式多电平结构，这点尤其重要。 本文将针对以上问题，在以前得到的基于k l 非正交坐标多电平s v p w m 基础上嗍， 提出了改进的多电平s v p w m 算法，并与直流电压平衡控制相结合，形成多电平 c m d c b s v p w m 算法。 1 5f a c t s 实时仿真手段的应用 图1 - 9 r t d s 组成结构图 数字仿真是目前电力系统相关领域研究中不可缺少的工具。r t d s ( r e a lt i m ed i 西t a l s i m u l a t o r ) 是目前世界上技术最成熟、应用最广泛的实时数字仿真系统，它的硬件结构 和软件特点比较具有代表性，作为一种基于d o m m e l 电磁暂态算法及并行处理机制的实 时电磁暂态仿真工具，目前r t d s 正在被国内外电力系统的科研机构广泛应用，包括华 北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，南方电网技术中心，中国 电科院仿真中心，国家电网直流建设公司及福建、山东等省级电力科学研究院，浙江大 1 0 华北电力大学博士学位论文 学、华中科技大学等。r t d s 应用领域主要包括直流输电仿真【螂阳，f a c t s 研究嗍，大 型电力系统仿真【7 0 】，继电保护的测试【7 1 】等。随着轻型直流输电、f a c t s 技术及新能源 技术的快速发展，基于可关断器件的v s i 型装置的研发也越来越受到广大研究者的重 视。r 1 d s 因其处理能力强、实时性好、具有外接控制装置闭环测试功能，逐渐成为了 此类研究的重要仿真工具。图1 9 为典型的r t d s 组成结构图。主要包括仿真运算硬件 平台m 蛇k ，后台软件r s a 如及相关功放等。 。 m s 目前正在应用于国内外e a c t s 装置的研究中，在其后台软件r s c a d 中已经 包含了t c s c 、s v c 、s 1 ：a t c o m 、u p f c 的仿真模型。对于r t d s 的应用方式，可以有 以下几种：一是将实验系统的主电路、外接电力系统及控制器均放在r t d s 中实现，不 需要外接装置，这种方式可以验证核心控制算法及主电路拓扑的正确性；二是在r 1 d s 中仿真外接电力系统及装置主电路，而控制器采用硬件连接的方式，这种方式主要是验 证控制器的有效性，还可以节约搭建装置主电路的费用；三是在r t d s 中仿真外接电力 系统，控制器及f a c t s 设备采用实际的物理装置，由于这种方式需要从物理装置中向 r ) s 返回模拟量，所以可信度有所降低。文 6 9 】研究了t c s c 实际物理装置与r n ) s 连接的方法。 f a c t s 装置的核心设备是由电力电予器件组成，所以r t d s 对电力电子器件的仿真 精度直接决定着仿真准确性r t d l s 为实时仿真设备，在建模时要考虑硬件计算的速度 等问题，而且其算法与e m t d c ，p s c a d 等非实时仿真软件有一定的差异。早先版本的 r t d s 最小步长只能为5 0 脚左右，在r t d s 公司推出g p c 处理器后使得局部仿真步长 可以达到 2 胛，这就大大提高了基于可关断器件f a c t s 装置的仿真精度及速度，但目 前还没有关于这方面应用的相关报道，所以在使用其建立v s l 型电力电子装置的小步长 ( o 时，c = 2 ，丸( f ) = 2 ( f ) 。 可以看出，公式( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 中f o 面盯级数是基于时间变化的量。其单边表示法 更为直观，如使用双边交换形式，对应的各频率时变f o 嘶盯系数则要根据七的取值情况 进行调整。动态相量法仅保留时变f o i l r i e r 级数中相对较大的系数来近似原始信号，将保 留的这些系数对应的相量看作系统变量，即可得到系统的动态相量模型，且可保留原时 域模型的非线性。 动态相量理论有以下两个重要性质： ( 1 ) 动态相量的微分 d ( x k 出= 珊哆( x x + ( a 叫以x ( 2 2 8 ) 为表达方便，省略了式中的时间项。 ，j 嚣 ( 2 ) 乘积的动态相量 ( 刁，) 。= ( x ) 。( y ) ， ( 2 2 9 ) ， 利用公式( 2 - 2 9 ) 可以将复杂的含有乘积的时域信号的动态相量表示成简单信号动 态相量乘积的和。 2 6 2h 桥级联式s s s c 动态相量建模 s s s c 的单相主电路结构如图2 9 所示，在模型推导之前作如下假设： ( 1 ) 逆变器为理想开关组成，并且各h 桥参数完全相同； ( 2 ) 装置损耗及耦合变压器阻抗相对于线路阻抗较小，可以忽略不计： ( 3 ) 耦合变压器变比为l 。 ( 4 ) 调制策略为c m d c b s v p w m ( 将在3 5 节中详细介绍) 。 第二章h 桥级联式s s s c 的主电路拓扑分析及数学建模 2 6 2 1 开关模型 v d c o 图2 1 4 h 桥单元结构图 h 桥级联式结构的基本组成部分就是h 桥单元，如图2 1 4 所示。图中p 蚀为直流 侧电压，s 1 s 4 分别为四个开关管的开关函数( 导通取l ，关断取o ) ，由于s l 与s 2 ， s 3 与s 4 开关状态互为相反，所以可用s 1 、s 3 两个开关函数代表整个h 桥的输出状态 场。具体取值如表2 6 所示。 表2 6 开关函数与输出状态取值 从表2 6 可以看出，场= ( s 3 s 1 )