载波移相调制技术在级联H桥STATCOM中应用.pdf

第 5 0卷 第 6期 2 01 6年 6月 电 力 电 子技 术 P o we r El e ct r o n ics Vo 1 5 0No 6 J u n e 2 Ol 6 载波移相调制技术在级联 H桥 S T A T C O M 中应用 杨有涛 ，彭 国平 ，张普雷 ，郝 硕 ( 特变 电工西安柔性输配电有限公司，陕西西安7 1 0 1 1 9 ) 摘要 ： 从载波移相 ( C P S ) 的原理出发 ， 详细介绍了一种调制波反 向的单极倍频 C P S脉宽调制 ( P WM) 技术在级 联 H桥静止 同步补偿器( S T A T C O M) 中的应用。基于 H桥单元及级联 H桥拓扑 。 详细分析了一个周期 内H桥 功率单元各个 I G B T器件的开关状态、 三 电平端口输出电压波形及实际的功率流状态 。 两个 H桥单元的级联情 况下的叠波状态及五电平端 口输 出电压波形 。 并利用 Ma t l a b仿真软件对单 H桥单元三 电平端口输出电压及频 谱进行分析验证 ， 还对级联 H桥拓扑的五电平端 口输出电压及频谱进行分析验证。 通过搭建试验平台。 对单模 块的三电平及级联模块 的五电平进行测试 。理论分析和仿真验证及测试试验均说明调制波反向的单极倍频 C P S P WM技术在级联 H桥 S T A T C O M中应用的正确性及优越性。 关键词： 静止同步补偿器 ；单极倍频；载波移相 中图分类号： T M 7 1 4 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0 1 0 0 X( 2 0 1 6 ) 0 6 - 0 ( 一 0 5 r h e Ap p l ica t io n o f Ca r r ie r P h a s e - s h if t e d Te ch n o l o g y Us e d in Ca s ca d e d H- b r id g e S TATC0M YANG Yo u t a o，P ENG G u o - p in g，Z HANG P u - l e i，HAO S h u o ( T B E A X i E l e ct r i c T e ch n o l o g y C o ，L t d ，Xi 帆 7 1 0 1 1 9 ，C h in a ) Ab s t r a ct ： T h e p u r p o s e o f t h i s s t u d y is in t r o d u ci n g t h e印p l ica t io n o f a r e v e r s e d mo d u l a t i n g wa v e s in g l e p o l a r d o u b l e f r e q u e n cy ca r r ie r p h a s e s h i f t e d t e ch n o l o g y u s e d i n ca s ca d e d H b ri d g e S T AT COM tho u g h the p ri n c i p l e o f ca r r ie r p h a s e s h if t Base d o n H- b ri d g e a n d ca s ca d e d H b ri d g e t o po l o gy ， i t s p e ci fi c a l l y a n a l y z e e a ch I GB T S s w it ch i n g s t a t e， thr e e l e v e l por t o u t p u t v o l t a g e wa v e f o r m in e a c h H b ri d g e p o w e r u n i t ， t h e a ct u a l s t a t e o f powe r fl o w， t h e s t a t e o f o v e d a p - p in g w a v e s in t wo ca s ca d e d H b ri d g e u n i t s a n d fi v e s t a t e - l e v e l po r t o u t p u t v o l t a g e wa v e f o r ms wi thi n a p e ri o d Th i s the s is ana l y z e s a n d v e r i fie s n o t o n l y the s i n gle H - b rid g e t h r e e - l e v e l p o rt o u t p u t v o l t a g e a n d i t s f req u e n cy s p e ct r u m b u t a l s o the ca s ca d e H- b ri d g e t o pol o g y fi v e - l e v e l p o r t o u t p u t v o l t a g e a n d it s f req u e n cy s p e ct r u m b y u s i n g s imu l a t io n s o f t wa r e ma t l a b Al l the res u l ts ill u s t r a t e the co r r e ct n e s s a n d s u p e ri o ri t y o f t h e a p p l ica t i o n o f t h e rev e r s e d mo d u l a t i n g w a v e s i n gle p o l a r d o u b l e f req u e n cy ca r r i e r p h a s e - s h i f t e d t e ch n o l o gy Ke y wo r d s ： s tat ic s y n ch r o n o u s co mpen s a t o r ；s i n gle pol ar d o u b l e f req u e n cy ；ca r r ie r p h a s e - s h i f t e d 1 引 盲 S T A T C O M采用全控型器件构成逆变电路。 直 流侧 加入容量很小的 电容或 电感元件 。利用瞬时 无功功率理论 ，通过控制 开关器件 的通断时 间和 顺序 实 现无 功功 率 的连 续动 态补 偿 。 同时 ， S T A T C O M 还可补偿 电网三相 不平衡 。 可根据需要 实现输 出从最大感性无 功到最大容性无功 的平滑 调节 ， 具有输出调节响应速度快， 精度高， 输出谐 波含量少 的特 点。 S T A T C O M装置经过多年的发展 具有多种电 路拓 扑和控制方案 ， 主要包括 电容悬浮 型、 二极管 箝位 型和 级联 H桥型 3种。 级联 H桥型拓扑与前 定稿 日期 ： 2 0 1 6 0 3 1 6 作者 简 介 ： 扬 有涛 ( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 甘 肃 天水人 ， 工程 师 ， 研 究 方 向为 电力 电子 技术 及 电能质 量产 品的设 计研发 。 4 两种相 比具有显著 的优 势 主 电路无需数 目众 多 的二极管或直流 电容 ，而是将多个单相全桥 单元 交流输 出侧 串联 。具有 容量大 ，器件 的开关频 率 低 。 谐波含量少和响应快速等优 点， 并且各 单元都 采用模块化的封装方式 ， 便于安装和维修。 级联 H 桥 型 拓 扑代 表 了动 态 S T A T C O M 装 置 的 发 展 方 向。 适用于我国电力系统和现代企业的实际情况。 S T A T C O M 主 电路 中， 开关管 的通 断由控 制系 统发出的 P WM信号控制实现， 对于多电平系统， 其调制方式对于逆变器功率变换 的实现 具有重要 作用，并直接影响输出电压的谐波含量和整个装 置的运行效率。在 S T A T C O M 发展的这二十多年 时间 ， 涌现 出大量 P WM 控 制策略 ， 其 中适用于级 联 H 桥型主 电路结构的 P WM 策略主要有空 间矢 量 调制 ( S V P WM) 、 C P S P WM 和优 化 P WM 技术 。 优 化 P WM 技 术 在 控 制 上 求 解 方 程 组 困 难 ， 载 波 移 相 调 制 技 术 在 级 联 H 桥 S T AT C OM 中 的 应 用 S V P WM 技术 电压 矢量 的选 择和作 用时 间的确 定 都 比较复杂 。 当 电平数较多时不易实现 。 2 调 制 波反 向的单极 倍频 载 波移 相 C P S S P WM基 于 自然采样 S P WM 和多重化 技 术 基本原理为： 各变流单元共用一个正弦调制信 号， 各载波相位相互错开一定角度， 分别与调制波 信号进行 比较 。发 出 P WM 驱 动信号控制 相应 单 元 的开关管通 断。这种 调制 策略通过较低 的开关 频率可得到较 高的等效 开关 频率 ，可 以很好地解 决在大功率应用场合 中开关器件能承受 的电压等 级与开关频率之间存在的矛盾 ， 降低成本 ； 大大减 少了输出谐波含量。 提高了波形质量。 上述优势使 得此调制策 略在 由级联 H桥组成 的 S T A T C O M 系 统 中非常适用 ， 在此选择此调制策略 。 对 个单 元级联 的 S T A T C O M，采 用 C P S S P WM 技术 ， 同相各单元共用正弦调制波 ， 载波相 位依 次错 开 订 ， 。 得到叠加后 总的输 出 ： F T ( t ) ： v C O S ( h ) + ( 半 )s i II ( 半 )c o s m N ( w o+ q o) + ( ) ( 删 ) s i n ( 竹 )c o s ( ) + 凡 ( + h) ( 1 ) 式中 ： cc ， 为调制波角频率 ； 为相位角 ； Q 为调制波幅 值 ； t o 。 为载波角频率 ； ( ) 为 0阶贝塞尔函数； 上( ) 为 n阶 贝塞尔函数。 ) = ( _ 1 ) ( 2 ) ) = ( _ 1 ) ( 3 ) 式 ( 2 ) ， ( 3 ) 表明 ， 叠加后总输 出波形包含 3 项 ： 第 1项只 与 有关 ， 称 为基 波分量 ； 第 2项只 与 。 有关 ，称 为载波谐波 ；第 3项与 和 0 9 。 都有 关 ， 称为边带谐波 。 ( 1 ) =1 ， 可得基波 分量 ： c。= 粤， ( 4 ) ( 2 ) K ： 。 ， 可得载波谐波： G k= ( ) ， 0 ( m Q ) s i n ( 等 ) ， k= 唧 。 ( 5 ) ( 3 ) K= m K 。 + n， 可得边带谐波 ： C k= ( ) ( m ) s i n ( 半 仃 ) ， k= rm p o+ m p h ( 6 ) 当 m+ n为偶数时 s i n值为零 。即边带谐波不 包括 m+ n为偶数次 。引起 失真主要是低 次谐波 ， 且 凡3时 ， ( ) 非常小 ， 可将边带谐波忽 略【 ” 。 通过 以上 的数学分析 可推 出 C P S S P WM 技 术的整机系统开关频率相对单个 H桥单元提高 倍 。对一个单元采用 单极倍 频调制策略可将开 关频率提高为开关器件的2倍。因此，采用级联 H桥 的 C P S S P WM 方法 。既可提高 S T A T C O M 装 置 的功率等级 。也对功率器件 的开关频率没有那 么高要求 。并且可 以方便地 引入先进 的控 制策略 以优化整个系统的性能指标。上述可以通过采用 主 控 系统 的 D S P与模 块功 率 单元 的 F P G A 相 结 合的控制方式得以实施。 首先假定级联的 H桥功率单元的开关频率为 2 5 0 Hz 。在 直 流支撑 电容 电压 为 1 7 0 0 V 的条 件 下 ， 基于 H桥单 元及级 联 H桥 拓扑 ， 详细分 析一 个 周期 内 H桥 功率单元各个 I G B T器件 的开关状 态、三电平端口输出电压波形及实际的功率流状 态 两个 H桥单元的级联情况下的叠波状态及五 电平端 口输 出电压波形 。 2 1 H 桥 功 率 单元 工 作 原 理 图 1为 H桥功率单元 的基本结构。主要 由直 流 支撑 电容 、 4个 并联 反 向二极 管 的 I G B T构 成 。 其 中直 流支 撑 电容 电压 为 E； a 。 b为交 流输 出端 口。 通过控制策略改变功率开关 的通 断组合方式 ， 使其输 出幅值和频率均可控的交流 电压 。 图 1 H桥功 率单元 F i g 1 H- b r id g e p o w e r u n i t 由于 每个 H 桥 功 率 单 元 有 4个 I G B T 开 关 管 ， 每个开关管有 2种工作状 态 ， 在 同一桥臂开关 管不 同时 ， 输 出共有 4种 状态 ， 如表 1所示 ， v 。 和 v 4 同时导通 时 ，输 出为 E； V 和 V ， 同时导通 时 ， 输 出为一 E； V 。 和 V ，( 或 v 2 和 V )同时导通时 ， 输 出为零 ，规定从交流 端 口 a流 向端 口 b的电流方 向为正方 向。 表 l开关 器件对 应的 开关状 态 Ta b l e 1 S wi t ch in g d e v ice a n d s wit ch in g s t a t e 开关器件 V V ， V 开关状态 1 0 1 0 1 开关状态 2 0 1 1 0 开关状态 3 1 O 0 1 开关状态 4 1 0 1 0 5 第 5 O卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 电 力 电子 技 术 P o w e r E l e ct r o n ics Vo 1 5 0，No 6 J u n e 2 0 1 6 2 2调 制波 反 向的 单 极 倍 频 调 制 技 术 以调制波反 向为例 ，将调制波 与三角载波 相 比较 ， 若 U r U t ， 则 M ， 为高 电平 ， V， 导通 ， 同一 桥臂的 V 则关断； 同理， 将一 M 与 比较形成 ， 驱动 V ， V 的状态始终与 V ， 相反。这样 ， 各开关 器件 的驱动信 号在 一个三 角载波周期 内状态转换 两次 ， 使得开关器件虽然只动作一次 ， 但总输 出电 压 却有两次脉 动 ， 如 图 2所 示。这也是单极倍 频 的 由来 即输 出电压波 形的脉动频率两倍于器 件 的开关频率 。 这样就提高 了等效开关频率 ， 可有 效降低开关损耗 ， 提 高波形质量 。 h ； 1 i H H 卜 1 一一 一 ； ； ； ! j 图 2 单极倍频调制原理 F ig 2 S in g l e p o l a r d o u b l e f r e q u e n cy mo d u l a t in g p ri n cip l e 假 定所在工作条件 为 i ， 则 ： 为 高 电平 ， 控 制开 关 管 V ： 。导 通 ， 同一桥臂的 V 则关 断 ； 同理 ， 将一 与 “ 比较 形成 ， 驱 动 V ， V 的状态 始终与 V 相反 。这 样 ，各开关器件 的驱动信号在一个三角载波 周期 内状 态转换两 次 ， 使得开关器件虽然 只动 作一次 但 却有两次脉 动。 2 5 两个 H 桥 级 联 的 开 关 状 态 分 析 两个 H桥单元级联 。 第 1个 H桥单元单极倍 频调制的 出 ，与第 2个载波移相角度为 9 0 。 的 H 桥单元单极倍频调制 的 相叠波 ， 产 生五电平的 叠波 电压 。在叠波过程 中， 当两个 单元 的输 出 电压 同为 E时 ， 则输 出 电压 为 2 E； 当两 个单元 的 输 出电压 同为一 E时 ，则输 出电压为一 2 E；当两个 单元 的输 出电压 同为 O时 ， 则输 出 电压为 0 ； 当两 个单元 的输 出电压分 别为一 E和 0时 ， 则输 出电压 为一 E；当两个 单元 的输 出电压分别为 E和 0时 ， 则输 出电压为 E。 3工作原 理 分析 3 1 O， 电容 放 电及 续 流 过 程 如 图 2所示 ， 当 i O。 电容 放 电及 续 流 过 程 开关状态为 2 ， V 。 一 v 4 依 次为 0 1 1 0 ， U ab ： - - 一 E， 电 流的正方向依次流过 V ： ， E， V ， ，负载的电流处于 放 电状态 。 开关状态为 1 ， V l v 4 依 次为 0 1 0 1 ， u - b ： 0， 电流 正方 向依次流过 V ： ， V D ， 负载电流处 于续流状态。 开关状态 为 2， V 。 一 V 依 次为 0 1 1 0 ， , ab - 一 E， 电 流的正方向依次流过 V ， E， V ，负载的电流处于 放 电状态 。 3 5负载 电流过零点的续流过程 开关状态为 4， V 。 v 4 依 次为 1 0 1 0， a b = O， 电流 正方 向依次流过 V D ， V ， ， 负载 电流处于续流状态。 3 6 f | 0 0 - 1 幽 ( a ) 载 波移 相 调 制 五电平 k Hz ( b ) 载波 移 相 的 d 电压 与谐 波频 谱 图 9 仿真波形 4 F ig 9 S imu l a t io n wa v e o r l D _ s 4 5 试验 验证 搭建两个 H桥模块级联的测试平台 采用两 个独立的直流 电源 分别给两个级联模块 的直流供 电。采用主控机箱通过两路光纤分别与第 l级联 模块和第 2级联模块的模块控制板进行通讯。模 块控制板 的供 电采用模块 内部的高压取 电电源 。 调整独立 的直流 电源输 出。使得每个 级联 H 桥模 块 的直流供 电达 到 8 0 0 V通过 主控机箱 下 发调制命 令 。 两个模块移 相角设定 为 9 0 。 ， 使得 调 制 比达到 0 8， 与仿 真 的数据 保持一 致 ， 开关 频率 为 2 5 0 Hz ， 与仿真数据保持一致 。 在该开环发波 的 条 件 下测试 第 2级 联模 块 的交 流输 出端 口电压 耐 ，经示波器观 察 ， 其输 出的波 形为标准 的调制波 反 向的单 极倍 频调 制输 出的三 电平波 形 。峰值 8 0 0 V。正负半周输 出的脉冲 数 目分别为 5个 ， 如 图 l O a所示。在该开环发波 的条件 下测试 两个级 联模块两端的交流输 出端 口电压 ，经过示波器 观 察 。其输 出的波形为标准 的 C P S S P WM 叠波 以 后产生的五 电平波形 ， 峰值 1 6 0 0V， 见 图 1 0 b 。 1 f 州 f 1 r ! T t ( 4 ms 格)t ( 2 ms 格) ( a ) u d 端 口 电压 测试 ( b ) u d 端 口电压 测试 图 l O 实验波形 F ig 1 0 E x p e r ime n t a l w a v e f o r ms 6 结 论 从载波移相 的原理 出发 详细介绍 了调 制波 反 向的单极倍频 载波移 相调制技 术 的原理 、 调制 方式 、 数学模型及 一个 周期 内的功率流 状态 及对 应 的功率器件 的开关状 态 。 通过 Ma t l a b软件 对第 二 级联 的单模 块交流 输 出进行 仿真 并通过 试验 平 台对其进行 测试 。 通 过 仿真 与 测 试波 形 及 原理 分 析 波 形 的对 比 ， 三 者保 持一 样 ， 为实 际 的三 电平波 形 。通 过 Ma t l a b软件 对 两 级联 模 块 交流 输 出 电压进 行 仿 真 ， 并 通过 试验 平 台对其 进 行测 试 ， 通过 仿 真 与 测 试波 形及 原 理分 析波 形 的对 比 ，三 者 保 持 一 致 ， 为实际的五 电平波形 。通过原理分析 ， 仿真验 证 及试验测 试 使调制 波反 向的单 极倍频 载波 移 相调制技术在级联 H桥 S T A T C O M 系统中的应 用 ， 得到深入的 了解 。 参 考文献 1 崔影 基于级联 H桥的中压 S VG控制策略研究【 D 】 哈尔滨： 哈尔滨工业大学工学。 2 0 0 6 中国 电工技 术 学