圖3.3上層控制器的控制框圖圖3.4給出了LCL濾波器的戴維南等效電路及其相量圖。(b)圖3.4LCL濾波器的戴維南等效電路和相量圖容性模式；(b)感性模式主動阻尼控制由底層控制器完成，對于某一個鏈式SVG模塊，可將其余模塊的電流等效為外部擾動電流ir，下圖3.5給出了詳細的主動阻尼的控制框圖。參與反饋的只有換流鏈側電感電壓君L1的高頻分量，從而能夠將電流控制的影響大大減弱，對于諧振頻率在內的高頻分量的保留，可以很大程度上將主動阻尼的效果發揮出來。|主動阻尼控制|將圖3.5的控制系統離散化且控制滯后一拍,系統在z平面的零極點軌跡如圖3.6所示。左側一對由LCL濾波器引入的共輾極點配置到單位圓內，系統穩定；高通濾波器的使用引入了零極點，但不影響系統的穩定性圖3.6控制系統的零極點軌跡由以上分析可知，各底層控制器之間實現了解耦控制，因此，可對單個控制器進行獨立控制。圖3.7為控制系統的原理結構圖。換流鏈側電流外環的給定信號為修正后的指令電流dg軸分量。各鏈節的輸出指令電壓為控制直流母線電壓的微調電壓和換流鏈側電感電壓高頻分量，以及換流鏈側電流外環調節器的輸出電壓三者之和，脈寬調制信號通過載波移相脈寬調制單元送入的指令電壓生成。圖3.7控制系統的原理結構圖3.5本章小結本章提出一種基于LCL濾波器的鏈式SVG的并聯拓撲結構，鏈式結構解決了高壓問題，并聯結構解決了擴容問題，LCL濾波器共用型結構既降低了注入電網的諧波，也簡化了系統結構。并聯控制策略實現了系統的協調和穩定控制，從而對高補償性的精確度進行和保證。控制策略以及拓撲結構的有效性通過仿真實驗進行了驗證。4鏈式SVG控制方法研究4.1SVG控制方法概述與分類SVG的控制屬于動態無功補償裝置中的一種，因此，不管是基于外閉環反饋調節器和控制量選擇來講，還是說從大的控制策略的選擇，相比較以往的SVC，其原則同樣沒有很大的變化。SVG相比于SVC，前者由補償器生成的無功電流參考值為外閉環調節器輸出的控制信號，而后者等效電納的參考值為外閉環調節器輸出的控制信號，且后者所需的等效電納通過外閉環調節器輸出的控制信號進行調節控制。基于SVG真正產生所需的無功電流如何由無功電流參考值調節這一關鍵環節才有多種多樣的SVG具體控制方法形成，這完全不同于SVC所采用的觸發延遲角移相控制原理。對于SVG產生所需無功電流由無功電流參考值調節具體控制方式主要有直接和簡介兩大類的控制方式。由于在基本維持恒定的系統電壓值時，控制無功電流也即是間接的控制無功功率，所以，下述的說明都是以控制無功電流來說的。事實上，有功電流的控制還應該包含在SVG的電流控制任務中，以對電路中的有功損耗進一步的補償。1）間接電流控制基于前述的SVG工作原理，把SVG等效成交流電壓源進行看待，通過控制SVG變流器產生的交流電壓基波的幅值和相位，進而實現交流側電流的間接控制，即為間接電流控制。2）直接電流控制對電流波形的瞬時值選擇蹤型PWM控制技術進行反饋控制，即為直接電流控制。三角波比較方式和滯環比較方式為跟蹤型PWM控制技術常用的兩種方式。在本章中，全面的比較并詳細的分析了雙極PWM以及單極PWM的調制模式結果。此外，詳細的分析了單極以及雙極CPS-SPWM，同時分析了不同調制模式的結果。4.2雙極性和單極倍頻的PWM調制原理下圖4-1給出了詳細的單相全橋電壓型逆變器單元拓撲結構，雙極性PWM具體的工作機理圖如4-2所示。三角載波uc要同調制波us進行比較，若us＞uc，電子開關IGBT：1、4打開，2、3斷開，電路為正向輸出電壓；若us＜uc，電子開關IGBT：2、3打開，1、4斷開，電路為反向輸出電壓；下圖4-1為具體的圖示。圖4-1單相全橋電壓型逆變器單元拓撲圖4-2雙極性PWM調制原理圖下圖4-3給出了詳細的對于單極倍頻PWM調制原理圖。三角載波uc除了要同調制波us進行比較，負向的調制波還要進一步的進行比較。若us＞uc：1打開，2斷開，uc＞負向us時：3打開，4斷開.反之，小不大于時取相反的信號。對于輸出電壓來說，同時導通1和4的時候才為E，而同時導通2和3時則為-E，其他情況下均為0。4.3載波相移SPWM（CPS-SPWM）理論CPS-SPWM是一類在大功率工業電力和其他電子設備的開關調制中最為適宜的技術。下述對其基本設計思想的闡述是基于一相逆變器為實際案例進行的：fs和Us分別為調制波的頻率以及n個級聯逆變器共用調制波信號，1/n和fc表示各個三角載波的相位錯開周期以及級聯逆變器每個單元的三角載波頻率，多電平的輸出波形就能夠被級聯逆變器得到。上述的分析是基于單極倍頻PWM調制以及雙極性PWM調制兩種技術來說的，對于單極倍頻CPS-SPWM以及雙極性CPS-SPWM兩種技術方法在下文給出詳細的介紹。4.3.1雙極性CPS-PWM方法雙極性PWM調制是雙極性載波相移PWM調制的基礎，核心思想是四個逆變器輸出電壓和總的相電壓波形，下圖4-4給出了詳細的圖示。下式（4-1）中的第1個為基于已有的報道所提出的雙重傅立葉級數分析出雙極性CPS-SPWM單個模塊的輸出電壓，下式（4-1）中的第2個公式為N個H橋進行串聯時的情況。基于以上論述可以雙極性CPS-PWM主要的特征有以下2個：1）(N+1電壓總的電平數由級聯逆變器輸出，基波分量比單個雙極性PWM基波分量多N倍。2）次數最低的諧波群出現在N附近，換而言之就是有N倍的開關頻率提高。4.3.2單極性PWM方法雙極性倍頻PWM是單極性PWM調制方法的基礎。以一相逆變器為例，核心思想是調制波信號us和-us由N個級聯逆變器共用，所有的調制波頻率都是fs，而逆變器單元三角載波的頻率為fc，將各個三角載波相位分別相互錯開1/N或者是1/2N的三角載波周期，多電平的輸出波形就可以被級聯逆變器得到。具體如圖4-6的原理圖所示。圖4-6單極倍頻CPS-PWM調制原理不同的載波相移角度導致不完全相同的單極倍頻CPS-PWM的輸出特性。總和對比，頻段由于移相π/N因諧波含量少而表現出較高的分布，因此在工程上比較適用。單倍頻CPS-PWM的特征通過對相移角π/N的單倍頻CPS-PWM的雙重傅里葉級數進行深入的分析而得到，具體如下：1）(2N+1)電壓總電平數由級聯逆變器輸出，基波分量比單個單極性PWM基波分量多N倍。2）不存在載波的N的奇數倍(m=1,3,5…)諧波。次數最低的諧波群出現在2N附近，換而言之就是有2N倍的開關頻率提高。4.3.3不同調制方式對比分析上述分析比較了載波調制的常用方法，主要的結論以及結果在下表4-1中進行詳細的羅列：1）采用載波移相技術,諧波消除得會比較"干凈"。消除后的低次倍頻諧波發射效果也比一般更好,且相比單極極性倍頻開關，CPS-SPWM等效倍頻開關的發射頻率一般可以提高2n倍,雙倍單極性倍頻CPS-SPWM等效倍頻開關的發射頻率一般可以大幅提高0.n次。2）級聯式逆變器的輸入和電壓波形較接近于正弦波,幅值比單個逆變器輸出電壓大N倍。其中通過單極性倍頻濾波CPS-SPWM較之于雙倍的極性倍頻CPS-SPWM,它的兩個輸入濾波電平更加容易接近正弦波。4.4直流側電容電壓平衡控制的方法從上節的分析中我們知道，隨著時間的推移，直流側電容電壓的平衡性會受到逆變器參數中的微小差異影響。所以以下2個方面在設計樣機時要特別注意：（1）將脈沖發生器的精度進行提高，同時補償電路增加；（2）務必選擇統一生產廠家的統一類型零件。由于總是會存在參數的差異，因此在解決方式上可以從外部和內部兩個方面著手。調制比改變和相位角偏差、并聯電阻，以及能量交換是目前控制策略常見的選擇方式。除此之外，別的方式都有自己的困難：相位角偏差要求脈沖發生器精度高、調節范圍小、實現困難。大容量SVG采用CPS-PWM消除低階諧波，各單元的調制比不同，不易改變對于交流能量交換，需要對多臺逆變器進行控制，因此具有較高的額復雜程度。4.4.1并聯電阻控制策略平衡電容電壓通過并聯電阻等價于改變并聯損耗的方式，能夠借助負載電阻以及IGBT串聯構成電阻可調的支路。通過對IGBT占空比的改變，從而可以實現支路的電阻值的調節。并聯直流電容和可調支路，并聯損耗的調節通過對電阻的改變實現，基于已有的文獻研究，可得到式（4-2）：U=I.Rj(Mcos((p-Nj)—kj)(4-2)上式，kj表示混合損耗，Nj表示脈沖延遲誤差，M表示調制比，Rj表示并聯損耗。若（U-）＞（Ui-），并聯損耗的減少通過對電阻值的增大實現，反之，并聯損耗的增大則通過對電阻值的增大實現。基于(4-2)，可以通過對適宜占空比以及電阻值的選擇來達到均衡直流側電容電壓的效果，而占空比以及電阻的調整可以通過調節PI實現。下圖4-7給出了詳細的圖示：圖4-7并聯電阻控制策略圖4.4.2直流能量交換控制策略在電容電壓有較大不平衡狀況出現的時候，系統的損耗因為并聯電阻而增加了，這時就可以將能量交換考慮進來。就交流能量交換策略而言，電壓的相位決定了能量的流動，其大小與能量的流動無關，除了要對低于總平均值或者高于總平均值的橋路識別，同時還要對附加逆變器的相位進行計算，由于成本增加，從而導致整個控制系統就變得極其復雜，所以直流能量交換策略便出現了。直流母線經IGBT后變為交流，然后再經過二極管和隔離變壓器同直流電容進行連接，除此之外，每一個逆變器的交流側，也經過二極管和隔離變壓器同直流母線進行連接，若逆變器出現較高的電壓，則會通過交流側向母線將能量釋放出來，以促使電容電壓下降；反之，則吸收能量，以促使電容電壓上升。因為二極管的主要功能就是在電容的充放電過程中經過的回路不同，最終趨于穩態時，使得電壓保持一致，該方式在實施時相當的簡單便捷。同樣，可用軟件進行仿真，證實該策略的可行性。4.4.3幾種電容電壓平衡控制策略的比較下表4-2給出了不同的控制策略使用情況。不平衡程度較低的場合適用并聯電阻，但因為并聯電阻的存在而導致系統的損耗增加，相比較交流方式，直接能量交換電容電壓的大小更容易實現。基于此可以得出設計平衡策略的兩大方向：（1）控制電路實現通過外部平衡；（2）由自身平衡算法實現。在第2部分數學模型分析引起不平衡原因的基礎上，進一步提出了實現電容電壓平衡的相應的解決策略，并詳細的比較了幾種平衡策略，分析表明，任何一個控制策略都有自己的優點和缺點，雖然直流能量交換對于電容不平衡問題可以很好的改善，然而該方式具有難以實現和算法復雜的缺陷。4.5本章小結本部分從原理上比較和分析了單極倍頻PW和雙極性PWM，以及兩種CPS-PWM技術，并對兩種載波相移技術的特點進行了深入的探究，此外，對幾種調制技術進行了全面的比較后得出效果最好的是單極倍頻CPS-PWM技術的結論，且其在大功率調節場合上更加適用。與此同時，設計除了驅動脈沖交換策略以解決鏈式SVG裝置在運行過程中出現的電容不平衡問題，從而使得電容電壓最小的進行充電，反之最大的進行放電，以保證每個聯級電容處于同一個數值內。5靜止無功發生器控制系統仿真研究5.1MATLAB/Simulink仿真技術概述由美國MathWorks公司開發出來的Matlab數學軟件又被看做是矩陣實驗室。主要有Matlab和Simulink兩大功能，在數值計算和數值分析，以及數據可視化和數據開發以上多個領域都具有很好的適用性。相比較以往的C和FORTRAN非交互式編程語言的編輯模式，Matlab處于領先水平。它也在一個易于使用的窗口環境中集成了仿真和非線性動態系統建模、科學數據可視化，以及矩陣計算和數值分析等多個功能，在工程設計以及科學研究上提供了一套行之有效的軟件技術。其中，Simulink是Matlab中最重要的組件之一，具有較好的靈活性和較高效率，以及貼近現實、仿真精細和過程清晰、適應性廣等。由于具有以上在眾多的優點，所以其廣泛的應用到數字信號處理和控制理論設計，以及復雜的仿真中。其提供了一個綜合分析以及仿真和建模的綜合性平臺。在該平臺下，復雜的系統能夠借助直觀簡單的鼠標操作實現，避免了對大量程序的編寫工作。Simulink可以用連續、離散或兩個采樣時間的組合建模，它也支持多速率系統，其中系統的不同部分有不同的采樣率。本文的前幾章從原理上對SVG系統中無功電流的檢測、直流側電容電壓不平衡問題和PWM調制問題進行了詳細的分析闡述，提出了一種改進的單極倍頻CPS-PWM策略來調制PWM。為了驗證上述算法的正確性和可行性，本章建立了一個SVG的Simulink仿真模型。通過比較分流直流側電容電壓受到分流電阻的影響，對直流側電容電壓可以由驅動脈沖交換策略提高進行了驗證。5.2SVG仿真驗證為驗證本文的控制策略，本實驗利用Matlab搭建了6kV鏈式SVG仿真模型。裝置采用星形連接，每相中的8個功率單元級聯。分別設定裝置與電網之間的連接電抗感值和電容電壓參考值、功率單元直流側電容為23mH和380V、750μF。為進一步對本研究所提控制策略進行驗證，可使SVG裝置具備綜合補償能力，設計負載參數如下：有功電流75A，無功電流50A，諧波電流10A，不平衡電流5A。仿真時間為1s。仿真結果如圖5.1所示。裝置正常運行后，系統電流畸變率大大降低，以A相為例，裝置投入前，系統電流畸變率為10.7%左右，投入后降為1.43%(見圖5.2)；系統提供的有功電流及無功電流從不平衡變為平衡，且無功電流降到0左右(見圖5.3)；系統功率因數則從0.9以下升高到1(見圖5.4)。圖5.1裝置三相輸出電流波形圖5.2系統三相電流波形圖5.3系統有功及無功電流分量圖5.4功率因數通過仿真實驗驗證了本研究所采用的直流側電容電壓均衡控制策略。下圖5.5給除了實際輸出電壓PWM波形與某段時間A相PWM調制波形詳細對照圖。圖5.5PWM調制波及輸出電壓5.6為同一時段內按照本文的均壓策略所得到的A相各個功率單元的調制波形，從上至下依次為1~8單元。圖5.7為采用本文所述均壓策略得到的A相各通過分析5.7，正常波動，證實本研究所選擇的均壓策略具有較好的策略。圖5.7A相各功率單元直流側電容電壓5.3仿真結果考慮到在中高壓環境下難以直接搭建負荷，本實驗特別選用了2臺容量為3MVAR的6kv鏈式SVG裝置樣機進行驗證。在6kv電網的共同連接點上分別連接兩個SVG，一個SVG作為負載機，另一個作為補償機。仿真實驗中，實際電網中的負載可以由負載機發出各種電流來模擬。主要有諧波電流(包括多個特征次諧波分量和基面無功電流（可容性也可感性）兩個分量。負載電流由補償器負責檢測，然后根據上述補償算法對負載電流進行閉環補償。通過示波器觀察兩個SVG器件的電流波形，波形見圖5.8。圖5.82臺裝置輸出電流波形此時，負載機的輸出電流除了基波外，還包含31倍以內的特征諧波。為了便于比較，當補償機顯示電流時，信號被反轉。當兩個器件的電流得到正常補償時，兩個器件的電流大小應基本相同，但方向應相反。由圖5.8可以看出，兩種器件的輸出電流波形在穩態時基本重合，說明補償器對負載機輸出的電流進行了很好的補償。利用MATLAB對示波器導出的兩個器件的穩態輸出電流數據進行分析，得到如圖5.9所示的頻譜分布圖。可以看出，負載機的輸出電流中不僅包含一定數量的基波，還包含5、7、11、13等高次諧波。補償機輸出電流譜與負載機輸出電流譜基本一致，說明本文提出的指令電流檢測方法準確有效。圖5.92臺裝置輸出電流頻譜進一步驗證裝置的動態性能，負載機在發出電流時，每隔一段時間，基波電流會在25A和50A之間階躍變化一次，由圖5.9可以看出，在負載機基波電流發生突變后，經過一個工頻周期左右時間的動態過程，補償機已經能夠很好的補償負載機。實驗過程中，仿真實驗時，各功率單元直流側電容電壓均在參考值附近小幅波動可以通過裝置提供的觸摸屏人機界面看到，從而本研究所選擇的直流電容均衡控制策略的有效性進一步進行了證實。6結論近年來，電力系統取得了較大的發展，而電力電子器件也得到了較大的完善，各種非線性無功負荷越來越多，且用戶對于高效電能的要求呼聲也越來越高。有效快速補償無功缺額問題是現階段廣大科研學者研究的焦點，SVG具有較好的補償效果和較小的裝置體積，以及較廣的調節范圍和較快的響應速度。本研究主要探討了鏈式SVG，相關的研究成果主要有以下5個方面：對瞬時無功功率以及三相兩相坐標變換理論進行了了解，并比較分析了三種不同的檢測方法，在此基礎上將無功電流改進的ip-iq算法檢測方式提了出來。2） 就如何設計主電路參數進行了全面的分析，在本研究選擇樣機的主電路參數的基礎上進行了相應的分析設計，并基于此將一款380V的小型樣機設計了出來。3）建立了一種新型的鏈式SVG拓撲結構，并保證了高補償準確度。4） 對直流側電容電壓不平衡存在的原因進行了探討，并針對問題提出了相應的解決方案；詳細的對幾種平衡策略的優缺點進行了分析，將驅動脈沖得交換策略設計了出來。5） 本研究借助仿真軟件Matlab/Simulink，將電壓6KV、容量為3Mvar的鏈式SVG系統搭建了出來,驗證改進的ip-iq無功檢測算法和直流電容均衡控制的可行性和有效性。參考文獻李媛《新型靜止無功發生器SVG控制策略仿真研究》《北京交通大學》2008鮑曉娟《基于TMS320F2812的靜止無功發生器控制系統研究》 《北京交通大學》2007白雪飛《50Kvar用戶端STATCOM的直接電流控制方法研究》《江蘇大學》2008李育才《諧波電能計量技術的應用》《吉林電力》賀江濤《諧波對電能計量的影響》《科技創業家》孫世莉《電網諧波對電能計量影響的分析與探討》何東《基于DSP的高性能電能質量分析儀數據接口的研制》《華北電力大學（北京）》2005丁澤俊《電能質量綜合評估與選擇性治理的研究》《華北電力大學（北京）》2011陳成《電力市場下的無功電價研究》《江蘇大學》2012曾憲修《配電網智能無功補償的技術研究與應用》《中南大學》2005周紅衛《烏江渡30MW單機電網無功補償方案的研究與實施》《西安理工大學》2007宋新新《面向低壓用戶的電能質量補償器》《山東大學》2005吳偉《工廠電力系統的節能降耗》《電氣時代》2009年6期吳志宏《基于PLC的變電站電壓無功綜合控制系統的研究》《沈陽工業大學》2007紀二云《基于改進遺傳算法的電力系統無功優化的研究》陳坤鵬《智能無功補償裝置的研究》《華南理工大學》王驥《靜止無功發生器在船舶軸帶發電機中的應用研究》王立坤《淺談靜止無功補償裝置（SVG）在風電場的應用》胡飛凰《無功功率補償與非正弦波分析的研究》《同濟大學》2003孫福泉《靜止無功補償裝置（SVC）的設計與實現》《華北電力大學（保定）》2008王粉麗《配電網靜止同步補償器的仿真研究》《西安科技大學》2011周小梅《混合型動態無功補償技術的研究》《江蘇大學》2006高連強《低壓動態無功補償裝置的研究》《河北工業大學》2007韓志凌《油田配電網無功優化的研究》《合肥工業大學》2006趙山等《基于微電網的電能質量問題研究》 《廣東電力》2012年10期柳愛美《先進靜止無功發生器（ASVG）原理及裝置的研制》《中南大學》2002王玉斌《配電系統動態無功補償技術的研究》《山東大學》2007劉翠梅《配電網STATCOM控制方法的仿真研究及其數字化實現》《武漢工程大學》2010許井峰《基于改進型UPF和SVPWM控制技術的有源電力濾波器研究》《太原理工大學》2012牛里等《基于無差拍控制的永磁同步電機魯棒電流控制算法研究》《中國電機工程學報》2013年15期張明江《TCR型靜止無功補償器的研究》《哈爾濱工業大學》2008馮友強《基于電流補償的新型無功補償器的研究》 《廣西大學》2006何爽.不平衡工況下鏈式STATCOM的控制策略研究:(碩士論文).湖北:華中科技大學,2011孫茂林靜止無功發生器的設計與實現大連海事大學碩士論文2012張劉春等無功補償裝置的現狀和發展趨勢《太原重型機械學院學報》2004陳國志.電力