CN104037768B - H桥级联statcom自适应死区补偿方法 - Google Patents

Abstract

H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法，涉及一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。它是为了解决缺少直接针对H桥级联STATCOM进行死区补偿的问题。本发明根据H桥级联STATCOM的电路拓扑结构，得出三相坐标系下H桥级联STATCOM的离散数学模型；并将其转换成离散状态下的传递函数形式；采用离散扰动观测器，对死区效应引起的STATCOM输出电压与参考电压的差值进行实时的在线观测，并将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系统中，实现对死区的自适应补偿。本发明适用于一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。

Description

H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法

技术领域

本发明涉及一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。

背景技术

在工业应用中，随着电网中非线性负载的广泛使用，所产生的无功和谐波电流对电网造成严重冲击，为了保证较好的电能质量，需要对6kV和10kV电网进行无功补偿和谐波消除，以提高电网的可靠性与稳定性。H桥级联静止同步补偿器(STATCOM)利用多电平变换技术，将开关器件电压应力降低，通过级联，使整个装置可以输出高电压，并具有损耗低、响应快、储能元件体积小和输出电流谐波含量低等优点，成为动态无功补偿装置发展的重要方向，在中高压大容量场合得到了迅速的发展。

但由于H桥功率单元每个桥臂的功率管具有互补的驱动信号，为避免开关器件的直通现象，必须在互补的两路信号间插入死区。然而死区时间的设置和开关器件的非理想特性，必然造成了输出电压与参考电压之间的误差，导致功率单元输出电流的谐波含量增大，还会出现零电流箝位现象。

然而，目前现有的死区补偿方法，大多只针对非H桥级联STATCOM，鲜有直接针对H桥级联STATCOM这一新兴结构提出的方法。

发明内容

本发明是为了解决缺少直接针对H桥级联STATCOM进行死区补偿的问题，从而提供了一种H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法。

H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据H桥级联STATCOM的电路拓扑结构，得出三相坐标系下H桥级联STATCOM的离散数学模型；

步骤二、根据步骤一得到的H桥级联STATCOM的离散数学模型，得到离散状态下的传递函数形式；

步骤三、采用离散扰动观测器，对死区效应引起的STATCOM输出电压与参考电压的差值进行实时的在线观测，并将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系统中，实现对死区的自适应补偿。

本发明的有益效果是：采用本发明对实际的H桥级联STATCOM的补偿性能进行实验验证。搭建H桥级联STATCOM实验平台，并完成网侧电压u_s＝400V时和H桥单元直流侧电压参考值U_dc＝200V时的低压实验。具体实验参数为：每相N＝12个H桥单元，f＝50Hz，单元直流侧电容C＝5600μF，连接电抗器L＝10mH，等效开关频率f＝1kHz，死区时间T_d＝6μs。控制器中的DSP选择TI公司的TMS320F28335芯片，负责无功电流检测，参考指令电流计算和直流电压控制；FPGA选择Altera公司的CycloneⅢ系列的EP3C25芯片，负责产生36路PWM脉冲控制信号，并通过光纤将脉冲触发信号送到每个H桥单元。测得的实验波形均为A相电流波形。

图3和图4为H桥级联STATCOM输出的A相补偿电流波形。其中，图3为未进行死区补偿时的电流波形，可以看出电流波形有明显畸变，出现了明显的零点电流箝位现象，并且在电流峰值处出现了较大的畸变；图4为采用死区补偿后的电流波形，电流波形正弦度得到了明显改善，畸变减小，有效的消除了零点电流箝位现象，且峰值处的波形平滑。谐波畸变THD由未补偿时的2.64％，下降到1.53％。

图5和图6为STATCOM输出的A相电压波形。其中，图5为未进行死区补偿时的输出电压波形，可以看出电压含有很大的谐波，并且在电压峰值处，阶梯波形严重畸变；图6为采用死区补偿后的输出电压波形，电压所含谐波降低，在峰值处，波形平滑，畸变减小，波形的正弦度得到了明显改善。

附图说明

图1是H桥级联STATCOM的主电路拓扑框图；

图2是本发明自适应死区补偿方法框图；

图3是未采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电流波形；

图4是采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电流波形；

图5是未采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电压波形；

图6是采用本发明提出的自适应死区补偿方法时的H桥级联STATCOM的输出电压波形。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据H桥级联STATCOM的电路拓扑结构，得出三相坐标系下H桥级联STATCOM的离散数学模型；

步骤二、根据步骤一得到的H桥级联STATCOM的离散数学模型，得到离散状态下的传递函数形式；

步骤三、采用离散扰动观测器，对死区效应引起的STATCOM输出电压与参考电压的差值进行实时的在线观测，并将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系统中，实现对死区的自适应补偿。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法作进一步限定，本实施方式中，步骤一中的三相坐标系下的离散数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sa}}-u_a-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sb}}-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{sc}}-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.;---\left(1\right)$

其中，u_sa、u_sb和u_sc为网侧三相电压，u_a、u_b和u_c为STATCOM输出三相电压，i_sa、i_sb和i_sc为网侧三相电流，i_a、i_b和i_c为STATCOM补偿三相电流，i_la、i_lb和i_lc为负载三相电流，U_dc为直流侧电容电压参考值，C为直流侧电容，L为连接电抗器，R为等效损耗电阻；

设采样周期为T_s，将式(1)离散化并整理得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a\left(k\right)=u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_a(k+1)-i_a\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ u_b\left(k\right)=u_{\mathrm{sb}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_b(k+1)-i_b\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ u_c\left(k\right)=u_{\mathrm{sc}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_c(k+1)-i_c\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array}\right.;---\left(2\right)$

根据式(2)得出，根据k时刻采样的i(k)，u_s(k)和k+1时刻的参考指令电流预测值，计算出k采样时刻STATCOM参考输出的指令电压u(k)；根据数字系统的延时性，计算出指令电压的时刻要滞后采样时刻一拍，k时刻的采样值计算得到k+1时刻的指令电压，得到式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{u_a}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_a(k+1)-i_a\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ {u_b}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sb}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_b(k+1)-i_b\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ {u_c}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sc}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[i_c(k+1)-i_c\left(k\right)]-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array}\right.;---\left(3\right)$

令i(k+1)＝i^*(k)，则在下一采样时刻达到电压指令值，实现无差拍控制，上标*表示指令值；电阻在模型建立的过程中忽略不计，得到式(4)：

$\left\{\begin{array}{c}{u_a}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sa}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[{i_a}^{*}\left(k\right)-i_a\left(k\right)]\\ {u_b}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sb}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[{i_b}^{*}\left(k\right)-i_b\left(k\right)]\\ {u_c}^{*}(k+1)=u_{\mathrm{sc}}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}[{i_c}^{*}\left(k\right)-i_c\left(k\right)]\end{array}\right..---\left(4\right)$

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法作进一步限定，本实施方式中，步骤二中，得到离散状态下的传递函数为：

$\begin{array}{c}G\left(z\right)=Z[H_0\left(s\right)\·G\left(s\right)]\\ =Z[H_0\left(s\right)\·\left(\frac{I_x\left(s\right)}{V_x\left(s\right)-E_x\left(s\right)}\right)]\\ =Z[H_0\left(s\right)\·(-\frac{1}{\mathrm{Ls}})]=\frac{-T_s}{L(z-1)}\end{array};---\left(5\right)$

其中是零阶保持器连续状态下的传递函数，T_s为采样周期,(x＝a,b,c)。

上述实施方式中，零阶保持器的作用是在信号传递过程中，把采样信号转换成连续信号。

具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述的H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法作进一步限定，本实施方式中，步骤三中，结合式(4)、式(5)与离散扰动观测器的工作原理，并重新定义各个变量，将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系统中，同时考虑死区效应的影响，由式(4)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U_a}^{*}-\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_a=U_{\mathrm{sa}}-\frac{L}{T_s}[{i_a}^{*}-i_a]-\mathrm{\Δ}{U}_a\\ {U_b}^{*}-\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_b=U_{\mathrm{sb}}-\frac{L}{T_s}[{i_b}^{*}-i_b]-\mathrm{\Δ}{U}_b\\ {U_c}^{*}-\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_c=U_{\mathrm{sc}}-\frac{L}{T_s}[{i_c}^{*}-i_c]-\mathrm{\Δ}{U}_c\end{array}\right.---\left(6\right)$

如果观测到的差值与实际的差值相等，就可以消除死区效应对输出电压及电流的影响。

根据自适应补偿原理，利用(7)式就可以得到利用离散扰动观测器观测到的补偿量，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_a=Q\left(z\right)[\frac{i_a{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_a^{**}]\\ \mathrm{\Δ}{\hat{U}}_b=Q\left(z\right)[\frac{i_b{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_b^{**}]\\ \mathrm{\Δ}{\hat{U}}_c=Q\left(z\right)[\frac{i_c{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_c^{**}]\end{array}\right.;---\left(7\right)$

公式(6)和公式(7)中i_x，U_x，△U_x，和U_sx(x＝a,b,c)分别为H桥级联STATCOM三相参考电流，输出电流，输出电压，参考电压，扰动电压，观测的扰动电压，死区补偿后的参考电压和网侧电压；L_n为标称模型中的标称电感；

最后使得观测到的差值与实际的差值相等，进而消除死区效应对输出电压及电流的影响。

Claims (2)

1.H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、根据H桥级联STATCOM的电路拓扑结构，得出三相坐标系下H桥级联STATCOM的离散数学模型；

步骤二、根据步骤一得到的H桥级联STATCOM的离散数学模型，得到离散状态下的传递函数形式；

步骤三、采用离散扰动观测器，对死区效应引起的STATCOM输出电压与参考电压的差值进行实时的在线观测，并将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系统中，实现对死区的自适应补偿；

步骤一中的三相坐标系下的离散数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=u_{sa}-u_a-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=u_{sb}-u_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=u_{sc}-u_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.;---\left(1\right)$

其中，u_sa、u_sb和u_sc为网侧三相电压，u_a、u_b和u_c为STATCOM输出三相电压，i_a、i_b和i_c为STATCOM补偿三相电流，L为连接电抗器，R为等效损耗电阻；

设采样周期为T_s，将式(1)离散化并整理得：

$\{\begin{array}{c}{u}_a\left(k\right)=u_{sa}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[i_a(k+1)-i_a\left(k\right)\]-{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ u_b\left(k\right)=u_{sb}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[i_b(k+1)-i_b\left(k\right)\]-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ u_c\left(k\right)=u_{sc}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[i_c(k+1)-i_c\left(k\right)\]-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array};---\left(2\right)$

根据式(2)得出，根据k时刻采样的i(k)，u_s(k)和k+1时刻的参考指令电流预测值i(k+1)，计算出k采样时刻STATCOM参考输出的指令电压u(k)；根据数字系统的延时性，计算出指令电压的时刻要滞后采样时刻一拍，k时刻的采样值计算得到k+1时刻的指令电压，得到式(3)：

$\{\begin{array}{c}{u_a}^{*}(k+1)=u_{sa}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[i_a(k+1)-i_a\left(k\right)\]-{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ {u_b}^{*}(k+1)=u_{sb}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[i_b(k+1)-i_b\left(k\right)\]-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ {u_c}^{*}(k+1)=u_{sc}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[i_c(k+1)-i_c\left(k\right)\]-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array};---\left(3\right)$

令i(k+1)＝i^*(k)，则在下一采样时刻达到电压指令值，实现无差拍控制，上标*表示指令值；电阻在模型建立的过程中忽略不计，得到式(4)：

$\{\begin{array}{c}{u_a}^{*}(k+1)=u_{sa}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[{i_a}^{*}\left(k\right)-i_a\left(k\right)\]\\ {u_b}^{*}(k+1)=u_{sb}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[{i_b}^{*}\left(k\right)-i_b\left(k\right)\]\\ {u_c}^{*}(k+1)=u_{sc}\left(k\right)-\frac{L}{T_s}\[{i_c}^{*}\left(k\right)-i_c\left(k\right)\]\end{array};---\left(4\right)$

步骤二中，得到离散状态下的传递函数为：

$\begin{array}{c}G\left(z\right)=Z\[H_0\left(s\right)gG\left(s\right)\]\\ =Z\[H_0\left(s\right)g\left(\frac{I_x\left(s\right)}{V_x\left(s\right)-E_x\left(s\right)}\right)\]\\ =Z\[H_0\left(s\right)g(-\frac{1}{Ls})\]=\frac{-T_s}{L(z-1)}\end{array};---\left(5\right)$

其中是零阶保持器连续状态下的传递函数，T_s为采样周期,x＝a,b,c。

2.根据权利要求1所述的H桥级联STATCOM自适应死区补偿方法，其特征在于：步骤三中，结合式(4)、式(5)与离散扰动观测器的工作原理，并重新定义各个变量，将观测到的差值作为补偿量，引入到H桥级联STATCOM控制系统中，同时考虑死区效应的影响，由式(4)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{U_a}^{*}-\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_a=U_{sa}-\frac{L}{T_s}\[{i_a}^{*}-i_a\]-{\mathrm{\ΔU}}_a\\ {U_b}^{*}-\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_b=U_{sb}-\frac{L}{T_s}\[{i_b}^{*}-i_b\]-{\mathrm{\ΔU}}_b\\ {U_c}^{*}-\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_c=U_{sc}-\frac{L}{T_s}\[{i_c}^{*}-i_c\]-{\mathrm{\ΔU}}_c\end{array}\right.---\left(6\right)$

如果观测到的差值与实际的差值相等，就可以消除死区效应对输出电压及电流的影响，

根据自适应补偿原理，利用(7)式就可以得到利用离散扰动观测器观测到的补偿量，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{U}}_a=Q\left(z\right)\[\frac{i_a{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_a^{**}\]\\ \mathrm{\Δ}{\hat{U}}_b=Q\left(z\right)\[\frac{i_b{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_b^{**}\]\\ \mathrm{\Δ}{\hat{U}}_c=Q\left(z\right)\[\frac{i_c{L}_n(z-1)}{-T_s}-U_c^{**}\]\end{array}\right.;---\left(7\right)$

公式(6)和公式(7)中i_x，U_x，△U_x，和U_sx分别为H桥级联STATCOM三相参考电流，输出电流，输出电压，参考电压，扰动电压，观测的扰动电压，死区补偿后的参考电压和网侧电压，x＝a,b,c；L_n为标称模型中的标称电感；

最后使得观测到的差值与实际的差值相等，进而消除死区效应对输出电压及电流的影响。