电气工程学报, 2022, 17(1): 71-77 doi: 10.11985/2022.01.010

特邀专栏: 电力电子化配电网关键设备和运行控制

星形CHB STATCOM启动冲击电流的抑制方法*

吴天红,1, 魏缪宇,1, 陆道荣,2, 胡海兵,1

1.南京航空航天大学自动化学院 南京 211106

2.南京师范大学电气与自动化工程学院 南京 210046

Startup Inrush Current Suppression Method for Star-connected CHB STATCOM

WU Tianhong,1, WEI Miaoyu,1, LU Daorong,2, HU Haibing,1

1. College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106

2. School of NARI Electric and Automation, Nanjing Normal University, Nanjing 210046

通讯作者: 陆道荣,男,1991年生,博士。主要研究方向为电能质量治理与多电平变换器控制。E-mail：tcludaorong@nuaa.edu.cn

收稿日期: 2021-08-10   修回日期: 2022-10-11  

基金资助: *国家自然科学基金资助项目.  52007081

Received: 2021-08-10   Revised: 2022-10-11  

作者简介 About authors

吴天红,男,1998年生,硕士研究生。主要研究方向为无功补偿与多电平变换器控制。E-mail： 1336799056@qq.com;

魏缪宇,男,1994年生,博士研究生。主要研究方向为电能质量治理与多电平变换器控制。E-mail： weimaoyunj@nuaa.edu.cn;

胡海兵,男,1973年生,教授,博士研究生导师。主要研究方向为电能质量治理、多电平变换器控制、谐振变换器等。E-mail： huhaibing@nuaa.edu.cn

摘要

软启动对星形级联H桥(CHB)STATCOM的正常运行至关重要。传统的CHB STATCOM启动策略通过在不控整流过程中串联限流电阻来抑制浪涌电流。然而,由于不控整流后直流侧电容电压仍然较低,CHB STATCOM进入正常运行时会产生较大的浪涌电流。为了消除这种浪涌电流,提出一种新的CHB STATCOM启动控制方法,在不控整流阶段后引入可控升压阶段,继续串联限流电阻,进一步提高直流电容电压。在可控升压阶段中,建立了调制电压与直流电压的关系,在此基础上提出了一种直流电压的闭环控制方法。最后,搭建400 V/5 kVar CHB STATCOM样机,试验结果验证了所提启动控制策略的有效性。

关键词： CHB STATCOM ; 限流电阻 ; 浪涌电流 ; 启动控制

Abstract

Soft startup is essential to the operation of the star-connected cascaded H-bridge (CHB) STATCOM. Conventional CHB STATCOM startup strategy suppresses inrush current by connecting current limiting resistors in series during uncontrolled rectification. However, due to the low DC-side capacitor voltage after the start-up phase, the CHB STATCOM will still generate a large inrush current when it enters the normal operating state. To eliminate this inrush current, a novel startup control is proposed to further charge the DC voltages after the uncontrolled rectifier process. After the uncontrolled rectification stage, the controllable boost stage is introduced, and the current limiting resistors continues to be connected in series, thereby further increasing the DC capacitor voltage. In the controllable boost stage, the relationship between modulation voltages and DC voltages is established, based on which a closed-loop control is proposed. The effectiveness of the proposed control is verified by the experimental results on a 400 V/5 kVar CHB STATCOM.

Keywords： CHB STATCOM ; current limiting resisters ; inrush current ; startup control

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本文引用格式

吴天红, 魏缪宇, 陆道荣, 胡海兵. 星形CHB STATCOM启动冲击电流的抑制方法*. 电气工程学报[J], 2022, 17(1): 71-77 doi:10.11985/2022.01.010

WU Tianhong, WEI Miaoyu, LU Daorong, HU Haibing. Startup Inrush Current Suppression Method for Star-connected CHB STATCOM. Chinese Journal of Electrical Engineering[J], 2022, 17(1): 71-77 doi:10.11985/2022.01.010

1 引言

随着可再生能源向电网的渗透,电力系统对无功功率补偿的要求不断提高,静态同步补偿器(Static synchronous compensator,STATCOM)由于其灵活的电流可控性能已广泛应用于电力系统中[1-2]。相较于其他广泛使用的多电平拓扑(如中性点箝位拓扑、飞电容拓扑和模块化多电平变换器(MMC)),星形CHB结构具有模块化、低成本的优势,因此经常应用于中高压STATCOM[3-4]。然而,由于星形CHB STATCOM不是共直流母线结构,需要对其正常运行下的直流电压进行控制,许多学者对此展开了深入研究[5⇓⇓⇓⇓-10]。目前,STATCOM直流电压的均衡控制主要采用分层控制策略[11],包括总电压控制、相间均压控制策略以及模块均压控制。对于总电压控制,通常采用PI调节器对dq轴电流进行控制或者采用PR调节器对abc轴电流进行控制,通过吸收来自电网的有功功率调节总直流电压[5];对于相间直流电压平衡,负序电压(电流)和零序电压注入是典型的均压控制方法[6-7]。在CHB光伏应用中,文献[8]采用注入零序电压的方法增强了系统平衡三相有功功率的能力;对于模块间直流电压均衡,其控制方法通常可以分为两种：基于开关冗余排序算法的控制方法和通过改变调制电压的有功功率控制方法[9],文献[10]采用方波补偿方法扩大了光伏发电系统中每个电池的工作范围。

然而,由于STATCOM直流侧电容的初始电压为零,启动时直流侧的电压差会产生较大的浪涌电流,从而威胁装置的稳定运行,甚至损坏开关器 件[12⇓-14]。为了保证STATCOM的正常工作,直流侧电容需要在启动阶段充电至其标称电压值,进而抑制冲击电流。为了实现这一目标,文献[15-16]采用额外的隔离直流电源对直流侧电容充电,然而,由于每个模块的直流侧电容都需要分离的直流电源供电,采用该方法将显著增加系统的复杂性和成本。相较而言,通过电网给直流侧电容充电更适合并网型的CHB STATCOM。但是当并网接触器闭合时,由于直流电压为零,在启动阶段仍会产生浪涌电流。为了抑制浪涌电流,文献[17]通过在CHB STATCOM和电网之间插入额外的晶闸管,实现变步长的软启动控制。然而,在中压应用中,具有高压应力的晶闸管成本高、可靠性低,实际应用较少。一种典型的经济有效的方法是通过串联限流电阻的来抑制浪涌[18],如图1所示,其中限流电阻R与并网接触器KM并联。启动过程中并网接触器断开,电路工作在不控整流状态,电网通过启动电阻和开关管的反并联二极管对直流电容进行充电,直到直流电压稳定。然而,当CHB STATCOM切换为正常工作瞬间,由于直流电压依旧低于正常工作所需的标称电压,即使引入斜坡电流参考或电网电压前馈补偿,仍会产生较大的浪涌电流。

图1

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图1   星形CHB STATCOM的电路配置


为了抑制上述过程产生的冲击电流,应在不控整流阶段后对直流电容进一步充电以减小电压差。针对预充电过程直流侧电容升压不足的问题,众多文献展开了对受控充电策略的研究[19⇓⇓⇓⇓-24]。文献[19]通过控制三相两电平变流器的相电流实现直流侧升压,并且受控相序由电网电压的过零检测来确定。为了避免检测不准确,文献[20]提出了一种线性增加下臂开关占空比的软启动控制方式。然而,该控制方法要求功率晶体管在高开关频率下,不适用于使用低频IGBT的CHB STATCOM。同时,当用于具有大量开关的多电平转换器时,上述方法的控制策略将非常复杂。文献[21]提出了两种闭环控制方法,分别从MMC的直流侧和交流侧用恒定电流对直流电容进行线性充电,算法相对简单。文献[22]推导了电容充电电路的小信号模型,把各模块作为升压变换器实现电容的升压控制。文献[23]提出一种应用于MMC-HVDC的统一启动控制策略。然而由于MMC与CHB的不控整流拓扑不同,上述控制方法不能直接应用于CHB STATCOM。文献[24]提出了一种广义的预充电策略,通过电压排序算法控制子模块的断路或短路,但是由于各子模块电容没有同时充电,使得电容电压的平衡控制相当复杂。

本文针对星形级联H桥STATCOM提出了一种新型的启动控制方案,它可以在受控升压过程中将直流电容充电至其标称值而不产生浪涌电流,同时主电路继续串联电阻以限制充电电流。为了解释这一想法,用相量图来说明调制电压和直流电压之间的关系,并建立了他们的数学关系。基于这种关系,提出了一种直流电压的闭环控制方法,并设计了PI调节器。最后,通过试验验证了所提出的启动控制方法的可行性和有效性。

2 浪涌电流的分析

传统的CHB STATCOM启动控制策略是采用不控整流的方式对直流侧电容进行预充电,通过串联限流电阻来抑制预充电开始时的浪涌电流。然而,由于不控整流达到稳态时直流电压与标称电压存在较大差距,系统切换到正常工作瞬间仍会产生浪涌电流。下面对该过程冲击电流产生的机理进行分析。

2.1 不控整流过程

当CHB STATCOMC采用不控整流的方式进行预充电时,其电路拓扑结构如图2所示。该过程中并网接触器和开关管都处于关断状态,各H桥串联分布,每个H桥单元可等效为带电容滤波的单相桥式不可控整流电路。此时电网线电压通过启动电阻和开关的反并二极管对两组直流电容进行充电。

图2

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图2   不控整流过程的拓扑结构


因此,当直流电压上升至稳定时,每个电容的直流电压满足

${{U}_{dc(uncon)}}\le \frac{\sqrt{3}{{E}_{m}}}{2N}$

式中,Em为电网相电压的幅度;N为每相级联的模块单元数。如果直流侧电容与泄放电阻并联或者为硬件电路供电,则实际直流侧电压会更低。

当STATCOM正常工作时,各电容的标称直流电压Unorm可以表示为

${{U}_{norm}}=\frac{{{E}_{m}}}{N\cdot {{M}_{\text{i}}}}$

式中,Mi(0≤Mi≤1)为调制比。根据式(1)和式(2),可以推导出Udc(uncon)和Unorm的关系

${{U}_{dc(uncon)}}\le \frac{\sqrt{3}{{M}_{i}}}{2}{{U}_{norm}}$

当CHB STATCOM进行无功补偿时,Mi通常设计在0.9左右。因此,当系统经过不控整流过程,电容电压的稳态值Udc(uncon)与标称电压Unorm之间的电压差将超过22%。

2.2 浪涌电流产生的原因

经过不控整流阶段,直流侧电容电压上升达到稳态值。此时闭合并网接触器,切除限流电阻,CHB STATCOM将进入正常工作阶段。在该阶段中,控制器施加栅极驱动信号实现开关管的通断,其等效电路如图3所示,其中e、u、uL和i分别表示电网电压、STATCOM输出电压、电感电压和STATCOM输出电流(忽略其高频率分量)。

图3

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图3   正常工作时的等效电路


图4为正常工作开始时的等效相量图,圆弧表示CHB STATCOM的输出电压范围。为了限制装置切换到正常工作瞬间的输出电流,需要最小化电感电压。当STATCOM的输出电压与电网电压保持同相并且Mi等于1时,电感电压幅值达到最小。

图4

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图4   正常工作时的等效相量图


在该理想情况下,结合式(2)和式(3)可以推导出电感电压UL的幅值为

${{U}_{L}}={{E}_{m}}-N{{M}_{\text{i}}}{{U}_{dc(uncon)}}\ge 0.134{{E}_{m}}$

考虑多电平变流器的谐波性能,电感的压降通常设计为低于电网电压的10%。从式(4)可以看出,若不施加控制,其感抗不足以限制浪涌电流,电感电压已远远超过了设定范围。因此,STATCOM进入正常工作瞬间将产生较大的冲击电流。

3 改进的启动控制方法

为解决传统启动控制中直流侧电容升压不足的问题,需要在不控整流阶段后对各开关器件的脉冲信号加以控制,实现直流侧进一步升压。因此,提出了一种改进的启动控制方法。

3.1 控制方法

由式(2)和式(4)可知,在正常工作前将直流侧电容充电至其标称值可以消除浪涌电流,因此在不控整流后引入了升压控制,减小直流侧电容的电压差。在该过程中,为了提高直流侧电压的同时抑制充电电流,需要继续串联限流电阻。图5和图6分别为可控升压阶段的等效电路图和相量图,由于串联的限流电阻较大,电抗器感抗相较于电阻阻值可以忽略不计,STATCOM几乎只吸收有功电流对直流侧电容进行充电。

图5

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图5   可控升压阶段的等效电路


图6

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图6   可控升压阶段的相量图


在可控升压过程中,并网接触器仍于关断状态,SATACOM通过控制栅极驱动信号实现各开关管的通断。此时,STATCOM从网测吸收有功功率对各级联H桥单元直流侧电容进行充电,限流电阻不仅产生有功电流对直流侧电容充电,同时也可以限制充电电流。由于R$\gg $ωL,可以推导出有功电流的幅值为

$I=\frac{{{E}_{m}}-N{{M}_{\text{i}}}{{U}_{dc(con)}}}{R}$

式中,Udc(con)为可控升压过程中每个直流侧电容的电压。随着直流电压的增加,有功电流将逐渐减小。理论上,当有功电流为零时,直流电压达到稳态值,可以表示为

${{U}_{dc(con)}}=\frac{{{E}_{m}}}{N{{M}_{\text{i}}}}$

从式(6)可以看出,调制比Mi越低,直流电压 越大。因此提出了一种闭环控制方法如图7所示,Udc(sum)为总直流电压,等于所有电容电压之和;Ustep为直流电压的增加步长;KPWM为调制级的增益,当使用载波相移PWM(CPS PWM)时,其值等于直流链路电压NUdc(con);θ为该相电网电压的相位角。

图7

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图7   改进的启动控制框图


在该启动控制中,将增加步长后的直流电压与直流链路标称电压比较,其最小值作为直流电压的参考值,避免产生过大的输出电流。调制比Mi同时受反馈和前馈控制影响,反馈控制产生的调制比MR表示来自电阻电压UR的调制分量;前馈控制产生的调制比Em/KPWM表示来自电网电压的调制分量。当总直流电压偏离参考值时,电压偏差量经过PI调节器得到的校正量作为调制比MR,通过调节Mi将直流电容电压Udc(con)充电至其标称值Unorm。同时,采用文献[25]中有功矢量叠加的方法实现各模块电容电压的平衡,其控制框图如图8所示,通过调节各单元吸收的有功功率实现模块电压均衡。

图8

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图8   各模块均压控制框图


基于图7中改进的启动控制方法,所有电容的直流电压都在可以可控升压阶段充电至其标称值。然后将并网接触器闭合,CHB STATCOM进入正常运行状态。整个启动阶段包括不控整流和可控升压的两个阶段,可以用图9所示的流程图来描述。

图9

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图9   整个启动阶段的流程图


3.2 启动控制的设计

为了设计图7中启动控制的PI参数(Kp,Ki),建立控制系统的等效模型如图10所示。

图10

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图10   等效的控制模型


图10中,P表示三相有功功率,根据瞬时有功功率理论,可以由有功电流和电网电压推导出。根据图10,可以推出控制系统的开环传递函数Gso为

${{G}_{\text{s}o}}=\frac{9N{{E}_{m}}{{K}_{PWM}}{{K}_{p}}\cdot s+9N{{E}_{m}}{{K}_{PWM}}{{K}_{i}}}{2CR{{U}_{nom}}\cdot {{s}^{2}}}$

由式(7)可知,在实际应用中,可以根据设定的截止频率和相位裕度来设计PI参数。

4 试验结果

为验证所提出的改进的启动控制方法,搭建了星形级联H桥STATCOM的试验平台如图11所示,其主要参数如表1所示。根据式(7),当截止频率和相位裕度设定在700 Hz和80°时,PI参数设计为：Kp=0.008,Ki=0.07。使用DSP和FPGA控制器对电流和电压分别采样,所有采样信号都通过以太网发送到计算机,并通过LabVIEW平台上的虚拟示波器显示电压和电流波形。

图11

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图11   试验测试平台


表1   试验平台参数

参数数值
网侧线电压幅值Em/V400
输出无功功率Q/kVar5
直流侧电容容值C/mF3
直流侧电容电压Unorm/V85
交流侧电感阻抗L/mH6
限流电阻阻值R/Ω20
每相级联模块数N5

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图12为传统启动控制下总直流侧电压以及三相电流的试验波形。从图12a可以看出,采用不控整流进行预充电时,总直流电压稳定在782 V。由于直流侧并联泄放电阻,同时各个模块的控制电路和驱动电路需要从直流侧取能,所以直流侧电压低于理想值848 V。在传统的启动控制中,当装置切换到正常工作瞬间直流侧电压迅速上升。同时,三相电流出现了明显的过冲现象如图12b所示。

图12

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图12   采用传统启动控制的试验波形


采用改进的启动控制方法,STATCOM总直流侧电压以及三相电流的试验波形如图13所示。由图13a可知,当CHB STATCOM进入可控升压阶段,直流电压缓慢上升,之后可以稳定在标称值(15×85=1 275 V),同时STATCOM输出电流受到限制,其峰值小于4 A,如图13b所示。当闭合并网接触器时,CHB STATCOM进入正常工作阶段,此时CHB STATCOM直流电压稳态值已达到标称电压,能够保证装置输出电流处于可控状态,所以STATCOM输出电流过度缓慢。

图13

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图13   采用改进的启动控制的试验波形


5 结论

本文为了抑制星形CHB STATCOM启动时的冲击电流,提出了一种改进的启动控制策略。通过控制调制比,在STATCOM正常工作前将直流电压充电至其标称值,并且在受控过程中继续串联限流电阻,达到抑制启动电流的目的。基于三相400 V/5 kVar星形 STATCOM样机的试验结果验证了所提控制方法的有效性。

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