矿用LCL型三电平静止无功发生器控制策略.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min eAut o ma t io n 第46卷第5期 2020年5月 Vo l 46No 5 Ma y 2020 文章编号；1671 251X202005 0087 07 DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2020010065 矿用LCL型三电平静止无功发生器控制策略 张传金1李雨潭刘战唐轶张晓2 1.江苏建筑职业技术学院智能制造学院江苏 徐州221116； 2.中国矿业大学电气与动力工程学院％江苏徐州221116 扫码移动阅读 摘要为适应煤矿井下特殊环境，减小矿用静止无功发生器S VG的体积和质量，采用LCL滤波器和三 电平逆变器作为矿用S VG的主电路拓扑，并针对LCL滤波器电流谐振问题和三电平逆变器中点电位不平 衡问题，提出了 一种基于串联双电流环有源阻尼控制和动态比例空间矢量调制的矿用LCL型三电平S VG 控制策略串联双电流环有源阻尼控制在网侧电流外环PI控制的基础上，通过增加滤波电容电流内环反馈 控制使LCL滤波器具有阻尼特性，有效抑制了电流谐振；动态比例空间矢量调制在基本空间矢量中引入动 态比例调整因子，对单位开关周期内平均中点电流进行实时控制，从而实现对中点电位平衡的控制。仿真和 实验结果验证了该控制策略在LCL滤波器无阻尼电阻和直流母线电容较小情况下的可行性和良好效果 关键词煤矿电网；静止无功发生器；LCL滤波器；三电平逆变器；电流谐振；中点电位平衡；有源阻 尼； 量 制 中图分类号TD611 文献标志码A Co n t r o l s t r a t egy o f min e-used LCLt hr ee-l evel s t a t ic va r gen er a t o r ZHANG Chua n jin1 , LI Yut a n1 , LIU Zha n2, TANG Yi2, ZHANG Xia o2 1. S c ho o l o f In t el igen t Ma n uf a c t ur in g,Jia n gsu Vo c a t io n a l In st it ut e o f Ar c hit ec t ur a l Tec hn o l o gy , Xuzho u 221116, Chin a; 2. S c ho o l o f El ec t r ic a l a n d Po w er En gin eer in g, Chin a Un iver sit y o f Min in ga n d Tec hn o l o gy ,Xuzho u221116,Chin a AbstractIn o r d er t o a d a pt t o spec ia l en vir o n men t o f c o a l min ea n d r ed uc evo l umea n d qua l it y o f min e- used st a t ic va r gen er a t o r S VG , LCL f il t er a n d t hr ee-l evel in ver t er w er e used a s ma in c ir c uit t o po l o gy o f min e-used S VG. F o r pr o bl ems o f c ur r en t r eso n a n c e o f LCL f il t er a n d po t en t ia l imba l a n c ein t hr ee-l evel in ver t er , a c o n t r o l st r a t egy o f min e-used LCL t hr ee-l evel S VG ba sed o n ser iesd o ubl ec ur r en t l o o pa c t ive d a mpin g c o n t r o l a n d d y n a mic pr o po r t io n a l spa c e vec t o r mo d ul a t io n w a s pr o po sed . On t he ba sis o f PI c o n t r o l o f gr id -sid ec ur r en t o ut er l o o p,LCLf il t er ha sd a mpin gc ha r a c t er ist ic s by a d d in gf eed ba c k c o n t r o l o f f il t er c a pa c it o r c ur r en t in n er l o o p, w hic h c a n efec t ivel y suppr ess c ur r en t r eso n a n c e. Dy n a mic pr o po r t io n a l s pa c evec t o r mo d ul a t io n in t r o d uc es d y n a mic pr o po r t io n a l a d just men t f a c t o r in t o ba sic spa c e vec t o r t o c o n t r o l a ver a gen eut r a l -po in t c ur r en t in un it sw it c hin gc y c l ein r ea l t ime,so a st o a c hieveba l a n c e c o n t r o l o f t hr ee-l evel n eut r a l -po in t po t en t ia l .Thesimul a t io n a n d exper imen t a l r esul t sver if y t hef ea sibil it y a n d go o d efec t o f t hec o n t r o l s t r a t egy un d er c o n d it io n o f LCLf il t er w it ho ut d a mpin gr esist a n c ea n d smal DCbusba r c a pa c it a n c e. Key words c o a l min e po w er gr id ; st a t ic va r gen er a t o r; LCL f il t er; t hr ee-l evel in ver t er; c ur r en t r es o n a n c e; n eut r a l -po in t po t en t ia l ba l a n c in g ； a c t ive d a mpin g ； spa c e vec t o r mo d ul a t io n 收稿日期收稿日期2020-01-28;修回日期修回日期2020-04-18;责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目51907083江苏省高等学校自然科学研究面上项目18KJB470009 作者简介作者简介张传金1986-，男，江苏徐州人，讲师，博士 主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用,E-ma il c hua n jin 2359 163. c o m。 引用格引用格式张传金，李雨潭，刘战，等矿用型三电平静止无功发生器控制策略工矿自动化，2020,46“87-93 ZHANG Chua n jinI Yut a nIU Zha n ,et a l . Co n t r o l st r a t egy o f min e-used LCL t hr ee-l evel st a t ic va r gen er a t o r］〕］. In d ust r y a n d Min eAut o ma t io n202046587-93. ・88・ 工矿自动化 46 0引言 随着煤矿井下生产自动化程度的提高，广泛使 用的变频器、整流器等大量非线性负载导致煤矿电 网存在谐波含量高、功率因数低等电能质量问题，严 重时甚至会损坏设备，影响煤矿正常生产运行。静 止无功发生器S t a t ic Va r Gen er a t o r, S VG作为改 善配电网终端电能质量的重要装置，具有调节速度 快、运行范围宽、输出谐波小等优点工3-,因此被广泛 应用于煤矿电网中以应对各类电能质量问题。由于 煤矿井下的瓦斯、煤尘等物质易燃易爆，S VG在井 下应用时必须满足严格的防爆和散热要求，同时因 井下工作空间的局限性，还需要考虑S VG的体积、 质量等制约因素。 除防爆外壳外，并网滤波器和直流母线电容是 影响S VG体积和质量的显著因素。与L滤波器相 比，LCL滤波器能以较小的电感量实现较理想的开 关纹波滤除效果，显著缩减了滤波器的体积和质 量⑷。另外，三电平拓扑逆变器相比于两电平拓扑 逆变器在输出电压畸变率、功率器件开关损耗等方 面更具优势，有助于进一步降低LCL滤波器的体积 和质量「5-。因此本文采用LCL滤波器和三电平逆 变器作为矿用S VG的主电路拓扑。然而对于LCL 型三电平S VG,需要考虑LCL滤波器的电流谐 振「6-和三电平逆变器的中点电位不平衡「“等问题o 通过增加阻尼电阻、直流母线电容可分别有效抑制 电流谐振、改善中点电位不平衡，但这些硬件方法是 以牺牲S VG体积和质量为代价「9-。为此有学者提 出了控制方法来解决上述问题。针对LCL滤波器 电流谐振问题，主要有“超前-滞后”环节陷波器 法「10-、虚拟电阻法“12-、观测器法「13-等有源阻尼控 制方法，上述方法通过在参考电流或参考电压中加 入阻尼分量来实现阻尼控制，但当S VG运行状态变 化时，需要重新调整阻尼分量，会对过渡过程中电流 控制效果产生一定影响。针对三电平逆变器中点电 位不平 问题， 主 量调制「14-、虚拟空间矢量调制「15-等调制方法，但基 于冗余矢量修正的空间矢量调制未能消除中点电位 低频振荡，虚拟空间矢量调制对于S VG运行状态变 化而产生的中点电位偏移的抑制速度较慢。 本文提出了一种基于串联双电流环有源阻尼控 制和动 制 矿 LCL 三 电 平 S VG控制策略，可保证LCL滤波器具有良好的阻 尼特性以有效抑制电流谐振，通过实时控制单位开 关周期内平均中点电流来实现中点电位平衡，以较 小的并网滤波器和直流母线电容获得良好的控制效 果,从而实现提高S VG功率密度的目的o 1 LCL型三电平SVG数学模型 LCL型三电平S VG单相等效电路如图1所 示。逆变器主电路采用NPC型三电平拓扑结构，每 相桥臂由4个IGBTT1 -T4 和2个钳位二极管 Di ,D2组成，设T1 ,丁2导通时桥臂状态为“P T2 ,丁3导通时桥臂状态为“OT3 ,丁4导通时桥臂 状态为“N Ud e为直流母线电压；u为逆变器输出 电压;uc为滤波电容电压；ug为电网电压；zi为逆变 器侧电流；Zg为网侧电流；Li和Ri分别为逆变器侧 电感及其等效电阻；Lg和Rg分别为网侧电感及其 等效电阻;C为滤波电容。 _ NPC-- _ LCL 三电平逆变器 图1 LCL型三电平S VG单相等效电路 F ig.1 S in gl e-pha seequiva l en t c ir c uit o f LCL t hr ee-l evel S VG 根据基尔霍夫电压、电流定律，可得三相静止坐 标系下各电压、电流之间的关系式。为便于无功电 流控制，通常将该关系式变换到按照电网电压定向 的两相同步旋转坐标系下，得 ugdq ucdq igdqRg Lg T __ | 厂 ducq --gdq idq J 1 式中ugdq，c dq , i gdq，i idq , uq分别为电网电压、滤波电 电压、 网 电 、 逆变 器 电 、 逆变 器 电 压 在两相同步旋转dq坐标系下的对应分量；t为 时间。 LCL 三电平 S VG 等效电 路 图 2 所 示。C1和CZ2分别为上下直流母线电容i1和i2分 别为流过CZ1和C2的电流；Uc1和Uc2分别为C1和 Cz2的电压；ZNP为中点电流。 图2LCL型三电平S VG直流侧等效电路 F ig. 2 DC-sid e equiva l en t c ir c uit o f LCL t hr ee-l evel S VG 2020 5张传金等矿用LCL型三电平静止无功发生器控制策略・89・ LCL型三电平S VG的中点电位vnp为上下直 流母线电容电压 ，即vnpUC1-UC2。根据 图2 中点电位与中点电 式 6np CJ Npd / 6nP0 2 式中Cz Cz1 Cz2 g为电网角频率 u*d和冷；分别为 ,q轴逆变器输出参考电压；bc为 逆变器侧三相电流。 串联双电流环有源阻尼控制 了虻馋|__________I npc型 动态上赫空间三电平 矢量调制逆变器 图3 LCL型三电平S VG控制策略 F iS .3 Co n t r o l st r a t eS y o f LCLt hr ee-l evel S VG 2, 1 串联双电流环有源阻尼控制 联双电 尼控制 图4所示。 Kplilc分别为比例控制系数、积分控制系数、电 电流反馈控制系数；, q分别为网侧参考电 流、滤波电容电流在两相同步旋转q坐标系下的 分量；s为 算子。电流外环采例 积分控制器以实现对网侧电流的跟踪控制,电流内 环通过滤波电容电流反馈来抑制电流谐振 图4串联双电流环有源阻尼控制策略 F ig.4 Ac t ived a mpin gc o n t r o l st r a t egy o f ser iesd o ubl ec ur r en t l o o p 根据图4可得开环传递函数Hpen、闭环传递函 数Go a1 s 十“2s 十“3s KpKcs KKc close 4 I 3 I 2 I I “1 S 十“2 S 十“3 S 十“4 S 十“5 式中“1 gC； “2 KcgC； “3 i Lg “4 KpKc ；“5 KKc。 分控制器的控制系统中，比例控 制 快速跟踪被 变 作用，而积分控制 , 定 大部 分取决 制 Kp,满足 定要求 值范围为Kp V1 Lg/Li,根据LCL滤波器选型参 数和工程经验设定Kp 1,Ki 100。在控制系统中 Kc作为电容电流反 制系数，主要影响谐振抑制 效果, 文着重分析Kc 计方法。在确定 Kp 1Ii 100的情况下，针对不同Kc分别绘制 零极点图和开环伯德图，如图5所示。 a 闭环零极点图 30 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 101 Kcl ■ Kc5 _ A Q10 Kc 20 1 Kc 40 v 10 频率频率/k Hz b 图 图5 LCL型三电平S VG控制系统特性 F ig.5 LCLt hr ee-l evel S VGOo n t r o l sy st emOha r a Ot er ist iOs 从图5b 可看出，随着I增大CL滤波器 振峰不断减小，阻尼 不断提升； 据 图5a,Kc增大到一定程度后Kc〉40,如果继续 增加Kc,系统稳定性将随之下降。因此，综合考虑 谐振抑制效果和系统稳定性两方面因素Ic合理的 取值范围为［20,40］。 2.2 动态比例空间矢量调制 在合成比例固定 中，引入动态 成新的动态比例空间矢量。第一扇 区内的动态比例空间矢量如图6所示。 ・90・ 工矿自动化 46 “O“状态，则Npf 0。因此 ef输出开关周期内平均 中 点 电 为 匚 _3t1 Ks1 2t1 IK/. | NP 一-------------- ------------------ a 十 6 1 s 3t1 KJ 2t1 Km., ---------------------------------------------------7i 图6第一扇区动态比例空间矢量分布 F ig.6 Dist r ibut io n o f d y n a mic pr o po r t io n a l spa c e vec t o r in sec t io n 1 V VM1（ 1 丁 “。ON 1）3KM（VppO ONN） “ _1 Ks1“ | 1 Ks g v S1 2 V POO 十 2 V ONN 7 1 Ks2“ i 1 Ks2“ S2 一 PPO 十 V ONN L1 PNN L2 一 PPN Z 一 OOO （5） 式中 M1 S1 S2 L1 L2 Z分别为第一扇区内 的动态比例中矢量、小矢量1、小矢量2、大矢量1、 大矢量2、零矢量Im Is1，Ks2分别为 M1， S1， S2 的动态比例调整因子取值为［1 1- ； PON， PPO， ONN， POO， PNN， PPN， OOO为基本空间矢量，其下 标表示逆变器三相桥臂对应的状态。 参考电压矢量 ef可由距离其最近的3个动态 比例矢量来合成，根据伏秒平衡原理可得 3t （1 Ks1 ）十 2t（1 十 K/）. -----------1-----------c ⑻ 式中a，c分别为逆变器侧a ,c相电流。 从式（8）可看出，通过改变动态比例调整因子 K/和Ks1可直接改变平均中点电流；np 当K/和 Ks1同时为0时，1 NP f 0 ；当K/和Ks1不同时为0 时，1 np 3 0。 对式（2）进行离散化处理，可得单位开关周期内 中点电位的变化值 △ NP 11 一 C“ NP Os 一C〉 t 0 z a，b,c 9 式中t为使得（ a ,b ,c）相桥臂处于“O”状态的 作。 S VG稳态运行（参考电流保持不变）时，如果使 得每个开关周期内；NP都等于0，则UNP始终为0， 中点电位保持不变，避免了低频振荡问题；S VG运 行状态发生改变（突加负载等）时，如果继续保持 ；np 0，则中点电位会出现偏移，因此必须使dnp 3 0，即；np30，来消除暂态过程中的中点电位偏移。 具体控制规律当6np〉0时，选取由电网流向S VG 方向的相电流对应的相，增加使得相桥臂处于 ef 一 OOS1 M1 O“O“L1 6 式中1，2, t3分别为 S1， M1， L1的作用时间；Os 为开关周期。 将式5代入式6，可得 7 t1 /1 I“s1 丫厂 | 1 I I-S1 \ I t 、丁 |、丁 | V ref 0 V POO 十 V ONN 丿十亍““PNN “O”状态的空间矢量的作用时间；当6np V0时，选 取由S VG流向电网方向的相电流对应的相，增 加使得相桥臂处于“O”状态的空间矢量的作用 t21 Km 3 PONI 1-KM PPO ONN 。 在 ef确定的情况下， S1， M1， L1的作用时间 t1，12，t3均为固定值，因此对1 NP和DnP的控制转换 为对动态比例调整因子K的控制。动态比例调整 因子计算公式为 3t1Ks12t1Km 6O ONN I t2 1K/ i 厂 3O V PON 6NPSgn z /6Px 1 V K 1 K g 0. 15 mH，交流滤波电容 Cf 20 ,F，直流母线电容CZ1CZ2 1 600 ,F，开关 2020 5张传金等矿用LCL型三电平静止无功发生器控制策略・91・ 频率为10 k Hz。 S VG 电 制 中 滤波 电 电 反 仿真结果如图7所示。可看出加入滤波电容电流反 馈的串联双电流环有源阻尼控制能有效抑制LCL 滤波器产生的电 振。 调制下的中点电位振幅基本相当，表明在获得同等 制 效 , 采 动 制 - 麵 时间/20 ms 格J a 无滤波电容电流反馈 VV 0 0 0 0 、垢曲極 时间/20 ms 格“ 有滤波电容电流反馈 （b） 图7 S VG网侧电 真波形 有效减小直流母线电容。 4 实验验证 LCL型三电平S VG实验平台如图10所示。 LCL滤波器采用铁芯电感和空心电感。控制电路 采用DS P F PGA双核心架构，以TMS 320F 28335 为主控器件，利用XC6S LX9产生IGBT驱动信号 节IGBT 。实验平台主要元器件 与仿真参数一致，设置IGBT死区时间为3 ,so F ig.7 S imul a t io n w a vef o r ms o f S VG gr id -sid e c ur r en t 直流母线电容分别为800,1 600,3 200, 8 000 ,F情况下，采用空间矢量调制策略和动态比 制 真波形分 图8、图9 所示。 母线电容增加，2种调制策 制 中点电位波动 一定改善；直流母线 电容为800 ,F时动态比例空间矢量调制下的中点 电位振幅与 母线电容为8 000 ,F时空间矢量 图10 LCL型三电平S VG实验平台 格“） 时间/（IO ms c . 母线电容为3 200 ,F 卜 时间/10 ms 格“ d 直流母线电容为8 000 ,F 图8 制 真波 F ig.8 S imul a t io n w a vef o r ms o f spa c e vec t o r mo d ul a t io n F ig.10 Exper imen a l pl a f o r m o f LCLhr ee-l evel S VG 为验证本文控制策略在S VG稳定运行及运行 状态发生变化情况下，土 LCL滤波器电流谐振 和三电平逆变器中点电位不平 制效 果，进行动态加载实验。先使S VG运行在空载状 态,S VG运行过程中瞬时加载，实验波形如图11所 示。 载前中点电位 没有波动 加 载瞬间中点电位产生较大偏移，经过约一个半工频 周期 ，加载后中点电位偏差逐渐减小并进入 稳态；a相电网电流在加载前后及加载瞬间均保持 变 律，无电 振 发生；加载后，a相 7 7 悭 7 7 鰹 aa 时间/（10 ms -格J） 直流母线电容为800 ,F 时间/（10 ms -格“） c 直流母线电容为3 200 ,F 时间/（10 ms .格J） a 感性无功补偿 7 7 悭 0 0 1 0 0 1 、垢莊辕 7 7 悭 A A 0 0 0 0 0 0 、田曲是 b直流母线电容为1 600 ,F 时间/（10 ms -格“） d 直流母线电容为8 000 ,F 「悭 v o o v o o 垢莊晏 7 7 悭 5 0 0 5 0 0 田曲頁 7 7 牌 5 0 1 5 0 1 、扫五旺圧 图9动 制仿真波形 F ig.9 S imul a t io n w a vef o r mso f d y n a mic pr o po r t io n a l spa c evec t o r mo d ul a t io n （b）容性无功补偿 图11 LCL型三电平S VG实验波形 F ig. 11 Exper imen t a l w a vef o r ms o f LCL t hr ee-l evel S VG ・92・ 工矿自动化 46 电网电压和电网电流保持同相位，表明无功补偿效 果良好。 验平台测试，在保证良好控制效果的前提 下，采用本文控制策略可省去LCL滤波器阻尼电阻 并减小直流母线电容，从而减小S VG的体积和质 量。实物对比如图12所示，具体参数见表1 a 采用本文控制策略前 b 采用本文控制策略后 图12 LCL型三电平S VG实物 F ig.12 Phy siOa l o bjeOt o f LCLt hr ee-l evel S VG 表1 S VG体积和质量对比 Ta bl e1 Co mpa r iso n o f vo l umea n d qua l it y o f S VG S VG 质/g整机体积 长o宽o高/ mm O mm O mm 滤波器滤波器 直流母直流母 线电容线电容 整机整机 图 12a 15 6 40500o 400o 200 图 12b 13 4 35410o 400o 190 5结语 提出了一种基于串联双电流环有源阻尼控制和 动态比例空间矢量调制的LCL型三电平S VG控制 策略。串联双电流环有源阻尼控制在网侧电流外环 PI控制的基础上，通过增加滤波电容电流内环反馈 控制使LCL滤波器具有阻尼特性，有效抑制了电流 谐振；动态比例空间矢量调制通过引入动态比例调 ，增 S VG 位开关周期内平均中点 电流的控制能力，解决了 S VG稳态运行和暂态变化 过程中存在的中点电位低频振荡和中点电位偏移问 题。仿真和实验结果表明，该策略可在滤波器无阻 尼电阻的情况下抑制电流谐振，在减小直流母线电 容的情况下保证中点电位平衡，采用该策略的S VG 可有效减小体积和质量。 参考文献ReferencesReferences [1 -池帮秀，张茂松，王群京，等.基于T型三电平变换器 的S VG仿真研究[J-.电测与仪表，2018,55 11 19-24. 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