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摘 要：直流侧电容电压平衡是链式静止同步补偿器（static synchronous compensator，简称STATCOM）能够正常运行的前提，针对链式STATCOM直流侧电容电压不平衡问题，建立了链式STATCOM数学模型，通过解耦实现有功和无功的分离，结合软件控制与硬件控制的优点，在分层构架的基础上，提出一种电容均衡能量的方法实现直流侧电容电压平衡，上层通过解耦控制实现链式STATCOM整体有功、无功控制，下层通过电容作为中间单元来控制直流侧电容电压大小。仿真结果表明，該控制方法可以有效地解决链式STATCOM直流侧电压不平衡问题，具有较高的工程实用价值。
关键词：链式STATCOM；直流电压平衡；分层控制；电容均衡能量
1 前言
链式结构静止同步补偿器（static synchronous compensator，简称STATCOM）具有无需多重化接入变压器、可实现分相控制、占地面积小、便于模块化设计和冗余运行等优点[1-6]，近年来在国内外得到了广泛的研究与应用。然而链式STATCOM各H桥模块直流侧相互独立，其直流侧电容电压难以平衡，直流侧电容电压平衡是STATCOM装置安全可靠运行需要解决的关键问题[7-10]。
本文在分层构架的基础上，提出一种电容均衡能量的方法实现直流侧电容电压平衡，上层通过解耦控制实现链式STATCOM整体有功、无功控制，下层通过电容作为中间单元来控制直流侧电容电压大小，结合了软硬件控制方法的优点，具有控制方法简单，响应速度快且便于系统扩展等优点。
2 链式STATCOM数学模型
链式STATCOM系统整体结构如图1所示。usa、usb、usc为系统电压，等效电阻为R，连接电抗为L，uca、ucb、ucc为链式STATCOM输出电压，ica、icb、icc为补偿电流，链式STATCOM每相链接由N个H桥逆变器构成。
由图1，根据KVL可以得到链式STATCOM电压表达式
对式（1）进行解耦变换可得
式（2）中：KP和KI分别为比例系数和积分系数。
3 电容均衡能量的直流侧电压控制方法
3.1 系统整体有功与无功功率控制
链式STATCOM整体有功与无功功率控制如图2所示。根据式（2），通过前馈解耦控制实现STATCOM系统有功与无功功率的分离，进而实现对链接整体有功与无功功率的控制。
为了达到各H桥功率模块的直流侧电容电压平均值等于其参考值电压的目的，通过 PI 调节器，构造电压均值控制方程为
式（3）中， 为链节额定电压， 为直流侧电容电压平均值。调节有功电流指令，可以改变系统吸收的有功功率，系统吸收有功功率来给直流侧电容充电。其控制框图如图 3所示。
3.2 电容均衡能量控制
通过上层解耦控制可以调节系统总的有功功率，在总的有功功率足够的情况下，由于链式STATCOM三相链接各H桥模块间的参数不一致，会有模块过充电与过放电的情况出现，如果在各H桥模块之间未采用平衡控制，会导致各模块之间直流电压不平衡，严重时甚至造成系统无法正常工作。
图4给出了电容均衡能量控制框图。CJ1…CJ（N-1）为n-1个均压电容，P1…PN为单刀双掷开关。模块之间以均压电容作为中间单元平衡各直流侧电容电压，运用能量转移的思想，将直流侧电容电压高的能量转移到电压偏低的电容，来实现直流侧电容均压。当驱动脉冲上升沿到来时，单刀双掷开关P1…PN合向上端，CJ1…CJ（N-1）与C1…C（N-1）构成n-1个闭合回路，当驱动脉冲下降沿到来时，P1…PN合向下端，CJ1…CJ（N-1）与C2…CN构成n-1个回路，经过开关的反复切换，均压电容与直流侧电容会达到电压平衡，各均压电容将两两之间的直流侧电容连接起来，从而实现各直流侧模块的电压平衡。其中单刀双掷开关由MOSFET构成。
4 仿真
利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了图1中链式STATCOM系统仿真模型。仿真参数：us=400V，电网频率fs=50HZ，链节直流侧电容Cdc=3000μF，并网电感L=5mH，链节直流侧电压udc=110V，级联模块数N=3。
分别在只控制总的有功功率与加入电容均衡能量的控制方法下作对比。图5为仅对总的有功功率进行控制，各H桥模块之间未加入平衡控制时STATCOM直流侧电容电压波形。可以看出，只控制总的有功功率时直流侧电容电压不平衡较为明显，从100V到120V不等，最大电压达到20V左右，仿真结果表明，由于链式STATCOM三相链接各H桥模块间的参数不一致，会导致直流侧电容电压不平衡，只控制总的有功功率不能实现各模块直流电压平衡。
图6为加入电容均衡能量控制后STATCOM直流侧电容电压波形，可以看出，加入电容均衡能量控制后，其直流侧电容电压基本保持一致，稳定在110V左右，且波动小，仿真表明该控制方法可以有效地稳定链式STATCOM直流侧电容电压，达到很好的控制效果。
5 结论
本文针对链式STATCOM直流侧电容电压平衡问题，在分层构架的基础上，提出一种电容均衡能量的方法实现直流侧电容电压平衡，上层通过解耦控制实现链式STATCOM整体有功、无功控制，下层通过电容作为中间单元来控制直流侧电容电压大小，结合了软硬件控制方法的有点，具有控制方法简单，响应速度快且便于系统扩展等优点。仿真结果表明：该方法可以有效地解决直流侧电容电压平衡问题，具有很高的工程实用价值。
参考文献
[1]刘文华，宋强.基于链式逆变器的±50Mvar 静止同步补偿器的直流电压平衡控制[J].中国电机工程学报，2004，24（2）：145-150. [2]Li Y D，Wu B.A novel DC voltage detection technique in the CHB inverter-based STATCOM[J].IEEE Trans on Power Delivery，2008，23（3）：1613-1619.
[3]Tao X H，LI Y D，Sun M.A PI-based control scheme for primary cascaded H-bridge rectifier in transformerless traction converters[A].Proceedings of International Conference on Electrical Machines and Systems.Incheon，Korea：IEEE[C].2010：824-828.
[4]Barrena J A，Marroyo L，Vidal M A R，et al.Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-bridge converter based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（l）：21-29.
[5]刘钊，刘邦银，段善旭，等.链式静止同步补偿器的直流电容电压平衡控制[J].中国电机工程学报，2009，29（30）：7-12.
[6]Yu Liu，Huang A Q，Wenchao Song，et al.Small-signal model-based control strategy for balancing individual DC capacitor voltages in cascade multilevel inverter-based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（6）：2259-2269.
[7]耿俊成，刘文华，袁志昌.链式STATCOM电容电压不平衡现象研究：（一）仿真和试验[J].电力系统自动化，2003，27（16）：53-57.
[8]耿俊成，刘文华，俞旭峰，等.链式 STATCOM 的，数 学 模 型 [J].中 国 电 机 工 程 学 报，2003，23（6）：66-70.
[9]Liang Y Q，Nwankpa C O.A new type of STATCOM based on cascading voltage-source inverters with phase-shifted unipolar SPWM[J].IEEE Trans on Industry Applications，1999，35（5）：1118-1123.
[10]Han C，Yang Z，Chen B，et al.Evaluation of cascade multileve converter based STATCOM for arc furnace flicker mitigation[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43（2）：378-385.
（作者單位：中国葛洲坝集团机械船舶有限公司）
关键词：链式STATCOM；直流电压平衡；分层控制；电容均衡能量
1 前言
链式结构静止同步补偿器（static synchronous compensator，简称STATCOM）具有无需多重化接入变压器、可实现分相控制、占地面积小、便于模块化设计和冗余运行等优点[1-6]，近年来在国内外得到了广泛的研究与应用。然而链式STATCOM各H桥模块直流侧相互独立，其直流侧电容电压难以平衡，直流侧电容电压平衡是STATCOM装置安全可靠运行需要解决的关键问题[7-10]。
本文在分层构架的基础上，提出一种电容均衡能量的方法实现直流侧电容电压平衡，上层通过解耦控制实现链式STATCOM整体有功、无功控制，下层通过电容作为中间单元来控制直流侧电容电压大小，结合了软硬件控制方法的优点，具有控制方法简单，响应速度快且便于系统扩展等优点。
2 链式STATCOM数学模型
链式STATCOM系统整体结构如图1所示。usa、usb、usc为系统电压，等效电阻为R，连接电抗为L，uca、ucb、ucc为链式STATCOM输出电压，ica、icb、icc为补偿电流，链式STATCOM每相链接由N个H桥逆变器构成。
由图1，根据KVL可以得到链式STATCOM电压表达式
对式（1）进行解耦变换可得
式（2）中：KP和KI分别为比例系数和积分系数。
3 电容均衡能量的直流侧电压控制方法
3.1 系统整体有功与无功功率控制
链式STATCOM整体有功与无功功率控制如图2所示。根据式（2），通过前馈解耦控制实现STATCOM系统有功与无功功率的分离，进而实现对链接整体有功与无功功率的控制。
为了达到各H桥功率模块的直流侧电容电压平均值等于其参考值电压的目的，通过 PI 调节器，构造电压均值控制方程为
式（3）中， 为链节额定电压， 为直流侧电容电压平均值。调节有功电流指令，可以改变系统吸收的有功功率，系统吸收有功功率来给直流侧电容充电。其控制框图如图 3所示。
3.2 电容均衡能量控制
通过上层解耦控制可以调节系统总的有功功率，在总的有功功率足够的情况下，由于链式STATCOM三相链接各H桥模块间的参数不一致，会有模块过充电与过放电的情况出现，如果在各H桥模块之间未采用平衡控制，会导致各模块之间直流电压不平衡，严重时甚至造成系统无法正常工作。
图4给出了电容均衡能量控制框图。CJ1…CJ（N-1）为n-1个均压电容，P1…PN为单刀双掷开关。模块之间以均压电容作为中间单元平衡各直流侧电容电压，运用能量转移的思想，将直流侧电容电压高的能量转移到电压偏低的电容，来实现直流侧电容均压。当驱动脉冲上升沿到来时，单刀双掷开关P1…PN合向上端，CJ1…CJ（N-1）与C1…C（N-1）构成n-1个闭合回路，当驱动脉冲下降沿到来时，P1…PN合向下端，CJ1…CJ（N-1）与C2…CN构成n-1个回路，经过开关的反复切换，均压电容与直流侧电容会达到电压平衡，各均压电容将两两之间的直流侧电容连接起来，从而实现各直流侧模块的电压平衡。其中单刀双掷开关由MOSFET构成。
4 仿真
利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了图1中链式STATCOM系统仿真模型。仿真参数：us=400V，电网频率fs=50HZ，链节直流侧电容Cdc=3000μF，并网电感L=5mH，链节直流侧电压udc=110V，级联模块数N=3。
分别在只控制总的有功功率与加入电容均衡能量的控制方法下作对比。图5为仅对总的有功功率进行控制，各H桥模块之间未加入平衡控制时STATCOM直流侧电容电压波形。可以看出，只控制总的有功功率时直流侧电容电压不平衡较为明显，从100V到120V不等，最大电压达到20V左右，仿真结果表明，由于链式STATCOM三相链接各H桥模块间的参数不一致，会导致直流侧电容电压不平衡，只控制总的有功功率不能实现各模块直流电压平衡。
图6为加入电容均衡能量控制后STATCOM直流侧电容电压波形，可以看出，加入电容均衡能量控制后，其直流侧电容电压基本保持一致，稳定在110V左右，且波动小，仿真表明该控制方法可以有效地稳定链式STATCOM直流侧电容电压，达到很好的控制效果。
5 结论
本文针对链式STATCOM直流侧电容电压平衡问题，在分层构架的基础上，提出一种电容均衡能量的方法实现直流侧电容电压平衡，上层通过解耦控制实现链式STATCOM整体有功、无功控制，下层通过电容作为中间单元来控制直流侧电容电压大小，结合了软硬件控制方法的有点，具有控制方法简单，响应速度快且便于系统扩展等优点。仿真结果表明：该方法可以有效地解决直流侧电容电压平衡问题，具有很高的工程实用价值。
参考文献
[1]刘文华，宋强.基于链式逆变器的±50Mvar 静止同步补偿器的直流电压平衡控制[J].中国电机工程学报，2004，24（2）：145-150. [2]Li Y D，Wu B.A novel DC voltage detection technique in the CHB inverter-based STATCOM[J].IEEE Trans on Power Delivery，2008，23（3）：1613-1619.
[3]Tao X H，LI Y D，Sun M.A PI-based control scheme for primary cascaded H-bridge rectifier in transformerless traction converters[A].Proceedings of International Conference on Electrical Machines and Systems.Incheon，Korea：IEEE[C].2010：824-828.
[4]Barrena J A，Marroyo L，Vidal M A R，et al.Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-bridge converter based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55（l）：21-29.
[5]刘钊，刘邦银，段善旭，等.链式静止同步补偿器的直流电容电压平衡控制[J].中国电机工程学报，2009，29（30）：7-12.
[6]Yu Liu，Huang A Q，Wenchao Song，et al.Small-signal model-based control strategy for balancing individual DC capacitor voltages in cascade multilevel inverter-based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（6）：2259-2269.
[7]耿俊成，刘文华，袁志昌.链式STATCOM电容电压不平衡现象研究：（一）仿真和试验[J].电力系统自动化，2003，27（16）：53-57.
[8]耿俊成，刘文华，俞旭峰，等.链式 STATCOM 的，数 学 模 型 [J].中 国 电 机 工 程 学 报，2003，23（6）：66-70.
[9]Liang Y Q，Nwankpa C O.A new type of STATCOM based on cascading voltage-source inverters with phase-shifted unipolar SPWM[J].IEEE Trans on Industry Applications，1999，35（5）：1118-1123.
[10]Han C，Yang Z，Chen B，et al.Evaluation of cascade multileve converter based STATCOM for arc furnace flicker mitigation[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43（2）：378-385.
（作者單位：中国葛洲坝集团机械船舶有限公司）