PLECS: STATCOM Cascaded H-Bridge Converter

1 概述（Overview）

本演示展示了中压静止同步补偿器（STATCOM）系统。级联变流器在大功率应用中很常见，如中压传动、高压直流输电（HVDC）和柔性交流输电系统（FACTS）。这些类型的变流器具有低开关损耗和高冗余的优点，但需要复杂的控制，例如单元电容器电压平衡。

STATCOM的目的是补偿电力系统上各种负载所需的无功功率。该10 MVA STATCOM系统模型源自单启动桥单元（SSBC）类变流器[1]。[2]中给出了不同拓扑的明确分类。

注意：此模型包含可以从以下位置访问的模型初始化命令：

PLECS Standalone：菜单“Simulation + Simulation Parameters… + Initializations”

PLECS Blockset：Right click in the"Simulink model window + Model Properties + Callbacks + InitFcn* "

2 模型（Model）

2.1 电源电路（Power circuit）

该系统中的A、B和C相分别有单独的H桥电路。每个相位由9个串联的H桥单元组成，形成一个“簇cluster”。集群通过感应滤波器Lf及其绕组电阻Rf连接到中压电网。将50 Hz中压电网建模为理想交流电压源，线间均方根电压为15 kV。电感Lg和电阻Rg表示等效电网阻抗。与电网相连的是两个不同的无源R-L负载（Rl1、Ll1和Rl2、Ll2）。

H桥电池利用传统的IGBT。这些开关被建模为PLECS中的理想开关，以实现系统级仿真的高速性和适应性。在模拟过程中，各个设备的不同开关组合会改变馈送电网的电容电压源的幅值。当变流器的终端电压幅值大于电网电压幅值时，变流器向公用事业提供无功电流，并以较低的电压幅值吸收无功功率。

采用IGBT全桥功率模块库组件对变流器进行建模。该组件有两种配置：一种是“开关Switched”实现，其中理想开关代表半导体，另一种是“子周期平均Sub-cycle average”配置，使用受控电压和电流源。电源模块还具有串联电池数量的参数设置。电源模块和控制器的实现使得可以在顶层配置电池的数量，而无需使用额外的布线或组件扩展模型。此外，该模型使用功率模块组件的“切换Switched”实现。请注意，增加单元数将减慢模拟速度，因此，在模拟更多单元数时，建议使用“子周期平均Sub-cycle average”实现。

为了使示意图简洁有序，对IGBT和直流电容器进行矢量化，而不是在同一示意图中显示27个单元（每个支路9个单元）。导线多路复用器块可以为三个支路中的每一个支路串联9个单元，从而使每个集群只能看到一个H桥。下图演示了矢量化的概念（为了简单起见，使用三个单元格）。然而，请记住，IGBT和直流电容器的数量不受矢量化的影响，因此不会影响使用该技术的模拟速度。此外，如果将一个电容器拖入“探针Probe”块以观察其电压，则示波器中将显示多个波形。

图1：级联H桥电路示意图

2.2 控制（Controls）

STATCOM的控制方案的任务是在电网终端生成所需的无功功率，并将单元电容器电压的平均值保持在定义的恒定水平。如下图所示，顶级控制由两个回路组成。电压控制器是外环。它比较了参考设定点和电池电容器电压平均值的测量值，并通过具有抗饱和方案的PI控制器为内部电流回路提供参考值。内部电流回路在旋转参考框架中实现，并与交流终端电压同步。d轴分量的基准来自电压控制器，而q轴分量的基准则直接从所需无功功率计算得出。电流控制器在d轴和q轴上的输出被转换回ABC坐标，并通过单电池电容器电压乘以每个集群的电池数量进行归一化（9）。所得值进一步用作PWM生成的调制指数。

2.3 PWM生成（PWM generation）

通过将调制指数与300 Hz的三角形载波进行比较，生成H桥的开关信号。对于一个集群，单元1到9的载波交错40度，如下图所示。通过这种方式，可以实现9级输出电压，从而显著降低谐波失真。

图2:H桥矢量化图3:STATCOM电流调节器概述

2.4 电池电容器电压平衡（Cell capacitor voltage balancing）

交错调制不能自动保证来自电网终端的无功功率在所有电池电容器之间均匀分布，因此它们将以不同的速率充电和放电。这将导致不可接受的电压不平衡。为了避免这种不希望出现的情况，需要从外部控制回路提供的设定点修改单个小区的调制指数。该仿真模型采用了[2]提出的方法。电压平衡分两个阶段进行：较低级别方案将一个集群内9个单元的电压保持在其平均值（称为单独平衡），而二级方案确保集群中所有电容器的平均电压等于3个集群的平均电压。后者用于消除不对称的影响，例如对电缆阻抗的影响（称为簇平衡）。

图4:PWM信号生成

3 仿真（Simulation）

使用提供的模型运行模拟以查看信号。9电平变流器的模拟负载端电压、电网电流、直流链路电容器电压的平均值和单个值如下所示。注意单元平衡算法的效果。例如，将初始化命令中的单元数更改为12，也表明了系统复杂性对模拟速度的影响。

References

图5：电气仿真结果

Revision History: PLECS 4.3.1 First release

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