一種新型多電平靜止無功發生器研究

常鵬飛，徐星星，王寶安，何澤家

（1.國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇南京 210003；2.東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210096；3.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103）

目前，電網中的使用電力電子技術的裝置所占比重越來越大，給電網帶來了諧波污染、系統功率因數低、電壓波動和閃變等電能質量問題。靜止無功發生器（SVG）作為柔性交流輸電技術中的重要技術之一，具有良好的補償效果和先進的控制性能，成為無功補償裝置的研究重點[1-4]。多電平結構的SVG由于輸出功率大、輸出諧波小，在高電壓大容量場合得到廣泛應用。多電平SVG主電路拓撲結構中，最為典型的有二極管箝位型、飛跨電容型和級聯型。二極管箝位型多電平逆變器電容均壓較困難[5，6]；飛跨電容型多電平逆變器應用于高壓系統時，電容體積大，成本高，封裝困難；級聯型多電平結構中，每個H橋單元需要一個獨立的直流電源，隨著電平數的提高，需要的直流電源數量較多，控制較復雜。

本文提出了一種新型多電平靜止無功發生器拓撲結構，只需要一個直流電容，避免了電容電壓不平衡問題；采用移相載波PWM控制策略，降低了輸出波形的諧波含量；共用直流電容，適合于電氣化鐵路三相不平衡補償。

1 結構與工作原理

一種新型多電平靜止無功發生器[7-9]的結構示意如圖1所示。該裝置由兩組背靠背結構的電壓型逆變器構成，其中一組逆變器經變壓器并聯到電網A相、B相間，另一組逆變器經變壓器并聯到電網C相、B相間。這種結構中每組逆變器都采用級聯多電平技術，均由4個單相H橋串聯而成，通過載波移相PWM技術使每個H橋產生一定相位差的方波電壓，經多繞組變壓器形成多電平輸出，使輸出電壓接近于正弦波。其中所有級聯的H橋單元都共用一個直流電容，因此直流電壓控制與傳統級聯型SVG相比較簡單，無需均衡電容電壓，且降低了系統成本和復雜性；單相H橋的結構如圖2所示。

多繞組變壓器的原邊繞組1個，副邊繞組4個。在理想情況下，當變比為1，且副邊繞組電壓相等時，4個H橋單元的輸出電流之和即為變壓器原邊輸出電流。該結構利用中間直流電容實現了有功功率的雙向流動，因此抑制三相不平衡的能力較僅作為無功補償的SVG強，尤其適用于電氣化鐵路牽引站的三相不平衡治理。

2 控制系統設計

2.1 硬件設計

控制系統硬件設計主要包括主電路設計和控制電路設計[10]。系統硬件結構框圖如圖3所示。

2.1.1 主電路

主電路由逆變器、直流側電容和并網電抗器構成，根據控制芯片發出的PWM脈沖信號控制功率開關器件的通斷，從而產生符合控制要求的補償電流。并網電抗器用來減小逆變器產生的高次諧波，增強補償電流的跟蹤能力。

2.1.2 控制電路

控制電路產生控制功率開關器件通斷的信號。主要由信號檢測調理電路、DSP+FPGA控制電路以及驅動電路組成。

（1）信號檢測調理電路：采用電流互感器和電壓互感器檢測系統中的電流、電壓，并轉換為DSP芯片可以處理的信號。

（2）DSP+FPGA控制電路：由于主電路需要32路控制脈沖輸出，因此采用以DSP+FPGA為核心的控制電路，利用FPGA I/O引腳多的特點，構造多路PWM產生器。在DSP控制器中進行采樣和運算，生成補償指令電流，FPGA根據DSP發出的調制信號，采用移相載波PWM技術產生PWM脈沖信號。

（3）驅動電路：用于放大FPGA輸出的PWM信號，控制主電路中各個開關器件的通斷。

2.2 軟件設計

系統軟件設計包括主程序設計、定時器中斷子程序設計和FPGA模塊設計。

2.2.1 主程序設計

主程序流程如圖4所示。主程序負責對系統進行初始化。主要包括I/O口配置寄存器初始化、中斷矢量表初始化、AD轉換及數據采集單元寄存器初始化和系統變量初始化等。當初始化操作完成后，進入空閑狀態，等待中斷的發生。2.2.2定時器中斷子程序設計

定時器中斷子程序流程如圖5所示。進入中斷后，首先對數據進行A/D轉換，從結果寄存器中讀取轉換結果，并判斷直流側電壓是否達到了給定值。然后將直流側電壓Udc和參考電壓Udc*作比較，經PI調節器，得到控制信號iq，再根據三相負載電流、iq以及dq0算法計算出指令電流。比較指令電流和實際產生的補償電流，經比例控制器后得到調制信號。

2.2.3 FPGA模塊的設計

FPGA模塊的程序流程如圖6所示。FPGA一方面根據DSP發送的數據對功率單元進行控制，如圖6（a）所示；另一方面接收功率單元上傳的故障信息和系統狀態，進行譯碼后通過數據總線發送給DSP，如圖 6（b）所示。

3 仿真研究

為了驗證新型多電平SVG的補償性能，采用PSIM進行仿真研究。系統仿真參數設置如下：三相電網電壓380 V/50 Hz，直流母線電壓Udc=800 V，直流電容C=100 mF，交流側并網電感取4 mH。負載為阻感負載，L=28 mH，R=1 Ω。

直流側電容電壓波形如圖7所示。由圖可以看出，電容電壓穩定在給定值，波動很小。

補償前a相系統電壓和電流波形如圖8所示。補償后a相系統電壓和電流波形如圖9所示。比較2個圖可以看出，補償后電網電壓和電流相位一致，可見，SVG裝置能夠很好地補償感性無功。

4 實驗結果

為驗證新型多電平SVG補償無功的能力，進行了無功補償實驗。實驗時單相交流電壓有效值為38 V，直流電容電壓為120 V，負載為純電感，L=28 mH。a相補償后系統電壓電流波形如圖10所示。補償后電容電壓波形如圖11所示。

可見，補償后系統電壓電流相位一致，補償效果較好，并且直流電容電壓穩定。

5 結束語

本文提出了一種新型多電平靜止無功發生器主電路拓撲結構，分析了該裝置的工作原理和控制系統的設計。為了驗證該新型SVG補償無功功率的效果，分別從仿真和實驗兩個角度進行研究，結果均表明該新型SVG拓撲結構的正確性和控制系統的有效性。相較于傳統級聯型結構而言，該新型SVG僅需一個直流電容，降低裝置占地面積，節約裝置的成本，且直流穩壓控制簡單。此外，其采用載波移相PWM控制方法，多繞組變壓器副邊繞組無需錯開相位，即可實現多電平輸出，改善輸出波形，減小輸出諧波含量。

[1]沈 斐，劉文華，王仲鴻.±20 Mvar靜止無功發生器(ASVG)的研制[J].國際電力，2000，07(2)： 31-35.

[2]翁利民，舒立平.靜止無功發生器(SVG)簡介[J].供用電，2001，18(1)：16-18.

[3]徐益民，劉岫嶺，姜志成.STATCOM原理及控制方法研究[J].煤礦機械，2006，27(8)：56-58.

[4]EDWARDS C W,MATTERN K E,NANNERY P R,et al.Advanced Static Var Generator Employing GTO Thyristors[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1988,03(4)：1622-1627.

[5]季翼鵬，姚文賢，謝 川.基于DSTATCOM應用的多電平變換器拓撲研究進展綜述[J].科技信息，2008（36）：58-60，38.

[6]王廣柱.二極管箝位式多電平逆變器直流側電容電壓不平衡機理的研究[J].中國電機工程學報，2002，22(12)：111-117.

[7]SENINI S T,WOLFS P J.Novel Topology for Correction of Unbalanced Load in Single Phase Electric Traction Systems[J].IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference,Cairns,Australia,2002：1208-1212.

[8]吳傳平，羅 安，徐先勇，等.采用V/v變壓器的高速鐵路牽引供電系統負序和諧波綜合補償方法[J].中國電機工程學報，2010，30(16)： 111-117.

[9]周春曉，高云峰，沈 斐，等.兩相型SVG在電鐵電能質量治理中的應用研究[J].電氣化鐵道,2008(1)：6-9.

[10]李付亮，周有慶，吳 濤，等.基于瞬時無功理論的先進靜止無功發生器的研究[J].電力系統保護與控制，2010，38(1)：75-78，124.