基于載波移相技術(shù)的靜止無功發(fā)生器的研究

王彩娟 韓如成 智澤英

（太原科技大學(xué)，太原 030024）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的沖擊性負(fù)載應(yīng)用于工業(yè)和生活當(dāng)中。這些沖擊性的負(fù)載接入電網(wǎng)中，使得諧波增加，并且這些負(fù)載大多數(shù)是感性負(fù)載，需要消耗無功功率，使電網(wǎng)產(chǎn)生壓降，嚴(yán)重時還可以導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓。因此，必須實時補充無功功率。在現(xiàn)階段，由于靜止無功發(fā)生器（STATCOM）具有響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)范圍廣，可以通過多重化和多電平技術(shù)來擴(kuò)大容量和減少諧波而被廣泛應(yīng)用。采用多重化的技術(shù)需要變壓器的接入，這使得系統(tǒng)的造價比較高、占地面積比較大，而采用多電平技術(shù)可以克服以上缺點。

1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)制方法

目前見到的多電平逆變器，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)來分，主要分為三類基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：二極管鉗位型逆變器、電容鉗位型逆變器和級聯(lián)型逆變器[1]。級聯(lián)型逆變器相對于前兩種逆變器來說，當(dāng)實現(xiàn)相同的電平數(shù)時，使用的鉗位器件最少，并且易于封裝，實現(xiàn)模塊化。因此，在中高壓的STATCOM的主電路的研究中，采用級聯(lián)式的多電平逆變器為主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

對于級聯(lián)多電平逆變器采用合適的調(diào)制方法是保證逆變器逆變成功的關(guān)鍵，載波移相方法的原理圖如圖1所示。對于一個n電平的變換器，每相采用n-1個具有相同頻率fc和相同峰-峰值A(chǔ)c的三角載波與一個頻率為fm幅值為Am的正弦波比較；n-1個三角波對稱分布于零參考的正負(fù)兩側(cè)，而且三角波之間依次相移360°/(n-1)。在正弦波與三角波相交的時刻，如果調(diào)制波的幅值大于某個三角波的幅值，則開通相應(yīng)的開關(guān)器件；反之，如果調(diào)制波小于某個三角波的幅值則關(guān)斷相應(yīng)的開關(guān)器件。由于相鄰三角載波之間有一個相移，這一相使得所產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯開，從而使得疊加輸出的SPWM波形等效開關(guān)頻率提高到原來的n-1倍，這就使得載波移相技術(shù)應(yīng)用于特大功率場合成為可能，而且在提高裝置容量的同時，有效地減小輸出諧波，提高了整個裝置的信號傳輸帶寬，此外，該技術(shù)還具備線性度好，控制性能優(yōu)越等一系列優(yōu)點，這就為載波移相技術(shù)在STATCOM中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)[2-3]。

圖1 載波移相原理圖

2 控制方案及仿真分析

在考慮級聯(lián)變流器損耗時，基于級聯(lián)多電平逆變器的STATCOM的等效電路圖和向量圖如圖2所示，由它的等效電路圖和向量圖可以看出變流器電壓c和電流仍相差90°，而電網(wǎng)電壓s和電流相差則不是90°，而是比90°小了δ角。這個δ就是電網(wǎng)電壓和變流器電壓的相位差，通過改變這個δ角就可以改變電流I˙的相位和幅值[4]。

圖2 STATCOM的單相等效電路圖及向量圖

STATCOM 的控制方法分為電流的間接控制和直接控制，電流的直接控制響應(yīng)速度快，控制精度高，適用與小容量的系統(tǒng)。而電流的間接控制適用于大中容量系統(tǒng)，電流間接控制的原理框圖如圖 4所示。

圖3 A相相電壓及頻譜分析圖

圖4 線電壓及頻譜分析圖

在 Matlab上搭建了基于載波移相技術(shù)的STATCOM 的仿真圖，控制方法采用電流的間接控制方法，仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓6kV，STATCOM的容量±9MVA，直流側(cè)電容 5000μF，直流側(cè)電源1000V，連接電感3mH，連接電阻0.15Ω，接RL負(fù)載，R=10Ω，L=0.8H。

在對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真之前，先對 STATCOM裝置進(jìn)行開環(huán)仿真，驗證上述提到的載波移相技術(shù)和STATCOM補償原理的正確性。三相連接成Y型電路，當(dāng)調(diào)制比M=0.9時，圖3是A相相電壓和頻譜分析；圖 4是線電壓（ab）及頻譜分析。通過仿真出來的結(jié)果可以看出，采用載波移相技術(shù)的STATCOM 交流側(cè)的輸出諧波比較少，A相的諧波含有率為 0.15%，線電壓的諧波含有率為 0.13%，并且諧波都集中在比較100左右，等效的開關(guān)頻率比較高。

當(dāng)STATCOM接入電路中時，圖5是補償前的電網(wǎng)電壓和電流的仿真波形，圖6是補償后的電網(wǎng)電壓和電流波形的仿真圖。為了便于觀察，圖中所示電流放大10倍。從圖中可以看出來，經(jīng)過補償之后，電網(wǎng)電壓和電流基本上同相位。驗證了本文所提出的方法的正確性。

圖5 補償前的電源電壓及電流

圖6 補償后的電源電壓及電流

3 結(jié)論

文中提出的基于載波移相的 STATCOM，由于交流側(cè)輸出諧波少，易于模塊化，響應(yīng)速度快，使其成為無功補償裝置較好的選擇。

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