級聯多電平STATCOM的三次諧波注入PWM法

王東冬， 丁穩房， 蘇 威， 李志鵬， 孫 青

(1 湖北工業大學 電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北省電力公司襄陽供電公司， 湖北 襄陽 441000)

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級聯多電平STATCOM的三次諧波注入PWM法

王東冬1， 丁穩房1， 蘇 威1， 李志鵬1， 孫 青2

(1 湖北工業大學 電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北省電力公司襄陽供電公司， 湖北 襄陽 441000)

討論了一種優化的脈寬調制方法，即三次諧波注入法，應用在級聯H橋型STATCOM的主電路中，使直流電壓利用率和開關損耗兩個指標同時優化。首先闡述了三次諧波注入法的基本原理，再通過仿真對比試驗得出這種優化方法可以提高調制比最高至1.15，進而提高直流電壓利用率。

靜止同步補償器； 脈寬調制技術； 三次諧波注入法

隨著電力系統的不斷發展，無功對電網的影響越來越受關注。傳統的無功補償裝置已難以滿足系統的補償要求。靜止同步補償器(STATCOM)作為一種新型的動態無功補償裝置具有很多優勢，它代表了無功補償裝置的發展方向。一臺無功補償裝置要想得到最優的補償效果，除了可靠的控制算法外，還有調制方式的選擇，不同調制方式可以實現不同的優化效果[1]。衡量調制策略好壞的三個主要標準有輸出電壓和電流的諧波畸變率、直流側電壓利用率和開關器件的損耗。普通常用的調制方式有單極倍頻SPWM法、空間矢量調制法等，廣泛應用在級聯多電平換流器中的調制方式有載波相移SPWM調制、載波層疊調制方式等。在SPWM調制中，為了使交流側輸出電壓諧波含量減小而提高載波的頻率，導致整個的高次諧波頻率變高，這就增大了開關器件的開關頻率，加重了開關損耗，而且由于調制波的幅值總小于載波幅值，導致直流電壓利用率總是無法提高[2]。本文討論了優化的脈寬調制方法，即三次諧波注入法，通過仿真實驗得出這種優化方法可以提高調制比最高至1.15，進而提高直流電壓利用率。

1 三次諧波注入法的原理

在圖1所示的普通三相電路結構中，一般的SPWM調制方式都有一個局限，那就是直流側電壓的利用率較低。三相中正序分量的三相電壓瞬時值為：

uA=Umsinωt

uB=Umsin(ωt-2π/3)

uC=Umsin(ωt+2π/3)

圖1 三相兩電平STATCOM結構

這種三次諧波在三相中的幅值和相位均相同，在線電壓中便相互抵消，而且零序分量不產生電流，固而線電壓和主電路交流側的電流的諧波特性不會受影響，因此將這種零序分量加入到正弦調制波也不會改變三相負載電流和電壓的基頻分量，并且還能提高調制比M使之大于1，而不出現過調制，下面通過仿真將其應用到級聯H橋型STATCOM的主電路中。

2 三次諧波注入法在級聯多電平拓撲中的仿真應用

對于大功率級聯多電平換流器，人們提出了很多專門用于該拓撲的PWM調制方式。例如基本的消諧波PWM法(SH-PWM)以及單極倍頻載波移相PWM法(CPS-PWM)，之后又提出了一種開關頻率優化PWM法(SFO-PWM)，這方法是通過一種巧妙的空間矢量調制方法在PD調制方法的調制波中加入一種零序分量來實現調制比的最大化，提高直流電壓利用率，效果和三次諧波注入法相同，但和CPS-PWM法相比，不具有提高等效載波頻率的優勢[4]。因此，將三次諧波注入法應用到CPS-PWM中，實現直流電壓利用率和開關損耗兩個指標的同時優化。

圖2 級聯3-H橋STATCOM拓撲結構

本文采用的仿真軟件為Matlab的Simulink模塊建立仿真模型，編寫控制和調制算法，通過觀察仿真運行后得到的波形對原理進行驗證和進一步的理解。在下面的仿真中建立的是一個三相8鏈節H橋型STATCOM的模型，為了方便對調制算法的驗證，在該仿真模型中去除網側電壓對主電路的影響，并假設為理想情況，即每個單元直流側電壓Udc為恒定的1 000V，不考慮直流電壓平衡問題，把整個STATCOM看做是一個級聯H橋型的逆變器，重點觀察通過改變調制方法得到的交流側輸出的不同[6]。

2.1 未加入任何零序分量的載波相移SPWM調制

為了和后面加入零序分量后的結果作對比，圖3和圖4分別給出未加入任何零序分量的載波相移SPWM調制方法的輸出相電壓和線電壓結果及其諧波分布[7]：

圖3 未加入零序分量輸出相電壓和諧波分布

圖4 未加入零序分量輸出線電壓和諧波分布

2.2 注入1/6幅值的三次諧波后的調制

下面對注入1/6幅值的三次諧波后的調制方法進行仿真。

圖5 調制仿真模塊

圖5為整個仿真模型中的調制算法模塊，圖中SPWM1為一相8個鏈節的調制算法模塊，采用的基本算法為載波相移SPWM調制方法。8個鏈節的主電路則需要8個互差π/Nkc，其中N=8，三角載波的頻率為500Hz，故kc=fc/fr=10，互相錯開的角度為π/80，然后這8個錯開一定角度的三角載波再和加入了1/6幅值三次諧波的調制波進行比較。圖5中SPWM1模塊的左側即為輸入到模塊的調制波，其中的“3rdH1”即為添加的三次諧波。

圖6 注入1/6幅值三次諧波的輸出

圖7 注入1/6幅值三次諧波的輸出線

通過圖6左邊的相電壓輸出波形可知，其電壓幅值為8 000V，即為8Udc，滿足單相全橋換流器交流側輸出的電壓所能達到的最大幅值為直流側電壓Udc，8個單元串聯為8Udc；右邊為輸出相電壓的諧波分布圖，和圖3相比較可以看出：在前20次諧波中，3次諧波的含量增多，而且是遠遠高于其他次諧波，諧波含量超過了15%，整個的諧波畸變率也很大，為17.63%，超過了圖3中7.03%的諧波畸變。再對比圖7中線電壓的諧波分布，整個諧波畸變率降到了5.23%，3次諧波也降到了0.08%以下，整個諧波分布也是高次諧波含量大，基本可以認為不含有3次諧波，這也驗證了注入三次諧波對線電壓的輸出不產生影響。而且從圖7中可以看出線電壓的基波幅值為15 940V，和圖4的基波幅值13 840V相比提升了1.15倍。

3 結論與分析

綜合以上仿真和分析，在級聯H橋型主電路拓撲中三次諧波注入法可以使其得到優化。將這種優化方法應用到級聯多電平的載波相移SPWM調制中，不僅保留有CPS-SPWM調制本身可以使等效載波頻率增加一倍，優化開關損耗，還能實現調制提高至1.15,使直流側電壓利用率提高15%的優化，而且注入像三次諧波這樣的零序分量到調制波中對最后線電壓和電流的輸出不產生影響，沒有明顯的負面效應。

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[2] 陳 堅. 電力電子學——電力電子變換和控制技術[M].北京:高等教育出版社，2004.

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[5] 王志冰，于坤山，周孝信.H橋級聯多電平變流器的直流母線電壓平衡控制策略[J]. 中國電機工程學報，2012,32(06)：56-63.

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[責任編校： 張巖芳]

The PWM Technology of Third Harmonic Injection Based on the Cascade Multilevel STATCOM

WANG Dongdong1, DING Wenfang1, SU Wei1, LI Zhipeng1, SUN Qing2

(1SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2XiangyangPowerCompanyofStateGrid,Xiangyang441000,China)

This paper discussed a technology of optimization of pulse width modulation, the third harmonic injection technique, by which applied in cascaded H bridge main circuit of STATCOM, both the utilization rate of dc voltage and switching loss of two indicators could be optimized. This paper first expounded the basic principle of the third harmonic injection technique. Through the simulation experiment it then concluded that this optimization technology can improve the modulation ratio up to 1.15,and improve the utilization rate of DC voltage.

static synchronous compensator；pulse width modulation technology； third harmonic injection technique

2014-10-19

王東冬(1990-)， 女， 湖北咸寧人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電氣工程

1003-4684(2015)01-0015-03

TM761

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