礦用靜止無功發生器單極倍頻調制策略

申小偉，姚慧，王碧清，孟海強

(1.山西汾西機電有限公司，山西　太原　030027;2.神南張家峁礦業公司，陜西　神木　719316)

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礦用靜止無功發生器單極倍頻調制策略

申小偉1，姚慧1，王碧清2，孟海強2

(1.山西汾西機電有限公司，山西太原030027;2.神南張家峁礦業公司，陜西神木719316)

礦用靜止無功發生器是SVG(Static Var Generators)技術與防爆技術相結合，成功研發的新一代煤礦井下無功補償產品。其調制策略的核心思想是首先對檢測部分所得到的信號進行采樣，然后通過采樣值與給定值協調工作共同作用來得到系統需要的控制信號和一些相應的特性關系，無論哪種控制方式都是圍繞這一中心思想進行的，提出了一種適用于礦用靜止無功發生器的調制策略，既能實施補償負荷無功，又能改善負荷接入電網點的電壓波形。

礦用靜止無功發生器；SVG；單極倍頻SPWM調制策略；仿真，補償

1　引言

煤礦工業實施科技興煤戰略以來，采掘機械的總裝機容量和單臺裝機容量不斷增加，工作面長度的加長導致電纜長度增加，電壓損失加大。同時，由于煤礦供電系統中使用大量的感應電動機和變壓器等設備，供電系統除了供給有功功率外，還需要供給大量的無功功率，從而導致了系統功率因數的降低、供電質量惡化，造成供配電設備的供電能力不能充分利用[1]。因此，在大型綜采工作面實現無功補償，提高煤礦供電系統的功率因數，對煤炭企業保證生產、穩定產量、節能降耗具有重要意義。

隨著大功率電力電子技術的飛速發展，動態無功補償技術得到了快速發展。近幾年來，使用大功率可關斷器件構成的新型無功補償器已進入實用階段，這種裝置稱靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)或稱靜止無功發生器(Static Var Generator，SVG)[2]。礦用靜止無功發生器是SVG(Static Var Generators)技術與防爆技術相結合，成功研發的當前最新型的新一代煤礦井下無功補償產品。

2　調制策略

多電平變換器的電力電子開關器件的調制策略是多電平技術中與主電路拓撲相當的一個關鍵技術，它不僅決定多電平變換器的實現與否，而且直接影響著多電平變換器的輸出電壓波形質量、系統的損耗與運行效率。在過去的二十多年里，大量的多電平變換器調制策略被提出，它們基本上都發源于成熟的兩電平調制策略，歸納起來可以分為以下幾大類：階梯波脈寬調制，開關點預制PWM法，多電平空間矢量PWM技術，多載波PWM方法，載波移相正弦波脈寬調制CPS-SPWM、錯時采樣空間矢量調制STS-SVM等[3]。

載波移相正弦波脈寬調制CPS-SPWM策略是一種應用于基于多電平拓撲結構的高壓大功率電力電子變換裝置的開關控制技術，它能夠在較低的器件開關頻率下，通過低次諧波的相互抵消實現較高的裝置等效開關頻率，這不但使SPWM調制技術在特大功率場合的應用成為可能，同時也在提高裝置容量的情況下，有效地減少了裝置的輸出電壓諧波含量，減少了輸出濾波器的體積和成本，提高了整個裝置信號傳輸的帶寬。

在這里主要介紹應用于礦用靜止無功發生器產品中功率單元的單極倍頻SPWM調制策略以及在此基礎上產生的應用于H橋級聯多電平變換器的單極倍頻CPS-SPWM調制策略。

2.1單極倍頻SPWM調制策略

所謂倍頻，是指變換器輸出電壓的等效開關頻率fk與變換器中的開關器件的開關頻率fc(即載波頻率)之間有如下關系：

fk=2fc

(1)

通過倍頻調制技術，在保持器件開關頻率不變的情況下提高了變換器輸出電壓波形的等效開關頻率，從而減少了器件的開關損耗和改善了輸出電壓波形的質量。

圖1　功率單元拓撲

以圖1所示功率單元主電路拓撲為例，圖2給出了單極倍頻SPWM調制策略的原理。圖中，us為調制波信號，幅值為Us，相位角φ=0；uc為三角載波信號，幅值為Uc；峰值調制比M=Us/Uc<1。

單極倍頻SPWM調制策略的具體過程為：調制波us分別與三角載波信號uc和把uc移相180度的新三角載波信號-uc進行比較，在調制信號us與三角載波信號uc的交點形成控制逆變橋T1、T2的互補脈沖序列；調制信號us與新三角載波信號-uc的交點形成控制另一對逆變橋T3、T4的互補脈沖序列。

圖2　單極倍頻SPWM調制原理圖

單極倍頻SPWM調制策略的原理如圖2所示，在輸出電壓uab的正半周，當T1·T4≠0，即T1、T4同時導通時，有uab=E；同理，在輸出電壓uab的負半周，當T2·T3≠0，即T2、T3同時導通時，有uab= -E。由于在一個三角載波周期中，T1·T4(T2·T3)共有兩次狀態轉換，則uab對應有兩次脈動，但對于器件而言卻只有一次開關動作。

2.2單極倍頻CPS-SPWM調制策略

載波移相正弦脈寬調制(CPS-SPWM)是應用于大功率多電平電力電子裝置的調制策略，單極倍頻CPS-SPWM是在逆變器單元采用單極倍頻SPWM調制策略基礎上產生的應用于多電平變換器的調制策略。以單相鏈式H橋多電平變換器為例，單極倍頻CPS-SPWM的基本思想是：在功率單元數為N的鏈式多電平變換器中，各功率單元采用相同的調制波信號us，其角頻率為ωs，三角載波信號的頻率為kcωs。將各功率單元的三角載波相位互相錯開三角載波周期一半的1/N，即π/N，則第i個功率單元三角載波的初相角φm=π(i-1)/N。對于單個功率單元，采用基于單極倍頻SPWM的調制方式，將各功率單元的輸出電壓疊加，那么鏈式多電平變換器的輸出電壓就能得電平數為(2N+1)的輸出波形。

基于單極倍頻CPS-SPWM調制策略的鏈式H橋多電平變換器具有以下幾個特征：

(1)基波分量是基于單極倍頻SPWM調制策略的單個功率單元輸出電壓基波成分的N倍，也就是說單極倍頻CPS-SPWM在輸出波形疊加后沒有基波損失；

(2)不存在Nkc的奇數倍(m=1,3,5,…時)的開關次諧波；

(3)單極倍頻CPS-SPWM的鏈式H橋多電平變換器的等效開關頻率提高了2N倍，這樣可以在較低的器件開關頻率下，得到較高的等效開關頻率的輸出，輸出諧波特性大大改善；

(4)不論鏈式H橋多電平變換器的單元數N為偶數還是奇數，也不論頻率調制比kc奇偶與否，則邊頻帶的次數恒為奇次，鏈式多電平變換器的輸出一定不會產生直流分量。

3　仿真驗證

按照礦用SVG所采用的鏈式H橋多電平三相變換器的主電路拓撲結構、控制方法及計算參數搭建MATLAB仿真模型，圖3是功率單元直流母線電壓波形，直流電壓波動峰值在60V以內。圖4、圖5是在不考慮系統電源內阻及線路阻抗、負荷電流為感性250A時的SVG輸出電壓及輸出電流，電流波形THD小于1%。

圖3　功率單元直流母線電壓波形

圖4　SVG輸出電壓波形 圖5 SVG補償電流波形

圖5　SVG補償電流波形

4　結語

本文對礦用靜止無功發生器產品所采用的單極倍頻調制策略進行了較為詳細的介紹。經過MATLAB仿真驗證，得出SVG輸出電壓波形以及SVG補償電流波形，可以明顯看出滿足產品設計要求。在煤礦井下高壓大容量的工作面，采用級聯式拓撲結構和單極倍頻調制策略控制的SVG裝置應用較多，一方面電力電子開關器件能夠在承受盡可能高的耐壓的同時擁有盡可能大的功率，另一方面還可以實現更小的輸出電壓諧波含量和更快的響應速度，因而受到越來越多的重視和關注，為礦用高壓靜止無功發生器的研制和推廣開辟了一條嶄新的道路，在煤礦井下電能質量治理中具有較大的推廣價值。

[1]趙增玉，馬剛，朱乃鵬.基于SVG的礦用3.3kV靜止無功動態功率補償裝置的研究[J].山東：工礦自動化，2011.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

[3]高俊瑩.基于單周控制策略的SVG的研究[D].東北石油大學，2013.

A Single Pole Double Frequency Modulation Strategy of Mine Static Var Generator

SHEN Xiao-wei1,YAO Hui1,WANG Bi-qing2,MENG Hai-qiang2

(Shanxi Fenxi Electromechanical Co.,LTD,Taiyuan 030027 China;2.Shennan Zhangjiamao Mining Co.,LTD,Shenmu 719316,China)

A mine SVG(Static Var Generators)is a new generation product which is the combination of SVG technology and explosion proof technology.The core idea of the modulation strategy is to sample the signal which is obtained by the detection part.Then the control signals and some corresponding characteristics are obtained by the sampling value and the given value.Any control method is based on the center idea.This paper presents a modulation strategy for the mine static var generator,which can not only implement the reactive load,but also improve the voltage waveform of the load connected to the grid.

mine static var generator;SVG;single frequency doubled SPWM modulation strategy;simulation,compensation

1004-289X(2016)01-0106-03

TM76

B

2015-08-24

申小偉(1979-)，女，高級工程師，2002年畢業于重慶大學(學士學位)，從事礦用電器產品開發設計工作。