一種同步補償器直流側儲能電容值選取方法的改進(jìn)

標簽：逆變器 級聯(lián)逆變器 從型逆變器

1 引言

1981年，日本的Nabae等人提出了多電平變換器的思想，近年來(lái)成為了高壓大功率變頻領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。多電平逆變器輸出電壓階梯多，從而可以使輸出的電壓波形具有較小的諧波和較低的du/dt.隨著(zhù)輸出電平數的增加，輸出電壓的諧波將減少。另外，多電平逆變技術(shù)在減小系統的開(kāi)關(guān)損耗與導通損耗，降低管子的耐壓與系統的EMI方面性能都非常優(yōu)良。傳統的多電平逆變器可分為二極管箝位型、電容箝位型以及級聯(lián)型等三種結構拓撲，二極管箝位型逆變器因為在隨著(zhù)電平數的增多，其開(kāi)關(guān)器件和箝位二極管會(huì )大量的增加，因此通常只適合于五電平以下的多電平拓撲。而電容箝位型逆變器存在有電容的充放電電壓平衡的問(wèn)題，而且在電平數增加時(shí)，會(huì )需要較多的箝位電容，因此也存在一定的弱點(diǎn)。 對級聯(lián)型多電平逆變器來(lái)說(shuō)，當需要得到多個(gè)電平時(shí)，會(huì )需要較多的直流電源，整流側會(huì )需要一組變壓器，造成體積龐大，另外也不易實(shí)現四象限運行。

靜止同步補償器(STATCOM)是一種并聯(lián)型無(wú)功補償的FACTS裝置，它能夠發(fā)出或吸收無(wú)功功率，并且其輸出可以變化以控制電力系統中的特定參數;一般的，它是一種固態(tài)開(kāi)關(guān)變流器，當其輸入端接有電源或儲能裝置時(shí)，其輸出端可獨立發(fā)出或吸收可控的有功和無(wú)功功率;它可在如下方面改善電力系統功能：動(dòng)態(tài)電壓控制，功率振蕩阻尼，暫態(tài)穩定，電壓閃變控制等。

采用級聯(lián)逆變器作為STATCOM主電路可以省去大量鉗位二極管和電容，所以基于這種結構的STATCOM研究很多[6]，但這種結構需要多個(gè)獨立儲能電容。當用于STATCOM主電路時(shí)，必須考慮多個(gè)電容電壓的平衡問(wèn)題，這樣使控制方法非常復雜。為了減少對電網(wǎng)的諧波干擾，采用這種結構的STATCOM的每相常常要級聯(lián)多個(gè)全橋逆變器，這就需要大量的開(kāi)關(guān)器件，成本大大增加。針對國內6kV中壓電網(wǎng)三相平衡負載的無(wú)功功率補償，結合二極管箝位多電平逆變器和級聯(lián)逆變器的特點(diǎn)，本文提出了一種能夠直接并入電網(wǎng)的主從型逆變器結構STATCOM，減少了各種功率器件的應用并消除了變壓器，實(shí)現STATCOM高壓大容量化、高效化、小型化和低成本化，且控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用。最后對逆變器的輸出電壓波形進(jìn)行了仿真研究并給出了諧波頻譜。

2 STATCOM的主從型逆變器結構

本文提出的主從型五電平混聯(lián)逆變器的結構如圖1所示，圖1的第Ⅰ部分為二極管箝位三電平逆變器，第Ⅱ部分為3個(gè)H橋逆變器，第Ⅲ部分為二極管箝位三電平逆變器電容C1、C2的硬件平衡控制電路。圖1所示的混聯(lián)五電平逆變器結構，與單純的二極管箝位五電平逆變器相比，減少了大量的箝位二極管;與H橋級聯(lián)逆變器相比，在器件數量上沒(méi)有優(yōu)勢，但是，采用這種混聯(lián)結構后，可以設計出比較簡(jiǎn)單的控制方法，與采用級聯(lián)逆變器的STATCOM應用相應的控制方法比較，在同為五電平結構的情況下，輸出逆變電壓諧波含量將大大降低。

對圖1所示混聯(lián)逆變器結構，單相各開(kāi)關(guān)狀態(tài)對應的電平如表1(假設N點(diǎn)電為0，各電容電壓為E，以Vcan相輸出為例)。

3 主從型逆變器輸出電壓的諧波分析

本文主逆變器采用PWM的控制方法，H橋逆變器輸出方波電壓，構成輸出正弦電壓的基本成分;主逆變器產(chǎn)生輸出電壓的補償部分并負責消除低次諧波。從而整個(gè)逆變器輸出的合成電壓在原理上可等效為一個(gè)五電平逆變器的SPWM輸出，輸出波形如圖2所示。其輸出電壓的諧波分析可以采用與傳統PWM調制五電平逆變器相同的方法[9-10]。

從圖2可以看出，輸出電壓波形比較復雜，SPWM(正弦波調制PWM)調制在調制波的各周期內，無(wú)法以調制波角頻率wS為基準，用傅立葉級數把它分解為調制波角頻率倍數的諧波，為此必須采用雙重傅立葉級數展開(kāi)的方法，即采用以載波的角頻率wC為基準，考察其邊頻帶諧波分布的情況。

為了分析方便，將圖2所示的4個(gè)載波信號用“分段線(xiàn)性函數”來(lái)表示。這樣第n個(gè)(n=1，2，3，4分別表示從上到下的4個(gè)載波)三角載波的數學(xué)方程式可以寫(xiě)成如下形式

其中k=0，1，2，3，。..。

正弦調制波的方程式為

假設n為某相對于調制波的諧波次數;m為該相對于載波的諧波次數。則v的雙重傅立葉級數表達式為

根據式(3)和(4)，通過(guò)數學(xué)運算，可以得到v的各級諧波的系數。需要指出的是對于五電平逆變器不同載波調制策略，其輸出相電壓和線(xiàn)電壓表達式不同。當所有載波同相位調制時(shí)，輸出線(xiàn)電壓的諧波最少，此時(shí)相電壓和線(xiàn)電壓的輸出分別如式(5)和(6)所示。