基于载波移相技术的静止无功发生器的研究

王彩娟 韩如成 智泽英

（太原科技大学，太原 030024）

随着国民经济的发展，大量的冲击性负载应用于工业和生活当中。这些冲击性的负载接入电网中，使得谐波增加，并且这些负载大多数是感性负载，需要消耗无功功率，使电网产生压降，严重时还可以导致电网瘫痪。因此，必须实时补充无功功率。在现阶段，由于静止无功发生器（STATCOM）具有响应速度快，调节范围广，可以通过多重化和多电平技术来扩大容量和减少谐波而被广泛应用。采用多重化的技术需要变压器的接入，这使得系统的造价比较高、占地面积比较大，而采用多电平技术可以克服以上缺点。

1 主电路的拓扑结构及调制方法

目前见到的多电平逆变器，根据主电路的结构来分，主要分为三类基本的拓扑结构：二极管钳位型逆变器、电容钳位型逆变器和级联型逆变器[1]。级联型逆变器相对于前两种逆变器来说，当实现相同的电平数时，使用的钳位器件最少，并且易于封装，实现模块化。因此，在中高压的STATCOM的主电路的研究中，采用级联式的多电平逆变器为主电路的拓扑结构。

对于级联多电平逆变器采用合适的调制方法是保证逆变器逆变成功的关键，载波移相方法的原理图如图1所示。对于一个n电平的变换器，每相采用n-1个具有相同频率fc和相同峰-峰值Ac的三角载波与一个频率为fm幅值为Am的正弦波比较；n-1个三角波对称分布于零参考的正负两侧，而且三角波之间依次相移360°/(n-1)。在正弦波与三角波相交的时刻，如果调制波的幅值大于某个三角波的幅值，则开通相应的开关器件；反之，如果调制波小于某个三角波的幅值则关断相应的开关器件。由于相邻三角载波之间有一个相移，这一相使得所产生的SPWM脉冲在相位上错开，从而使得叠加输出的SPWM波形等效开关频率提高到原来的n-1倍，这就使得载波移相技术应用于特大功率场合成为可能，而且在提高装置容量的同时，有效地减小输出谐波，提高了整个装置的信号传输带宽，此外，该技术还具备线性度好，控制性能优越等一系列优点，这就为载波移相技术在STATCOM中的应用奠定了理论基础[2-3]。

图1 载波移相原理图

2 控制方案及仿真分析

在考虑级联变流器损耗时，基于级联多电平逆变器的STATCOM的等效电路图和向量图如图2所示，由它的等效电路图和向量图可以看出变流器电压c和电流仍相差90°，而电网电压s和电流相差则不是90°，而是比90°小了δ角。这个δ就是电网电压和变流器电压的相位差，通过改变这个δ角就可以改变电流I˙的相位和幅值[4]。

图2 STATCOM的单相等效电路图及向量图

STATCOM 的控制方法分为电流的间接控制和直接控制，电流的直接控制响应速度快，控制精度高，适用与小容量的系统。而电流的间接控制适用于大中容量系统，电流间接控制的原理框图如图 4所示。

图3 A相相电压及频谱分析图

图4 线电压及频谱分析图

在 Matlab上搭建了基于载波移相技术的STATCOM 的仿真图，控制方法采用电流的间接控制方法，仿真参数如下：电网电压6kV，STATCOM的容量±9MVA，直流侧电容 5000μF，直流侧电源1000V，连接电感3mH，连接电阻0.15Ω，接RL负载，R=10Ω，L=0.8H。

在对整个系统进行仿真之前，先对 STATCOM装置进行开环仿真，验证上述提到的载波移相技术和STATCOM补偿原理的正确性。三相连接成Y型电路，当调制比M=0.9时，图3是A相相电压和频谱分析；图 4是线电压（ab）及频谱分析。通过仿真出来的结果可以看出，采用载波移相技术的STATCOM 交流侧的输出谐波比较少，A相的谐波含有率为 0.15%，线电压的谐波含有率为 0.13%，并且谐波都集中在比较100左右，等效的开关频率比较高。

当STATCOM接入电路中时，图5是补偿前的电网电压和电流的仿真波形，图6是补偿后的电网电压和电流波形的仿真图。为了便于观察，图中所示电流放大10倍。从图中可以看出来，经过补偿之后，电网电压和电流基本上同相位。验证了本文所提出的方法的正确性。

图5 补偿前的电源电压及电流

图6 补偿后的电源电压及电流

3 结论

文中提出的基于载波移相的 STATCOM，由于交流侧输出谐波少，易于模块化，响应速度快，使其成为无功补偿装置较好的选择。

[1] 何湘宁,陈阿莲.多电平变换器的理论和应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2006.

[2] kEITH C, YAKOV F.A new cascade multilevel H-bridge drive[J].IEEE Trans.On power Electronics.2002, 17(1): 125-131.

[3] RECH C, PINHERIRO H, GRUNDING H.Analysis and comparison of hybrid multilevel voltage source inverters[A].IEEE Proceeding of PESC[C].2002:491-496.

[4] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 1998.

[5] 杨鑫.基于软开关技术的新型有源电力滤波器的研究[D].太原科技大学, 2012.