一種同步補償器直流側儲能電容值選取方法的改進

標簽：逆變器 級聯逆變器 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，近年來成為了高壓大功率變頻領域的一個研究熱點。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，多電平逆變技術在減小系統的開關損耗與導通損耗，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型等三種結構拓撲，二極管箝位型逆變器因為在隨著電平數的增多，其開關器件和箝位二極管會大量的增加，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題，而且在電平數增加時，會需要較多的箝位電容，因此也存在一定的弱點。 對級聯型多電平逆變器來說，當需要得到多個電平時，會需要較多的直流電源，整流側會需要一組變壓器，造成體積龐大，另外也不易實現四象限運行。

靜止同步補償器(STATCOM)是一種并聯型無功補償的FACTS裝置，它能夠發出或吸收無功功率，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，它是一種固態開關變流器，當其輸入端接有電源或儲能裝置時，其輸出端可獨立發出或吸收可控的有功和無功功率;它可在如下方面改善電力系統功能：動態電壓控制，功率振蕩阻尼，暫態穩定，電壓閃變控制等。

采用級聯逆變器作為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獨立儲能電容。當用于STATCOM主電路時，必須考慮多個電容電壓的平衡問題，這樣使控制方法非常復雜。為了減少對電網的諧波干擾，采用這種結構的STATCOM的每相常常要級聯多個全橋逆變器，這就需要大量的開關器件，成本大大增加。針對國內6kV中壓電網三相平衡負載的無功功率補償，結合二極管箝位多電平逆變器和級聯逆變器的特點，本文提出了一種能夠直接并入電網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，且控制方法簡單實用。最后對逆變器的輸出電壓波形進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橋級聯逆變器相比，在器件數量上沒有優勢，但是，采用這種混聯結構后，可以設計出比較簡單的控制方法，與采用級聯逆變器的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所示混聯逆變器結構，單相各開關狀態對應的電平如表1(假設N點電為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;主逆變器產生輸出電壓的補償部分并負責消除低次諧波。從而整個逆變器輸出的合成電壓在原理上可等效為一個五電平逆變器的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個載波信號用“分段線性函數”來表示。這樣第n個(n=1，2，3，4分別表示從上到下的4個載波)三角載波的數學方程式可以寫成如下形式

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)，通過數學運算，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，其輸出相電壓和線電壓表達式不同。當所有載波同相位調制時，輸出線電壓的諧波最少，此時相電壓和線電壓的輸出分別如式(5)和(6)所示。