王 燦 羅有國 萬村英

（1.寧?？h供電局，浙江 寧海 315600；2.江西贛州供電公司，江西 贛州 341000；3.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌 330031）

1 引言

目前，我國電力系統(tǒng)的裝機容量越來越大，從而需要擴大ASVG的容量。提高ASVG裝置容量的本質(zhì)，就是提高電壓型逆變器的容量，這也將成為今后研究ASVG的重點。在目前的電力電子技術(shù)水平下，用于提高逆變器的容量的方法越來越多[1-3]。多重化技術(shù)不僅可以提高逆變器容量和電壓等級而且能有效地消除諧波，所以在具體的實際工程中應(yīng)用較多。

多重化技術(shù)最早是由A.Kernick在1962年提出來的[4]，它是大幅度提高裝置總?cè)萘康淖钣行У姆椒?。多重化的基本原理是：把兩個或者是兩個以上完全相同的方波，按一定的相位差疊加起來，使它們的低次諧波相差180°而相互抵消，以得到諧波含量較少的準正弦階梯波。多重疊加是手段，而消除某些低次諧波是我們所要達到的目的。

本文先對ASVG的工作原理和基本電路結(jié)構(gòu)進行了簡單的介紹，接著搭建了四重化的主電路結(jié)構(gòu)，并給出了變壓器的原副邊連接方式，之后對四重化主電路的ASVG進行了仿真分析，得出的結(jié)論是：該主電路結(jié)構(gòu)的ASVG裝置能夠消除低次諧波和降低高次諧波，濾波效果良好，并且還能夠?qū)崟r的跟蹤系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流，對電網(wǎng)的無功補償?shù)男Ч己?，因而其具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 ASVG的基本原理簡介

其原理可以簡單的概括[5-6]為：首先將自換相的橋式電路通過電抗器并聯(lián)到系統(tǒng)電網(wǎng)上，或者也可以不需要電抗器而直接并聯(lián)到系統(tǒng)電網(wǎng)上，然后適當(dāng)?shù)貙蚴诫娐樊?dāng)中的交流側(cè)的輸出電壓的幅值和相位進行調(diào)節(jié)，抑或者也可以直接控制其交流側(cè)的電流和電壓，這樣就可以使該電路發(fā)出或者吸收滿足系統(tǒng)所要求的無功電流，從而達到動態(tài)實時的無功功率補償?shù)哪康摹?/p>

3 ASVG的基本結(jié)構(gòu)

ASVG的基本結(jié)構(gòu)[7]如圖 1所示。它由下列幾部分組成：電壓支撐電容，其作用是為裝置提供一個電壓支撐；電壓源逆變器（VSC）是由大功率開關(guān)器件 IGBT組成的，通過脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)控制電力電子開關(guān)的通斷，將電容器上的直流電壓變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓；耦合變壓器或耦合電抗器的作用是將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起；濾波器用來濾除高次諧波分量，使ASVG的輸出電壓接近正弦波同。

圖1 ASVG的基本結(jié)構(gòu)

4 基于多重化技術(shù)ASVG主電路結(jié)構(gòu)

多重化技術(shù)不僅使輸出電壓由方波相互疊加而變成接近正弦波的階梯波形，并且利用多重化的方法還可以增大ASVG的裝置容量，從而對系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。從現(xiàn)有文獻看，目前國內(nèi)外已投入運行的ASVG的主電路，大部分是采用多重化技術(shù)結(jié)構(gòu)。多重化技術(shù)有單相串聯(lián)多重疊加和三相串聯(lián)多重疊加兩種。而對于大功率的ASVG來說，三相串聯(lián)多重疊加比單相串聯(lián)多重疊加更常用，所以本論文只介紹三相多重疊加方法。三相多重疊加的基本原理是三相轉(zhuǎn)換器通過三相輸出變壓器，就可以得到 6相的輸出。而兩個三相逆變器互相錯開180°/6=30°相位角，就可以得到12相的輸出。

假定有N個普通的三相方波逆變器疊加依次滯后π/(3M)的相位角，通過其三相輸出變壓器進行多重疊加。對于三相多重疊加電路而言，綜合考慮各因素，最理想的是4個三相逆變電路進行多重疊加。這也就是本文所提出的四重化主電路結(jié)構(gòu)。

4.1 四重化ASVG主電路結(jié)構(gòu)

采用四重化技術(shù)搭建ASVG主電路，如圖2所示。該裝置采用曲折變壓器的三單相橋四重化 24脈沖電壓型逆變器串聯(lián)都主電路，由8個脈沖電壓型逆變器構(gòu)成，每個8脈沖逆變器IGBT驅(qū)動脈沖相對于系統(tǒng)參考電壓相角為 0°、-15°、-30°、-45°。每8個脈沖逆變器由3個單相橋構(gòu)成。12個單相變壓器的副邊采用曲折連接而輸出三相 24階梯波的交流電壓。

圖2 ASVG四重化主電路結(jié)構(gòu)圖

四個變流器各相輸出電壓在相位上依次相差的角角度為 15°，經(jīng)串聯(lián)后接入交流電網(wǎng)中。各變流器的相位關(guān)系可以在觸發(fā)脈沖產(chǎn)生環(huán)節(jié)進行控制。

4.2 ASVG 四重化主電路連接方式

圖3給出了變壓器的初級繞組與次級繞組的連接方式，其輸出變壓器采用的是△/Y和△/△相結(jié)合的接線方式，采用該連接方式以消除零序諧波，避免零序諧波的影響。由于在△/Y連接的變壓器當(dāng)中，三角形側(cè)的正序電壓產(chǎn)生了30°的超前移相角，而負序則電壓則產(chǎn)生了 30°的滯后移相角，故對于 6n±1（這里的n為奇數(shù)）次的諧波在經(jīng)過△/Y連接的變壓器移相后，與△/△連接的變壓器輸出電壓在相位相差 180°，當(dāng)串聯(lián)后正好彼此相互抵消。所以說在采用這種結(jié)構(gòu)后的 ASVG裝置的主電路能夠很好的消除6n±1次的諧波。因此對于這種連接方式的變壓器結(jié)構(gòu)所組成的四重化結(jié)構(gòu)，其最低的諧波為11次。

4.3 ASVG四重化主電路結(jié)構(gòu)的仿真研究

圖4為五電平四重化主電路的仿真模型圖。在該模型當(dāng)中，ASVG模塊為主電路模塊，采用的是五電平四重化結(jié)構(gòu)，共需要 48脈沖進行觸發(fā)，其48脈沖模型圖如圖5所示。

圖3 ASVG四重化主電路連接方式

圖4 基于四重化結(jié)構(gòu)的ASVG仿真模型

圖5 48脈沖逆變器模型仿真圖

仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。其中圖6為ASVG補償前的電壓和電流波形圖，圖7為ASVG補償后的電壓和電流波形。從波形當(dāng)中可以明顯的看出，在補償前，圖6中的電流波形含有很大的無功電流分量，使得三相電流不對稱；而經(jīng)過四重化 ASVG補償后，圖7中的電壓和電流波形都是三相對稱的正弦波，說明該裝置的補償效果良好。并且通過FFT分析，可知采用四重化的主電路結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制諧波，其諧波含量非常小。圖8所示為ASVG裝置的直流側(cè)的一個電容的充電過程的體現(xiàn)。本仿真在1s的時候開始加上沖擊性負載，而1.5s時斷開沖擊性負載。具體可見上圖，在1s加上沖擊負載后，該ASVG裝置能夠很快對系統(tǒng)進行實時的補償，使電容電壓能夠很快的進入穩(wěn)定，反應(yīng)時間很短。同樣，當(dāng)斷開沖擊性負載時，裝置也能夠快速的回到原來狀態(tài)。這說明該裝置的補償效果良好。

圖6 補償前的系統(tǒng)電壓（上）和電流（下）波形

圖7 補償后的系統(tǒng)電壓（上）和電流（下）波形

圖8 直流側(cè)的電容電壓波形圖

5 結(jié)論

根據(jù)清華大學(xué)的二電平四重化主電路結(jié)構(gòu)，本文提出了五電平四重化主電路結(jié)構(gòu)，并從該電路結(jié)構(gòu)上以及數(shù)學(xué)模型上進行了分析，表明該電路結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大容量的要求，且其得到的基波電壓能夠滿足系統(tǒng)補償要求；諧波含量少，最低次為11次諧波，且只占基波幅值的1%。在對該主電路結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，本文通過Matlab/Simulink建立了四重化主電路仿真模型，得到了相關(guān)的仿真結(jié)果，仿真結(jié)果和理論計算的結(jié)果一致，也即該裝置不僅能夠消除大量的諧波，并且能夠?qū)崟r的對系統(tǒng)無功進行補償，補償效果良好。

[1]劉鳳君編著.正弦波逆變器[M].北京,科學(xué)出版社,2002.

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