王永源 李 曠 張海濤 何 師 侯小平

（1.廣東電網(wǎng)公司東莞供電局，廣東 東莞 523120；2.榮信電力電子股份有限公司，遼寧 鞍山 114051）

STATCOM（Static Synchronous Compensator），即靜止同步補(bǔ)償器，又稱為 SVG（Static Var Generator），即靜止無功發(fā)生器，就是專指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。STATCOM 是迄今為止性能最優(yōu)越的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備，其基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

中國南方電網(wǎng)是我國目前唯一的交直流并聯(lián)運(yùn)行的超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量互聯(lián)電網(wǎng)，根據(jù)南方電網(wǎng)的實(shí)際情況，高壓大功率變流器及靜止補(bǔ)償器STATCOM直掛電壓等級(jí)為35kV，容量為±200MVar。

1 載波移相PWM控制策略

傳統(tǒng)的大功率 STATCOM經(jīng)常采用優(yōu)化 PWM方法。其不足在于優(yōu)化方程較復(fù)雜，難以實(shí)時(shí)求解，通常采用離線計(jì)算開關(guān)角度，在線查表的方法實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致該方法實(shí)時(shí)性不高，在需要快速控制的場合中效果不好。而載波調(diào)制類和空間矢量調(diào)制類方法具有實(shí)現(xiàn)簡單，實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，可以滿足快速控制的要求。另外，隨著電力半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，具有1kHz左右開關(guān)頻率的大容量 IGBT/IEGT等器件的逐步商用化也為載波調(diào)制類和空間矢量調(diào)制類方法在鏈?zhǔn)阶兞髌髦械膽?yīng)用提供了保證。載波調(diào)制類和空間矢量調(diào)制類方法對(duì)于異常工況下STATCOM的控制與保護(hù)具有重要意義。

應(yīng)用于鏈?zhǔn)蕉嚯娖阶兞髌鲿r(shí)，載波調(diào)制類方法發(fā)展成載波移相PWM方法。二電平SPWM是最基本的一種PWM方法，其原理如圖1所示。這種PWM方法輸出有兩個(gè)電平：+E和-E，E表示直流電壓。正弦調(diào)制波和三角載波比較，當(dāng)調(diào)制波大于載波時(shí)，變流器輸出+E電平，反之則輸出-E電平。

理論上所有時(shí)域的周期信號(hào)都可以表示為一系列各種頻率的正弦分量的組合，也就是傅立葉級(jí)數(shù)的表示形式。但是由于 PWM輸出電壓波形是由基波與載波兩種頻率成份共同決定的，所以采用單傅里葉變換計(jì)算十分困難。二電平正弦 PWM方法輸出電壓的時(shí)域表達(dá)式如下：

圖1 二電平SPWM方法原理示意圖

式中，E為變流橋直流電壓，M為調(diào)制比，定義為調(diào)制波峰值和載波峰值之比，ωs為調(diào)制波的角頻率，θs為調(diào)制波的初相位，ωc為載波的角頻率，θc為載波的初相位， Jn(x)為n階貝塞爾函數(shù)，其定義如下：

由式（2）可以歸納出二電平 SPWM方法輸出電壓的諧波具有如下規(guī)律：

1）輸出電壓諧波包含基波、載波、載波的 m次諧波，以及載波m次諧波的上下邊帶諧波。

2）根據(jù)貝塞爾函數(shù)的特性， Jn(x)隨著n的增大而迅速減小。因此，諧波主要集中在載波的低次諧波及其邊帶諧波。

3）基波的幅值與調(diào)制比 M成正比，通過調(diào)節(jié)調(diào)制波幅值大小即可調(diào)節(jié)輸出電壓。

4）當(dāng)m＋n為偶數(shù)時(shí)，該項(xiàng)諧波不存在。

三電平 SPWM 調(diào)制可以由兩個(gè)二電平 SPWM載波移相180°得到，其原理如圖2所示。

圖2 三電平SPWM方法原理示意圖

調(diào)制波與載波A按照二電平SPWM的原理比較產(chǎn)生輸出電壓vA，與載波B比較產(chǎn)生輸出電壓vB，兩者均值即為三電平輸出電壓vo，記載波A的初相位為θc，則載波B的初相位為θc+π，參照式（1）可得三電平SPWM方法輸出電壓的時(shí)域表達(dá)式如下：

式中各量與上一節(jié)的定義相同。與式（1）比較可知，三電平SPWM輸出電壓的諧波性能除了具有二電平方法的各個(gè)特點(diǎn)外，它還消除了載波的奇次諧波以及載波奇次諧波的上下邊帶諧波，這相當(dāng)于將載波頻率提高了一倍，注意到開關(guān)頻率也相應(yīng)地提高了一倍。

由于三電平 SPWM 的輸出可由兩個(gè)二電平SPWM載波移相180°相加得到，則在分析載波移相SWPM的諧波性能時(shí)，只分析二電平的情況，三電平的情況可類似得到。

二電平載波移相 SPWM 方法的原理如圖 3所示。

圖3 二電平載波移相SPWM方法原理示意圖(K=4)

假設(shè)有K個(gè)二電平單相橋串聯(lián)，則調(diào)制波與K個(gè)載波比較得到各單相橋的脈沖，總電壓為各單相橋輸出電壓之和。各單相橋的載波相位角依次錯(cuò)開δ=2π/K ，記第一個(gè)載波的初相位為θc，根據(jù)式（6）可得第j個(gè)單相橋輸出電壓為

式中，j=1,2,…K。

根據(jù)三角函數(shù)的性質(zhì)，如下的關(guān)系成立其中(k=1,2,…∞)。

這樣，K個(gè)二電平單相橋輸出電壓之和為

比較式（6）與式（1）可以發(fā)現(xiàn)，兩者非常相似，經(jīng)過載波移相后，載波倍數(shù)m不是K的整數(shù)倍時(shí)，它所對(duì)應(yīng)的載波頻帶及其邊帶諧波被全部消除，載波移相相當(dāng)于將原來二電平載波頻率提高了 K倍，總的輸出電壓諧波分布在等效載波頻率（ ωc_eq=Kωc）的K倍以及K倍的上下邊帶上。載波移相 SPWM 在不提高各單相橋開關(guān)頻率的前提下大大改善了輸出電壓的諧波性能，非常適合應(yīng)用于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的變流器中。

2 直流電容電壓平衡控制方法

鏈?zhǔn)絊TATCOM的各閥組單元的直流電容是完全分開的，由于元件參數(shù)差異、功率損耗差異以及脈沖控制精度等方面的因素，直流電容電壓不能自然平衡，必須采取直流電壓平衡控制措施。

ALSTOM公司的75MVA 鏈?zhǔn)絊TATCOM工程采用了基于交流母線能量交換的直流電壓平衡控制方法，利用雙向變換的輔助變流器使有功功率能夠在各個(gè)閥組單元單元交換。但大量雙向變換的輔助變流器的存在使裝置構(gòu)成復(fù)雜化，并且?guī)沓杀驹黾印⒄w可靠性下降等問題。

在±200Mvar 鏈?zhǔn)?STATCOM 裝置中，將主要軟件和算法上的控制措施實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的平衡控制，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 載波移相的PWM

在 PWM控制策略的設(shè)計(jì)中，通過算法設(shè)計(jì)使各換流鏈的各閥組單元輸出電壓的基波電壓幅值和相位完全相同，這主要是使各閥組單元流過的基波功率完全相同，是各閥組單元的工作狀況一致化，以有利于直流電容電壓的平衡。這方面具體的策略已包含在載波移相PWM控制算法之中。

2.2 PWM直流制動(dòng)

通過PWM調(diào)制控制直流電容兩端的放電電阻，即可調(diào)節(jié)并聯(lián)于電容的等效電阻值。這種方法等效于調(diào)節(jié)并聯(lián)損耗，使各閥組單元的損耗趨于一致，方法簡單，但損耗略微增加。

直流放電電阻的 PWM制動(dòng)控制作為循環(huán)交換脈沖電壓平衡控制的一種輔助控制手段，用于抑制循環(huán)交換脈沖后仍較高的直流電容電壓。PWM制動(dòng)控制采用最小電容電壓跟蹤控制，如圖4所示。

圖4 基于最小電壓跟蹤的直流電壓平衡控制原理圖

圖4中，VDi為本單元變流器直流電壓，VDM為所有單元變流器直流電壓的最小值，PDIS為放電開關(guān) Si驅(qū)動(dòng)信號(hào)。U1、U2構(gòu)成直流電容放電電阻的PWM控制，當(dāng)VDi大于VDM時(shí)，PDIS輸出PWM控制信號(hào)，VDi越大，PWM脈寬越大，使本單元變流器直流電容放電電流更大。穩(wěn)態(tài)時(shí)，VDi等于VDM時(shí)，PDIS輸出低電平，放電開關(guān)Si截止。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是最大電容電壓的求取與單元變流電路數(shù)目無關(guān)。PWM控制的最大脈沖寬度得到限制，使裝置損耗只有很小幅的增加（增加的損耗小于總損耗的1%）。

2.3 直流電容電壓平衡控制的效果

南方電網(wǎng)直掛電壓35kV，容量為±200MVar高壓大功率靜止補(bǔ)償器STATCOM并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)波形如圖5所示。

圖5 35kV并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)波形

以A相為例，其不同時(shí)刻直流電容電壓的平均值、最小值和最大值如圖6所示。

圖6 A相電容電壓

為更直觀的從數(shù)值上表現(xiàn)出上述控制措施實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的平衡控制的效果，將不同時(shí)刻各相直流電容電壓的測試值見表1。

3 結(jié)論

本文對(duì)載波移相 PWM 控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析，載波移相SPWM在不提高各單相橋開關(guān)頻率的前提下可大大改善輸出電壓的諧波性能，非常適合應(yīng)用于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的變流器中?；谳d波移相PWM控制策略，±200Mvar 鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置通過PWM直流制動(dòng)等控制措施實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的平衡控制。

表1

通過 35kV并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)的波形和直流電容電壓數(shù)值分析可以看出，上述控制策略可以很好的實(shí)現(xiàn)直流電容電壓平衡控制，適應(yīng)南方電網(wǎng)±200MVA鏈?zhǔn)届o止補(bǔ)償器STATCOM的性能要求。

[1]耿俊成,劉文華,袁志昌.鏈?zhǔn)絊TATCOM電容電壓不平衡現(xiàn)象研究(一)仿真和試驗(yàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2003(16).

[2]王立杰.STATCOM控制方法及PWM策略的研究[D].江蘇大學(xué),2007.

[3]魏文輝,劉文華,倪鐳,鄒彬,宋強(qiáng).鏈?zhǔn)絊TATCOM直流側(cè)電容穩(wěn)態(tài)分析及參數(shù)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004(4).

[4]劉元清.配電網(wǎng)STATCOM控制策略分析與裝置研究[D].河海大學(xué),2007.

[5]李永東,高躍,候軒.大容量多電平變換器 PWM 控制技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].電力電子技術(shù),2005(5).

[6]栗春,姜齊榮,王仲鴻.STATCOM 電壓控制系統(tǒng)性能分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000(8).