基于四重化主電路結(jié)構(gòu)的先進(jìn)靜止無功補(bǔ)償器

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(jī)容量越來越大，從而需要擴(kuò)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(diǎn)。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(jí)而且能有效地消除諧波，所以在具體的實(shí)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(gè)或者是兩個(gè)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(zhǔn)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(dá)到的目的。

本文先對ASVG的工作原理和基本電路結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(shí)的跟蹤系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流，對電網(wǎng)的無功補(bǔ)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(jìn)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(dá)到動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的無功功率補(bǔ)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(gè)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(xiàn)看，目前國內(nèi)外已投入運(yùn)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(gè)三相逆變器互相錯(cuò)開180°/6=30°相位角，就可以得到12相的輸出。

假定有N個(gè)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(jìn)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(gè)三相逆變電路進(jìn)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(gè)脈沖電壓型逆變器構(gòu)成，每個(gè)8脈沖逆變器IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖相對于系統(tǒng)參考電壓相角為 0°、-15°、-30°、-45°。每8個(gè)脈沖逆變器由3個(gè)單相橋構(gòu)成。12個(gè)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(gè)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(jìn)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(jí)繞組與次級(jí)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(fù)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(jìn)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(bǔ)償前的電壓和電流波形圖，圖7為ASVG補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(gè)電容的充電過程的體現(xiàn)。本仿真在1s的時(shí)候開始加上沖擊性負(fù)載，而1.5s時(shí)斷開沖擊性負(fù)載。具體可見上圖，在1s加上沖擊負(fù)載后，該ASVG裝置能夠很快對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，使電容電壓能夠很快的進(jìn)入穩(wěn)定，反應(yīng)時(shí)間很短。同樣，當(dāng)斷開沖擊性負(fù)載時(shí)，裝置也能夠快速的回到原來狀態(tài)。這說明該裝置的補(bǔ)償效果良好。

圖6 補(bǔ)償前的系統(tǒng)電壓（上）和電流（下）波形

圖7 補(bǔ)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(jìn)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(bǔ)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(jì)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(shí)的對系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)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.

[2]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京∶中國電力出版社,2006.

[3]劉暉.試析電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償技術(shù)[J].電力電容器,2007,28(3)∶13-16.

[4]Gyugri L,Hingorani NG,Nanney P R,et al.Advanced Static Var Compensator Using Gate Turn-Off Thyristor for Utility Application[R].CIGRE Paris. 1990∶26-30.

[5]Smith KM, Lai Z, Smedley K M. A New PWM Controller with One～cycle Response[R]. Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1997,Twelfth Annual Atlanta (USA)∶1997

[6]王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[7]萬村英. 一種基于多重化技術(shù)的新型靜止無功功率發(fā)生器[D]∶ 南昌大學(xué),2009.