一種新型多電平靜止無功發(fā)生器研究

常鵬飛，徐星星，王寶安，何澤家

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇南京 210003；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京 210096；3.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103）

目前，電網(wǎng)中的使用電力電子技術(shù)的裝置所占比重越來越大，給電網(wǎng)帶來了諧波污染、系統(tǒng)功率因數(shù)低、電壓波動和閃變等電能質(zhì)量問題。靜止無功發(fā)生器（SVG）作為柔性交流輸電技術(shù)中的重要技術(shù)之一，具有良好的補(bǔ)償效果和先進(jìn)的控制性能，成為無功補(bǔ)償裝置的研究重點(diǎn)[1-4]。多電平結(jié)構(gòu)的SVG由于輸出功率大、輸出諧波小，在高電壓大容量場合得到廣泛應(yīng)用。多電平SVG主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，最為典型的有二極管箝位型、飛跨電容型和級聯(lián)型。二極管箝位型多電平逆變器電容均壓較困難[5，6]；飛跨電容型多電平逆變器應(yīng)用于高壓系統(tǒng)時(shí)，電容體積大，成本高，封裝困難；級聯(lián)型多電平結(jié)構(gòu)中，每個(gè)H橋單元需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源，隨著電平數(shù)的提高，需要的直流電源數(shù)量較多，控制較復(fù)雜。

本文提出了一種新型多電平靜止無功發(fā)生器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只需要一個(gè)直流電容，避免了電容電壓不平衡問題；采用移相載波PWM控制策略，降低了輸出波形的諧波含量；共用直流電容，適合于電氣化鐵路三相不平衡補(bǔ)償。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

一種新型多電平靜止無功發(fā)生器[7-9]的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。該裝置由兩組背靠背結(jié)構(gòu)的電壓型逆變器構(gòu)成，其中一組逆變器經(jīng)變壓器并聯(lián)到電網(wǎng)A相、B相間，另一組逆變器經(jīng)變壓器并聯(lián)到電網(wǎng)C相、B相間。這種結(jié)構(gòu)中每組逆變器都采用級聯(lián)多電平技術(shù)，均由4個(gè)單相H橋串聯(lián)而成，通過載波移相PWM技術(shù)使每個(gè)H橋產(chǎn)生一定相位差的方波電壓，經(jīng)多繞組變壓器形成多電平輸出，使輸出電壓接近于正弦波。其中所有級聯(lián)的H橋單元都共用一個(gè)直流電容，因此直流電壓控制與傳統(tǒng)級聯(lián)型SVG相比較簡單，無需均衡電容電壓，且降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性；單相H橋的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

多繞組變壓器的原邊繞組1個(gè)，副邊繞組4個(gè)。在理想情況下，當(dāng)變比為1，且副邊繞組電壓相等時(shí)，4個(gè)H橋單元的輸出電流之和即為變壓器原邊輸出電流。該結(jié)構(gòu)利用中間直流電容實(shí)現(xiàn)了有功功率的雙向流動，因此抑制三相不平衡的能力較僅作為無功補(bǔ)償?shù)腟VG強(qiáng)，尤其適用于電氣化鐵路牽引站的三相不平衡治理。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括主電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)[10]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.1.1 主電路

主電路由逆變器、直流側(cè)電容和并網(wǎng)電抗器構(gòu)成，根據(jù)控制芯片發(fā)出的PWM脈沖信號控制功率開關(guān)器件的通斷，從而產(chǎn)生符合控制要求的補(bǔ)償電流。并網(wǎng)電抗器用來減小逆變器產(chǎn)生的高次諧波，增強(qiáng)補(bǔ)償電流的跟蹤能力。

2.1.2 控制電路

控制電路產(chǎn)生控制功率開關(guān)器件通斷的信號。主要由信號檢測調(diào)理電路、DSP+FPGA控制電路以及驅(qū)動電路組成。

（1）信號檢測調(diào)理電路：采用電流互感器和電壓互感器檢測系統(tǒng)中的電流、電壓，并轉(zhuǎn)換為DSP芯片可以處理的信號。

（2）DSP+FPGA控制電路：由于主電路需要32路控制脈沖輸出，因此采用以DSP+FPGA為核心的控制電路，利用FPGA I/O引腳多的特點(diǎn)，構(gòu)造多路PWM產(chǎn)生器。在DSP控制器中進(jìn)行采樣和運(yùn)算，生成補(bǔ)償指令電流，F(xiàn)PGA根據(jù)DSP發(fā)出的調(diào)制信號，采用移相載波PWM技術(shù)產(chǎn)生PWM脈沖信號。

（3）驅(qū)動電路：用于放大FPGA輸出的PWM信號，控制主電路中各個(gè)開關(guān)器件的通斷。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)和FPGA模塊設(shè)計(jì)。

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖4所示。主程序負(fù)責(zé)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。主要包括I/O口配置寄存器初始化、中斷矢量表初始化、AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集單元寄存器初始化和系統(tǒng)變量初始化等。當(dāng)初始化操作完成后，進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待中斷的發(fā)生。2.2.2定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)

定時(shí)器中斷子程序流程如圖5所示。進(jìn)入中斷后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從結(jié)果寄存器中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并判斷直流側(cè)電壓是否達(dá)到了給定值。然后將直流側(cè)電壓Udc和參考電壓Udc*作比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，得到控制信號iq，再根據(jù)三相負(fù)載電流、iq以及dq0算法計(jì)算出指令電流。比較指令電流和實(shí)際產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，經(jīng)比例控制器后得到調(diào)制信號。

2.2.3 FPGA模塊的設(shè)計(jì)

FPGA模塊的程序流程如圖6所示。FPGA一方面根據(jù)DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)對功率單元進(jìn)行控制，如圖6（a）所示；另一方面接收功率單元上傳的故障信息和系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)行譯碼后通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送給DSP，如圖 6（b）所示。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證新型多電平SVG的補(bǔ)償性能，采用PSIM進(jìn)行仿真研究。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置如下：三相電網(wǎng)電壓380 V/50 Hz，直流母線電壓Udc=800 V，直流電容C=100 mF，交流側(cè)并網(wǎng)電感取4 mH。負(fù)載為阻感負(fù)載，L=28 mH，R=1 Ω。

直流側(cè)電容電壓波形如圖7所示。由圖可以看出，電容電壓穩(wěn)定在給定值，波動很小。

補(bǔ)償前a相系統(tǒng)電壓和電流波形如圖8所示。補(bǔ)償后a相系統(tǒng)電壓和電流波形如圖9所示。比較2個(gè)圖可以看出，補(bǔ)償后電網(wǎng)電壓和電流相位一致，可見，SVG裝置能夠很好地補(bǔ)償感性無功。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證新型多電平SVG補(bǔ)償無功的能力，進(jìn)行了無功補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)單相交流電壓有效值為38 V，直流電容電壓為120 V，負(fù)載為純電感，L=28 mH。a相補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓電流波形如圖10所示。補(bǔ)償后電容電壓波形如圖11所示。

可見，補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓電流相位一致，補(bǔ)償效果較好，并且直流電容電壓穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文提出了一種新型多電平靜止無功發(fā)生器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了該裝置的工作原理和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證該新型SVG補(bǔ)償無功功率的效果，分別從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度進(jìn)行研究，結(jié)果均表明該新型SVG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和控制系統(tǒng)的有效性。相較于傳統(tǒng)級聯(lián)型結(jié)構(gòu)而言，該新型SVG僅需一個(gè)直流電容，降低裝置占地面積，節(jié)約裝置的成本，且直流穩(wěn)壓控制簡單。此外，其采用載波移相PWM控制方法，多繞組變壓器副邊繞組無需錯(cuò)開相位，即可實(shí)現(xiàn)多電平輸出，改善輸出波形，減小輸出諧波含量。

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