基于載波移相PWM控制策略的±200MVA級鏈式STATCOM的直流電容電壓控制方法

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體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置。STATCOM 是迄今為止性能最優(yōu)越的靜止無功補償設備，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?shù)卣{節(jié)橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補償?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)運行的超高壓、遠距離、大容量互聯(lián)電網(wǎng)，根據(jù)南方電網(wǎng)的實際情況，高壓大功率變流器及靜止補償器STATCOM直掛電壓等級為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)化方程較復雜，難以實時求解，通常采用離線計算開關角度，在線查表的方法實現(xiàn)，導致該方法實時性不高，在需要快速控制的場合中效果不好。而載波調制類和空間矢量調制類方法具有實現(xiàn)簡單，實時性高的特點，可以滿足快速控制的要求。另外，隨著電力半導體技術的進步，具有1kHz左右開關頻率的大容量 IGBT/IEGT等器件的逐步商用化也為載波調制類和空間矢量調制類方法在鏈式變流器中的應用提供了保證。載波調制類和空間矢量調制類方法對于異常工況下STATCOM的控制與保護具有重要意義。

應用于鏈式多電平變流器時，載波調制類方法發(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方法輸出有兩個電平：+E和-E，E表示直流電壓。正弦調制波和三角載波比較，當調制波大于載波時，變流器輸出+E電平，反之則輸出-E電平。

理論上所有時域的周期信號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算十分困難。二電平正弦 PWM方法輸出電壓的時域表達式如下：

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為調制比，定義為調制波峰值和載波峰值之比，ωs為調制波的角頻率，θs為調制波的初相位，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）基波的幅值與調制比 M成正比，通過調節(jié)調制波幅值大小即可調節(jié)輸出電壓。

4）當m＋n為偶數(shù)時，該項諧波不存在。

三電平 SPWM 調制可以由兩個二電平 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方法輸出電壓的時域表達式如下：

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特點外，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，這相當于將載波頻率提高了一倍，注意到開關頻率也相應地提高了一倍。

由于三電平 SPWM 的輸出可由兩個二電平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，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)

假設有K個二電平單相橋串聯(lián)，則調制波與K個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開δ=2π/K ，記第一個載波的初相位為θc，根據(jù)式（6）可得第j個單相橋輸出電壓為

式中，j=1,2,…K。

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

這樣，K個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，它所對應的載波頻帶及其邊帶諧波被全部消除，載波移相相當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，非常適合應用于鏈式結構的變流器中。

2 直流電容電壓平衡控制方法

鏈式STATCOM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 鏈式STATCOM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成復雜化，并且?guī)沓杀驹黾?、整體可靠性下降等問題。

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

2.1 載波移相的PWM

在 PWM控制策略的設計中，通過算法設計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

通過PWM調制控制直流電容兩端的放電電阻，即可調節(jié)并聯(lián)于電容的等效電阻值。這種方法等效于調節(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 Si驅動信號。U1、U2構成直流電容放電電阻的PWM控制，當VDi大于VDM時，PDIS輸出PWM控制信號，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，VDi等于VDM時，PDIS輸出低電平，放電開關Si截止。這種控制方法的優(yōu)點是最大電容電壓的求取與單元變流電路數(shù)目無關。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高壓大功率靜止補償器STATCOM并網(wǎng)運行試驗波形如圖5所示。

圖5 35kV并網(wǎng)運行試驗波形

以A相為例，其不同時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)出上述控制措施實現(xiàn)直流電容電壓的平衡控制的效果，將不同時刻各相直流電容電壓的測試值見表1。

3 結論

本文對載波移相 PWM 控制策略進行了詳細分析，載波移相SPWM在不提高各單相橋開關頻率的前提下可大大改善輸出電壓的諧波性能，非常適合應用于鏈式結構的變流器中?；谳d波移相PWM控制策略，±200Mvar 鏈式STATCOM裝置通過PWM直流制動等控制措施實現(xiàn)直流電容電壓的平衡控制。

表1

通過 35kV并網(wǎng)運行試驗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現(xiàn)直流電容電壓平衡控制，適應南方電網(wǎng)±200MVA鏈式靜止補償器STATCOM的性能要求。

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