基于交錯(cuò)調(diào)制PWM技術(shù)STATCOM系統(tǒng)的研究

曹雪祥， 史麗萍

(1. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司, 重慶 400037;2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

基于交錯(cuò)調(diào)制PWM技術(shù)STATCOM系統(tǒng)的研究

曹雪祥1， 史麗萍2

(1. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司, 重慶 400037;2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

針對(duì)靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)系統(tǒng)，采用并聯(lián)H橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高STATCOM裝置的補(bǔ)償容量。同時(shí)，對(duì)并聯(lián)H橋直流側(cè)電容進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，結(jié)合交錯(cuò)調(diào)制PWM技術(shù)，提出一種適合于并聯(lián)H橋拓?fù)湎耂TATCOM系統(tǒng)控制策略。研制電壓1140V、容量500kvar的STATCOM裝置，試驗(yàn)結(jié)果證明了該策略的優(yōu)越性與正確性。

靜止同步補(bǔ)償器； 交錯(cuò)調(diào)制PWM技術(shù)； 并聯(lián)H橋

1 引言

近年來(lái)，配電網(wǎng)中的非線性、沖擊性及不平衡負(fù)荷迅速增多，導(dǎo)致配電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化。這些負(fù)荷帶來(lái)的配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題主要包括無(wú)功功率過(guò)剩與諧波污染等[1-3]。

STATCOM作為先進(jìn)的電能質(zhì)量治理裝置，調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行范圍寬，已成為配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償研究的熱點(diǎn)之一[4,5]。目前，有很多文獻(xiàn)集中研究級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)湎耂TATCOM系統(tǒng)，但對(duì)并聯(lián)H橋拓?fù)涞难芯可刑幱谄鸩诫A段。隨著配電網(wǎng)容量的增加與開(kāi)關(guān)器件不斷向大功率發(fā)展，對(duì)STATCOM的容量提出了更高的要求。因此，對(duì)并聯(lián)H橋STATCOM進(jìn)行研究有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 交錯(cuò)調(diào)制PWM技術(shù)基本原理與仿真

如圖1所示，STATCOM裝置結(jié)構(gòu)主要由并聯(lián)H橋(4對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)器件與反并聯(lián)二極管)變流器組成，而H橋模塊則包括直流側(cè)電容和IGBT開(kāi)關(guān)器件，STATCOM裝置經(jīng)過(guò)交錯(cuò)電感與電網(wǎng)連接。交錯(cuò)調(diào)制PWM技術(shù)將三角載波與調(diào)制波進(jìn)行比較，通過(guò)比較后的開(kāi)關(guān)量來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。兩組交錯(cuò)電感的作用在于抑制諧波電流含量，削弱電流紋波。交錯(cuò)調(diào)制PWM策略可以降低輸出電流的諧波含量。在交錯(cuò)調(diào)制中，兩個(gè)及兩個(gè)以上的H橋并聯(lián)連接時(shí)，通過(guò)增大變流器的輸出電流，使得變流器的輸出功率增加，有利于STATCOM補(bǔ)償容量的提高。

圖1 STATCOM裝置拓?fù)渑c調(diào)制原理Fig.1 Topology and modulation principle of STATCOM

圖1中，仿真參數(shù)如下：直流側(cè)為2V，載波比k為108，調(diào)制比m為0.8，交錯(cuò)電感為0.5mH，采用1Ω電阻代替電壓源U。通過(guò)同相三角載波與單極倍頻正弦調(diào)制波比較后得到的PWM信號(hào)，來(lái)控制IGBT的通斷。

圖2 i、i1和i2的電流波形Fig.2 Current waveforms of i, i1 and i2

圖3 i、i1和i2的電流頻譜波形Fig.3 Current spectrum waveforms i, i1 and i2

電流波形如圖2所示。i為i1和i2之和，由于并聯(lián)H橋的電流相互疊加，相位相反的諧波被互相抵消。兩個(gè)H橋參數(shù)相同，幅值上相互疊加。電流頻譜波形如圖3所示?？芍?，i1和i2的諧波頻譜集中在216倍數(shù)次，而i諧波頻譜集中在432倍數(shù)次，諧波電流得到了很好的抑制和衰減。每個(gè)H橋逆變輸出電壓的幅值都一樣，使得直流側(cè)電壓更加穩(wěn)定。諧波電壓頻譜都集中在216倍數(shù)次，如圖4所示，其中u為經(jīng)交錯(cuò)電感濾波后的H橋輸出電壓。

圖4 u、uab和ucd的電壓及其頻譜波形Fig.4 Voltage waveforms and spectrums of u, uab and ucd

3 H橋單元電容值選型

H橋單元主要器件是直流側(cè)電容，它占據(jù)了H橋單元近一半的體積，合理設(shè)計(jì)H橋直接關(guān)系到系統(tǒng)是否能夠較好、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。文獻(xiàn)[2]指出，系統(tǒng)電壓控制外環(huán)的跟隨性，其要求電容參數(shù)值越小越好；然而，過(guò)小的電容參數(shù)值對(duì)系統(tǒng)不能起到很好的穩(wěn)定作用，此外過(guò)小的電容值會(huì)使電容電壓的波動(dòng)過(guò)大、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)輸出電壓的諧波含量增大。因此，需要通過(guò)選取合理的電容參數(shù)來(lái)抑制直流電容的波動(dòng)，使其波動(dòng)值在允許范圍內(nèi)。

圖1中，以A相為例，H橋單元交流側(cè)輸出電壓uab和直流側(cè)電流idc的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中，Sk(k=a,b,分別代表H橋的左橋臂和右橋臂)為A相H橋變流器邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)。采用占空比描述的高頻開(kāi)關(guān)數(shù)學(xué)函數(shù)模型[2]，開(kāi)關(guān)函數(shù)表達(dá)式為：

(2)

式中，m、θ分別為調(diào)制波的調(diào)制比、初始相位；左橋臂αa=0，右橋臂αb=π。綜合式(1)與式(2)，可得到輸出電壓uab和直流電容電流idc的數(shù)學(xué)近似表達(dá)式(3)，三相對(duì)稱系統(tǒng)電壓usx和需補(bǔ)償?shù)呢?fù)載電流iLx如式(4)所示：

(3)

(4)

式中，交流側(cè)補(bǔ)償電流iLx含有6k±1次的諧波電流；I1s、Ins分別為無(wú)功電流和相應(yīng)諧波電流有效值；φ1、φn為其對(duì)應(yīng)的相位角；Vs為交流相電壓有效值；x=a,b,c；θx的值分別為0°、-120°、+120°。綜合式(3)與式(4)，可得：

(5)

由式(5)可得，直流側(cè)電容電壓udc主要由直流分量和諧波電壓成分組成，兩倍頻紋波電壓占很大比例。按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，電容的紋波電壓波動(dòng)范圍允許在10%以內(nèi)，電容指令電壓為1200V，補(bǔ)償電流為250A，可得式(6)：

(6)

根據(jù)式(6)，代入相關(guān)參數(shù)，可得Cdc≥0.0018F，這里選取電容值Cdc=2000μF。采用Arcotronics公司的型號(hào)為C44UQGQ6500F8SK的薄膜電容作為直流母線電容，并采用4個(gè)電容并聯(lián)策略，進(jìn)一步減少電壓紋波。

4 STATCOM系統(tǒng)仿真分析

圖5 STATCOM仿真控制原理Fig.5 Simulation control principle of STATCOM

綜合補(bǔ)償控制系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。在動(dòng)態(tài)負(fù)載情況下，0～0.3s處于工況1運(yùn)行狀況，0.3s～0.6s處于工況4運(yùn)行狀況。在0～0.6s運(yùn)行時(shí)間中，除投切點(diǎn)有較大波動(dòng)外，在不到兩個(gè)周波的時(shí)間，STATCOM補(bǔ)償電流能夠迅速跟蹤負(fù)載側(cè)無(wú)功電流，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，補(bǔ)償后的基波有功電流畸變?yōu)?.29%。從圖7可以看出，直流側(cè)電壓被很好地控制在1200V，穩(wěn)定后相角互差120°。STATCOM通過(guò)改變自身調(diào)制比的大小，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)負(fù)載補(bǔ)償，補(bǔ)償效果很好。

表1 綜合補(bǔ)償控制系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of compensation system

圖6 STATCOM發(fā)出的無(wú)功補(bǔ)償電流與負(fù)載無(wú)功電流跟蹤(動(dòng)態(tài)負(fù)載)Fig.6 Reactive power compensation of STATCOM and reactive load current at dynamic load

圖7 三相直流側(cè)電容電壓波形Fig.7 Waveforms of DC side capacitor voltage

5 STATCOM裝置試驗(yàn)

裝置樣機(jī)結(jié)構(gòu)分布如圖8所示，裝置由四個(gè)主要部分組成：

(1)啟動(dòng)裝置。包括軟起動(dòng)電路、真空交流接觸器、高壓帶電顯示裝置和LCL濾波電路。裝置通過(guò)軟起動(dòng)電阻與LCL濾波電路給H橋模塊充電，通過(guò)接觸器將軟啟動(dòng)電阻短接并投入電網(wǎng)。

(2)功率單元。含六個(gè)H橋模塊功率單元，Y型中性點(diǎn)不接地，每個(gè)H橋由獨(dú)立的FPGA控制，內(nèi)含直流側(cè)BUS電容采樣、保護(hù)電流、溫度和電源等電路。

(3)控制單元。主要包括主控制芯片，內(nèi)含系統(tǒng)電壓、電流、負(fù)載電流等檢測(cè)電路；內(nèi)含光纖通訊板，負(fù)責(zé)和H橋模塊實(shí)時(shí)通訊；含有失壓脫扣、交流160V變直流220V、±24V和±8V等弱電電路，集合了PT、CT等測(cè)量元件。

圖8 1140V并聯(lián)STATCOM系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 1140V parallel STATCOM system topology

搭建系統(tǒng)裝置試驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)主要包括兩臺(tái)STATCOM裝置，一臺(tái)為負(fù)載機(jī)，另一臺(tái)為補(bǔ)償機(jī)。負(fù)載機(jī)STATCOM工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，主要發(fā)出感性與諧波電流；補(bǔ)償機(jī)STATCOM工作在閉環(huán)狀態(tài)，主要是補(bǔ)償負(fù)載機(jī)發(fā)出的感性與諧波電流。主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

補(bǔ)償機(jī)和負(fù)載機(jī)電流如圖9所示。滿載情況下，示波器上顯示負(fù)載機(jī)發(fā)出274.2A電感電流，而LCL濾波電容補(bǔ)償25A電流，補(bǔ)償機(jī)只需補(bǔ)償240.2A的容性無(wú)功。

圖9 補(bǔ)償機(jī)和負(fù)載機(jī)電流Fig.9 Compensation current and load current

負(fù)載機(jī)和補(bǔ)償后系統(tǒng)電流及其頻譜如圖10所示，其中頻譜分析的數(shù)據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電流數(shù)據(jù)。在0～0.02s未投入STATCOM時(shí)，負(fù)載機(jī)電流中含有大量的諧波電流和無(wú)功電流，諧波電流次數(shù)集中在5、7、11和13次諧波，各占13.65%、6.34%、2.56%和1.78%。在0.02s投入STATCOM后，負(fù)載諧波電流得到很大的抑制與補(bǔ)償，基本只剩下基波有功電流。

圖10 系統(tǒng)補(bǔ)償后電流特性Fig.10 Current characteristics of system after compensation

設(shè)置負(fù)載機(jī)發(fā)出的電流包含50A感性無(wú)功，并疊加30A諧波電流(其中含有5、7、11、13、17和19次特征次諧波成分)。補(bǔ)償機(jī)對(duì)檢測(cè)到的無(wú)功及特征諧波進(jìn)行完全補(bǔ)償，用示波器記錄兩臺(tái)裝置的輸出電流波形，如圖11所示。從圖11可以看出，補(bǔ)償機(jī)和負(fù)載機(jī)的輸出電流波形均基本重合，STATCOM裝置補(bǔ)償效果良好。

圖11 諧波完全補(bǔ)償時(shí)的輸出電流Fig.11 Output currents of compensation and load

6 結(jié)論

本文給出了并聯(lián)H橋單元直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)與選型。采用交錯(cuò)調(diào)制PWM技術(shù)，使得每個(gè)H橋輸出電流為負(fù)載側(cè)補(bǔ)償電流的一半，這樣開(kāi)關(guān)器件電流出力較小，方便以后容量的增加。采用該策略可以很好地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能。

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Research of STATCOM by staggered modulation PWM technology

CAO Xue-xiang1， SHI Li-ping2

(1. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China；2. School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)

For static synchronous compensator system, the compensation capacity of STATCOM device is improved by parallel H-bridge converter topologies. This paper analyses the parallel H-bridge DC capacitor mathematical model. At the same time， combined with staggered PWM modulation technique, parallel H-bridge topology of STATCOM system control strategy is proposed. Finally, through building a cascaded STATCOM (1140V，500kvar) experimental prototype, the precision and effectiveness of this strategy are confirmed by experimental results.

STATCOM; staggered modulation PWM; parallel H-bridge

2015-04-15

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20110095110014)、 教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目基金(311021)資助項(xiàng)目

曹雪祥(1989-)， 男， 江蘇籍， 助理工程師， 碩士， 從事無(wú)功補(bǔ)償與諧波治理； 史麗萍(1964-)， 女， 江蘇籍， 教授， 博士， 從事煤礦機(jī)電設(shè)備及其自動(dòng)化、 無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理。

TM46

A

1003-3076(2016)04-0017-06