1 引言
20世紀(jì)80年代以來(lái),，隨著電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，一種更為先進(jìn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置¾¾靜態(tài)型同步補(bǔ)償器" title="同步補(bǔ)償器">同步補(bǔ)償器（Static synchronous compensator,， STATCOM）被廣泛研究和應(yīng)用于電力系統(tǒng)［1-5］,。在STATCOM裝置中，主電路的核心部分是電壓型逆變器,，并且已經(jīng)實(shí)用化的補(bǔ)償裝置大多采用的是兩電平逆變器的多重化技術(shù),。但是，采用多重化的結(jié)構(gòu)STATCOM由于主開關(guān)器件耐壓的限制,，需要大量的笨重,、昂貴、耗能的升降壓變壓器及連接變壓器,，并且對(duì)諧波要求越高,，需要連接的逆變器就越多，變壓器也越多,，這大大增加了系統(tǒng)的體積和成本,，能量損耗也增加。正是由于這些原因,，采用多電平逆變器構(gòu)成STATCOM主電路的方法引起了人們的關(guān)注,，并成為研究的熱點(diǎn)［6］。
多電平逆變器的思想最早是由Nabae于20世紀(jì)80年代初提出的［6］,。它的一般結(jié)構(gòu)是由幾個(gè)電平臺(tái)階（典型情況是電容電壓）合成階梯波以逼近正弦輸出電壓［6-8］,。這種變換器由于輸出電壓電平數(shù)的增加，使得輸出波形具有更好的諧波頻譜,，并且每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小,，從而無(wú)需均壓電路，可避免大的dv/dt所導(dǎo)致的各種問(wèn)題。
主電路結(jié)構(gòu)采用二極管箝位多電平逆變器的STATCOM裝置,，通常被局限在五電平以下,，因?yàn)槿舫^(guò)五電平，除需要大量的箝位二極管以外,，其控制方法也變得很復(fù)雜,，而且還不得不考慮多個(gè)電容由于充放電的差異而造成的電壓均衡問(wèn)題，這又提高了對(duì)控制方法的要求,。因此,，采用這種結(jié)構(gòu)的STATCOM主要采用三電平的結(jié)構(gòu)，從而限制了在更高電壓等級(jí)的應(yīng)用,。
采用級(jí)聯(lián)逆變器作為STATCOM主電路可以省去大量鉗位二極管和電容,，所以基于這種結(jié)構(gòu)的STATCOM研究很多［6］，但這種結(jié)構(gòu)需要多個(gè)獨(dú)立儲(chǔ)能電容,。當(dāng)用于STATCOM主電路時(shí),，必須考慮多個(gè)電容電壓的平衡問(wèn)題，這樣使控制方法非常復(fù)雜,。為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾,，采用這種結(jié)構(gòu)的STATCOM的每相常常要級(jí)聯(lián)多個(gè)全橋逆變器，這就需要大量的開關(guān)器件,，成本大大增加,。針對(duì)國(guó)內(nèi)6kV中壓電網(wǎng)三相平衡負(fù)載的無(wú)功功率補(bǔ)償，結(jié)合二極管箝位多電平逆變器和級(jí)聯(lián)逆變器的特點(diǎn),，本文提出了一種能夠直接并入電網(wǎng)的主從型逆變器結(jié)構(gòu)STATCOM,，減少了各種功率器件" title="功率器件">功率器件的應(yīng)用并消除了變壓器，實(shí)現(xiàn)STATCOM高壓大容量化,、高效化,、小型化和低成本化，且控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用,。最后對(duì)逆變器的輸出電壓波形進(jìn)行了仿真研究并給出了諧波頻譜,。
2 STATCOM的主從型逆變器結(jié)構(gòu)
本文提出的主從型五電平混聯(lián)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,，圖1的第Ⅰ部分為二極管箝位三電平逆變器,，第Ⅱ部分為3個(gè)H橋逆變器，第Ⅲ部分為二極管箝位三電平逆變器電容C1,、C2的硬件平衡控制電路,。圖1所示的混聯(lián)五電平逆變器結(jié)構(gòu)，與單純的二極管箝位五電平逆變器相比,，減少了大量的箝位二極管;與H橋級(jí)聯(lián)逆變器相比,，在器件數(shù)量上沒有優(yōu)勢(shì)，但是,，采用這種混聯(lián)結(jié)構(gòu)后,，可以設(shè)計(jì)出比較簡(jiǎn)單的控制方法,，與采用級(jí)聯(lián)逆變器的STATCOM應(yīng)用相應(yīng)的控制方法比較，在同為五電平結(jié)構(gòu)的情況下,，輸出逆變電壓諧波含量將大大降低,。
對(duì)圖1所示混聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)，單相各開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電平如表1（假設(shè)N點(diǎn)電為0,，各電容電壓為E,，以Vcan相輸出為例）。
3 主從型逆變器輸出電壓的諧波分析
本文主逆變器采用PWM的控制方法,，H橋逆變器輸出方波電壓,，構(gòu)成輸出正弦電壓的基本成分;主逆變器產(chǎn)生輸出電壓的補(bǔ)償部分并負(fù)責(zé)消除低次諧波。從而整個(gè)逆變器輸出的合成電壓在原理上可等效為一個(gè)五電平逆變器的SPWM輸出,，輸出波形如圖2所示,。其輸出電壓的諧波分析可以采用與傳統(tǒng)PWM調(diào)制五電平逆變器相同的方法［9-10］。
從圖2可以看出,，輸出電壓波形比較復(fù)雜,，SPWM（正弦波調(diào)制PWM）調(diào)制在調(diào)制波的各周期內(nèi)，無(wú)法以調(diào)制波角頻率wS為基準(zhǔn),，用傅立葉級(jí)數(shù)把它分解為調(diào)制波角頻率倍數(shù)的諧波,，為此必須采用雙重傅立葉級(jí)數(shù)展開的方法，即采用以載波的角頻率wC為基準(zhǔn),，考察其邊頻帶諧波分布的情況,。
1 引言
20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,，一種更為先進(jìn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置¾¾靜態(tài)型同步補(bǔ)償器（Static synchronous compensator,， STATCOM）被廣泛研究和應(yīng)用于電力系統(tǒng)［1-5］。在STATCOM裝置中,，主電路的核心部分是電壓型逆變器,，并且已經(jīng)實(shí)用化的補(bǔ)償裝置大多采用的是兩電平逆變器的多重化技術(shù)。但是,，采用多重化的結(jié)構(gòu)STATCOM由于主開關(guān)器件耐壓的限制,，需要大量的笨重、昂貴,、耗能的升降壓變壓器及連接變壓器,，并且對(duì)諧波要求越高，需要連接的逆變器就越多,，變壓器也越多,，這大大增加了系統(tǒng)的體積和成本，能量損耗也增加。正是由于這些原因,，采用多電平逆變器構(gòu)成STATCOM主電路的方法引起了人們的關(guān)注,，并成為研究的熱點(diǎn)［6］。
多電平逆變器的思想最早是由Nabae于20世紀(jì)80年代初提出的［6］,。它的一般結(jié)構(gòu)是由幾個(gè)電平臺(tái)階（典型情況是電容電壓）合成階梯波以逼近正弦輸出電壓［6-8］,。這種變換器由于輸出電壓電平數(shù)的增加，使得輸出波形具有更好的諧波頻譜,，并且每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小,，從而無(wú)需均壓電路，可避免大的dv/dt所導(dǎo)致的各種問(wèn)題,。
主電路結(jié)構(gòu)采用二極管箝位多電平逆變器的STATCOM裝置,，通常被局限在五電平以下，因?yàn)槿舫^(guò)五電平,，除需要大量的箝位二極管以外,，其控制方法也變得很復(fù)雜，而且還不得不考慮多個(gè)電容由于充放電的差異而造成的電壓均衡問(wèn)題,，這又提高了對(duì)控制方法的要求,。因此，采用這種結(jié)構(gòu)的STATCOM主要采用三電平的結(jié)構(gòu),，從而限制了在更高電壓等級(jí)的應(yīng)用,。
采用級(jí)聯(lián)逆變器作為STATCOM主電路可以省去大量鉗位二極管和電容，所以基于這種結(jié)構(gòu)的STATCOM研究很多［6］,，但這種結(jié)構(gòu)需要多個(gè)獨(dú)立儲(chǔ)能電容,。當(dāng)用于STATCOM主電路時(shí)，必須考慮多個(gè)電容電壓的平衡問(wèn)題,，這樣使控制方法非常復(fù)雜,。為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，采用這種結(jié)構(gòu)的STATCOM的每相常常要級(jí)聯(lián)多個(gè)全橋逆變器,，這就需要大量的開關(guān)器件,，成本大大增加。針對(duì)國(guó)內(nèi)6kV中壓電網(wǎng)三相平衡負(fù)載的無(wú)功功率補(bǔ)償,，結(jié)合二極管箝位多電平逆變器和級(jí)聯(lián)逆變器的特點(diǎn),，本文提出了一種能夠直接并入電網(wǎng)的主從型逆變器結(jié)構(gòu)STATCOM，減少了各種功率器件的應(yīng)用并消除了變壓器,，實(shí)現(xiàn)STATCOM高壓大容量化,、高效化、小型化和低成本化,，且控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用。最后對(duì)逆變器的輸出電壓波形進(jìn)行了仿真研究并給出了諧波頻譜。
2 STATCOM的主從型逆變器結(jié)構(gòu)
本文提出的主從型五電平混聯(lián)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,，圖1的第Ⅰ部分為二極管箝位三電平逆變器,，第Ⅱ部分為3個(gè)H橋逆變器，第Ⅲ部分為二極管箝位三電平逆變器電容C1,、C2的硬件平衡控制電路,。圖1所示的混聯(lián)五電平逆變器結(jié)構(gòu)，與單純的二極管箝位五電平逆變器相比,，減少了大量的箝位二極管;與H橋級(jí)聯(lián)逆變器相比,，在器件數(shù)量上沒有優(yōu)勢(shì)，但是,，采用這種混聯(lián)結(jié)構(gòu)后,，可以設(shè)計(jì)出比較簡(jiǎn)單的控制方法，與采用級(jí)聯(lián)逆變器的STATCOM應(yīng)用相應(yīng)的控制方法比較,，在同為五電平結(jié)構(gòu)的情況下,，輸出逆變電壓諧波含量將大大降低。
對(duì)圖1所示混聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu),，單相各開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電平如表1（假設(shè)N點(diǎn)電為0,，各電容電壓為E，以Vcan相輸出為例）,。
3 主從型逆變器輸出電壓的諧波分析
本文主逆變器采用PWM的控制方法,，H橋逆變器輸出方波電壓，構(gòu)成輸出正弦電壓的基本成分;主逆變器產(chǎn)生輸出電壓的補(bǔ)償部分并負(fù)責(zé)消除低次諧波,。從而整個(gè)逆變器輸出的合成電壓在原理上可等效為一個(gè)五電平逆變器的SPWM輸出,，輸出波形如圖2所示。其輸出電壓的諧波分析可以采用與傳統(tǒng)PWM調(diào)制五電平逆變器相同的方法［9-10］,。
從圖2可以看出,，輸出電壓波形比較復(fù)雜，SPWM（正弦波調(diào)制PWM）調(diào)制在調(diào)制波的各周期內(nèi),，無(wú)法以調(diào)制波角頻率wS為基準(zhǔn),，用傅立葉級(jí)數(shù)把它分解為調(diào)制波角頻率倍數(shù)的諧波，為此必須采用雙重傅立葉級(jí)數(shù)展開的方法,，即采用以載波的角頻率wC為基準(zhǔn),，考察其邊頻帶諧波分布的情況。
為了分析方便,，將圖2所示的4個(gè)載波信號(hào)用“分段線性函數(shù)”來(lái)表示,。這樣第n個(gè)（n=1，2,，3,，4分別表示從上到下的4個(gè)載波）三角載波的數(shù)學(xué)方程式可以寫成如下形式
其中k=0,，1，2,，3,，。..,。
正弦調(diào)制波的方程式為
假設(shè)n為某相對(duì)于調(diào)制波的諧波次數(shù);m為該相對(duì)于載波的諧波次數(shù),。則v的雙重傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為
根據(jù)式（3）和（4），通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算,，可以得到v的各級(jí)諧波的系數(shù),。需要指出的是對(duì)于五電平逆變器不同載波調(diào)制策略，其輸出相電壓和線電壓表達(dá)式不同,。當(dāng)所有載波同相位調(diào)制時(shí),，輸出線電壓的諧波最少，此時(shí)相電壓和線電壓的輸出分別如式（5）和（6）所示,。
4 主從型逆變器輸出電壓的仿真研究
4.1 主從型逆變器仿真模型的建立
為了研究主從型逆變器的輸出特性,，首先假定逆變器直流側(cè)的電壓恒定，逆變器中器件用理想開關(guān)來(lái)代替,。構(gòu)建主從型逆變器的仿真模型如圖3所示,。
載波頻率與調(diào)制波頻率比值N的選擇對(duì)逆變器輸出電壓的諧波影響很大，N越大,，諧波含量越少,，但由于實(shí)際開關(guān)器件的限制，N不可能取得太大,。另外,，M取值的不同，逆變器輸出諧波含量不同,。因此,，以N、M為參數(shù),，應(yīng)用MATLAB的simulink仿真工具,，給出了對(duì)N、M取不同值時(shí),，主從逆變器各部分輸出的線電壓波形,，并通過(guò)FFT分析了諧波的頻譜特性。
4.2 仿真結(jié)果及分析
基于MATLAB的simulink仿真工具,，根據(jù)影響逆變器輸出特性的主要參數(shù)調(diào)制比M和載波比N,，給出了各種不同情形的仿真結(jié)果，驗(yàn)證理論分析的正確性和電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性,，所有的逆變器輸出電壓波形均為線電壓,。由于所提出的電路結(jié)構(gòu)類似于五電平電路,，相電壓輸出均為五電平，但輸出線電壓卻不同,。從仿真結(jié)果可以看出當(dāng)調(diào)制比較低時(shí)（M》0.5 ）線電壓輸出為五電平,，調(diào)制比較大時(shí)（M》0.5）線電壓輸出為七電平或更高,，諧波大大減少,。
（1）逆變器輸出線電壓仿真
逆變器輸出線電壓仿真波形如圖4~6,。
從上述圖形可以看出,，逆變器的輸出調(diào)制波形隨著調(diào)制比M的變化而發(fā)生變化，M不同,，逆變器輸出逆變電壓擬合正弦波的程度是不同的,。
（2）諧波頻譜分布與載波比N的關(guān)系（調(diào)制比M不變）
利用FFT對(duì)所提出的逆變器的輸出電壓進(jìn)行諧波分析,，圖7所示為不同載波比且調(diào)制比不變情況下的相電壓輸出頻譜,。
從圖中可以看出在調(diào)制比M不變的情況下，本文提出的主從逆變器結(jié)構(gòu)的主逆變器輸出電壓,，對(duì)于相電壓N次以下的諧波含量很低,，但其第N次諧波的含量相對(duì)較大，所以在器件損耗及開關(guān)頻率允許的情況下,，載波比應(yīng)盡量大些,。
（3）諧波頻譜分布與調(diào)制比M的關(guān)系（載波比N不變）
利用FFT對(duì)所提出的逆變器輸出電壓進(jìn)行諧波分析,，圖8所示為不同調(diào)制比M且載波比N不變的情況下相電壓輸出頻譜,。
從圖8可以看出，相電壓的諧波含量受M的影響很大,，對(duì)于本文中的這種主從型的逆變器,，當(dāng)M《0.5時(shí)，逆變器處于欠調(diào)制狀態(tài);當(dāng)M》1時(shí),，逆變器處于過(guò)調(diào)制狀態(tài),。這兩種狀態(tài)下諧波頻譜中低次諧波的含量明顯增加，所以,，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)調(diào)制比應(yīng)選擇在0.5
綜合以上分析,，對(duì)于本文STATCOM的主從型結(jié)構(gòu)逆變器，采用PWM的方法時(shí),，只要調(diào)制比M選擇合適,，其電壓輸出對(duì)電網(wǎng)造成的低次諧波干擾是非常小的，而高次諧波可以通過(guò)采用電容高通濾波器很容易濾除,。這充分表明了該結(jié)構(gòu)在控制諧波方面的優(yōu)越性能,。
5 結(jié)論
?。?）結(jié)合二極管箝位多電平逆變器和H橋級(jí)聯(lián)逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種五電平的主從型逆變器結(jié)構(gòu)：主逆變器采用二極管箝位三電平逆變器,，從逆變器為三個(gè)H橋逆變器,，主逆變器和從逆變器級(jí)聯(lián)連接，即二極管箝位三電平逆變器的每相輸出分別連到一個(gè)H橋逆變器的一個(gè)橋臂上,，H橋逆變器的另外一個(gè)橋臂的輸出作為整個(gè)逆變器相電壓的輸出端,。
（2）詳細(xì)討論了主從型逆變器輸出電壓的諧波分析方法,。對(duì)本文提出的主從型逆變器輸出電壓進(jìn)行了仿真研究,，對(duì)比分析了影響主從型逆變器輸出電壓諧波的因素。