新型同步補(bǔ)償器直流側(cè)儲(chǔ)能電容值的選取方法

　　1 引言

　　20世紀(jì)80年代以來，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)的靜止無功補(bǔ)償裝置??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，從而無需均壓電路，可避免大的dv/dt所導(dǎo)致的各種問題。

　　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^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，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)的靜止無功補(bǔ)償裝置??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，從而無需均壓電路，可避免大的dv/dt所導(dǎo)致的各種問題。

　　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^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