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发表于 2008-4-13 10:37:34
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基于级联型多电平逆变器的STATCOM仿真研究
摘要 由于多电平交换器在高电压大功率区的广泛使用，针对目前静态同步补偿器(STATCOM)存在的问题,提出了将级联多电平逆变器作为STATCOM的主拓扑,运用相移SPWM(PSSPWM)进行调制的解决方案,该方案既能省去庞大笨重的变压器,减小功耗;还可以成倍提高等效载波频率,降低输出谐波含量.文章详细阐述了其工作原理和控制方法,并通过MATLAB仿真实验验证了方案的可行性.+ R- |6 U D* d" [) h
关键词:相移SPWM;级联;多电平逆变器;静态同步补偿器
: X# k% \7 [3 s! A. I! E2 U* u; K6 ^1 引言- [5 p0 o! A4 ~( `, P) u- x
1980年Nabea在ISA年度会议提出了三单元级联型多电平逆变器的概念后，多电平变换器成为一种新的电源转换器的选择，并一直作为热点应用于高功率区，得到了突飞猛进的发展。研究结果表明，级联型多电平逆变器在输出谐波含量上比传统的转换器具有更优良的性能。级联型多电平逆变器主要有以下三种基本拓扑结构：级联型，二极管钳位型和电容钳位型。与后两者相比较，级联型多电平逆变器有许多独特的优点：
7 {2 p) @* j+ G9 q1） 开关器件和电容承受的负荷相同。
/ {, O) b, t6 n, b% }# Y2 Y3 `2） 对于给定的开关频率和电平数相同时，所用得器件少,输出谐波含量低。. T; I* B4 p+ o' t* N1 d' \7 T8 E+ |
3） 各模块结构相同,易于模块化设计，装配简单，克服了以前的逆变器需要大量钳位二极管和电容的缺点，避免了中心电位浮动等问题﹝3-7﹞。. T5 ?7 v% \! u B; S7 f
由于大功率开关器件的广泛使用，产生了大量的无功功率和谐波电流。现在，在电力系统中需要亟待解决的至关重要的任务是对高次谐波电流和无功电流进行补偿。; k* {8 m' V0 x( l5 J4 a
STATCOM是20世纪90年代出现的一种新型静止无功补偿装置。它不同于传统的无功补偿器，如晶闸管投切电容器（TSC）、晶闸管控制电抗器（TCR ）及机械开关电容器,是按照调相机的原理,由新型大功率固体电子元件构成的可调节逆变器,直流电容器组和输出变
# b; | e6 ]: l S4 m& S8 c, J压器等组成的无转动结构的静止无功补偿装置。
0 G* H d, |& o# i# N目前,国内外投入使用的STATCOM大多是由多重化逆变器和多重化变压器组成.我国第一台STATCOM装置(由清华大学和河南省电力局共同研制,已于1999年3月并网运行)也是基于这种思想制成.其变压器存在诸多弊端:(1)耗资大；(2)损耗大,约占总损耗的50%；(3)体积大,笨重,占装置总重的40;(4)由变压器饱和导致控制困难,不可靠。9 Z6 Q8 K; l, V4 i
鉴于级联多电平逆变器的各种优点,本文提出将级联多电平逆变器取代多重化逆变器和笨重的变压器做STATCOM系统,用PSSPWM取代多重化逆变器的工频方波调制,改善系统的动态性能.文中对调制过程,无功补偿原理,控制方案进行分析,并用MATLAB做了仿真验证,结果表明相移级联多电平逆变器作为STATCOM是一个较好的选择。
0 G$ J" G8 i3 ]2 STAATCOM的系统结构" A, a I1 F) f4 r- l# _2 m
2.1 级联多电平逆变器6 A3 M& h* A$ L/ |
图1所示为三相Y-接级联7电平逆变器主电路拓扑,每相由3个两电平全桥逆变器串联而成,每个全桥逆变器有相同的参数.每相输出电压由3个全桥逆变器输出电压合成.此级联7电平逆变器作为STATCOM：1）能产生高品质正弦波；2）省去庞大的工频变压器；3)连接到电网时只需小的平波电抗滤除STATCOM产生的高频电流谐波。
9 [* b; s4 g2 |# H) u 2.2 PS-SPWM
8 h7 H/ C5 a& G' m 相移PWM调制是专门用于级联多电平变换器的一种PWM调制方法.调制过程如图2所示,各波形皆由MATLAB仿真所得。每个模块的SP-WM信号都是由一个三角载波和一个正弦波比较产生,一相所有模块的正弦波都相同,但每个模块的三角载波与它相邻模块的三角载波之间有一个相移,这一相移使得各模块所产生的SPWM脉冲在相位上错开,从而使各模块最终迭加输出的SPWM波的等效开关频率提高,因此可在不提高开关频率的条件下,大大减小输出谐波.设三角载波的开关频率是正弦波频率的kc(kc=fs/f,fs,f分别是三角载波c1,2,3(t)频率和正弦调制波ua(t)频率)倍,则一个三角载波周期所占的电角度为θc= 2π/kc,对于一个n模块的级联型多电平变换器,相邻三角载波之间的相移(半周期移相)为θsh=θc/(2n)=2π/(2nkc),相应的输出SPWM波的等效载波比为keff=2nkc.对于文中拓扑,n=3,所以STATCOM输出电压的等效开关频率提高到6fs。
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2.3 数学模型及无功补偿原理& ^* c' t6 g9 _3 f
图3所示为级联逆变器经过一平波电抗连接到三相交流电网作为STATCOM,以调节电网的无功功率。
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5 Z: Z# F; \6 ^( O) Y: {; E! f 图4是STATCOM的单相等效电路图,其中,Vs是电网电压,Vc是STATCOM的输出电压,i是从电网流入STATCOM电流,L和R是总的电感和电阻(包括连接电抗和逆变器阻抗)。级联逆变器与电网的功率交换可以通过调节逆变器输出电压的幅值和相位来调节。理想情况下不考虑R的影响,逆变器不必从电网吸收能量,此时Vc与Vs同相,仅改变Vc的幅值大小即可对无功功率进行控制.若Vc的幅值大于Vs幅值,i超前Vs ,呈容性,STATCOM将产生无功功率;若Vc的幅值小于Vs幅值,i滞后Vs ,呈感性,STATCOM将吸收无功功率。/ @. x/ `3 p' {) S3 H, D
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" t/ ]" R+ l/ t- y8 ?然而,实际系统存在内部损耗,逆变器与电网系统之间的有功功率交换必然存在。如果不采用任何控制,直流侧电容将放电释放能量导致直流电压下降.为了维持直流电压恒定,Vc与Vs间必须有相位差α,图5给出了连接点处的向量图。电流i在Vs上的投影即为id,与Vs正交的分量iq.改变相位差α,并且改变Vc的幅值,则电流i的相位和大小也随之改变,STATCOM与电网的无功交换也就得到控制。
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从图4等效电路可以得出三相坐标系统的平均值模型如下:
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式中,Vsa,Vsb,Vsc为电网三相电压,Vca,Vcb,Vcc是三相逆变器(STATCOM)输出电压,ia,ib,ic是逆变器三相电流,参考方向如图4.假设电力系统是三相平衡的理想正弦系统,Vsa=VmSinwt。将三相模型变换到图6所示dq同步坐标系。" g f; f" s+ o# u9 `0 Y6 X) k
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1 J( f$ W4 n3 y( I9 T2 A变换矩阵Tabc-dq如下式所示:. r6 T3 `: [0 t2 G; C5 ~
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使用同步座标系统变换后的dq模型为" O( M, W9 K, c3 M; M; F- C; L
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7 E [4 K/ M. T1 K. R
根据瞬时无功功率理论,瞬时有功功率pc和瞬时无功功率qc的计算公式为：
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由式(5)可知,直接调节iq,即可控制逆变器产生或吸收的无功功率；同理,调节id即可控制有功功率的交换。因此,有功功率和无功功率可以分开独立控制,id和iq分别是STATCOM的有功电流和无功电流。在图4所示参考方向下,当id为正时，STATCOM吸收有功功率,反之则释放有功功率；当iq为正时,STATCOM产生超前的无功功率,当iq为负时,则产生滞后的无功功率。
% Y# I9 O3 R2 T, k+ e5 l3 T3 控制方案+ t) i+ K) I$ `5 N) R
一般都要求STATCOM具有动态响应快、稳态误差小的特征。文中采用的反馈解耦控制,控制框图如图7所示.有功电流及无功电流控制环都用的PI控制器.根据变换后的dq模型不难推得id,iq等效解耦控制框图如图8所示：
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& o, c4 m0 `1 o! k实现了电流完全解耦，分别由下式算得:
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式中,n是每相级联模块的个数。9 [( b& K5 T3 [1 U3 p
由于STATCOM的输出电压是始终需要供应少量的能量给直流电压调节器进行有功功率的调节，具体方法由于篇幅问题在这里就不再赘述,有兴趣的读者可参考文献[11]。
4 I; S' n' ^2 m& Y( k8 D. q/ w; `+ ?3 仿真结果, Y8 g5 ?+ B) T
以上都是理论分析,为了验证此STATCOM的有效性,文中用MATLAB仿真软件对其进行系统仿真.主要参数为:电网线电压有效值Vs=6000V,频率f=50Hz,容量Qvar=±9Mvar,载波频率fs=1000Hz,直流电容电压Vdc=2000V,连接电感L=3mh。4 C- C( C. t7 J( ^7 K
图9是STATCOM相电流和输出相电压,显然,相电压趋近正弦波.相电流仿真参考方向是从STATCOM流向电网,与前述分析方向相反.图中电流滞后电压,所以STATCOM产生感性无功。图10是STATCOM输出电压的频谱,可以看出,谐波主要集中在6fs(=6000Hz)及其整数倍附近,低次谐波含量非常少,能简化滤波元件的设计和实现。图11给出的是STATCOM无功电流阶跃响应图,可见在稳态时能消除静差,而且动态响应迅速,1/4周期就能达到指令值,1/2周期时就趋于稳定。( s1 |5 ~. E) d5 L
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8 J9 J0 S3 O! R* _6 E: S& x4 结 语( o: Z3 Z# y; U0 ` q, e& x
文中提出了一种基于相移级联多电平逆变器的STATCOM电路,与其他类型的STATCOM相比较,具有功耗小,易于模块化设计,输入输出呈线性关系等优点,更主要的是等效载波频率成倍提高,能解决系统频率与功率的矛盾.正是这些特征,使得相移级联多电平逆变器可作为静态无功补偿装置的较好选择。5 r' f# c6 b0 Q; B# `) O
参考文献:3 A/ F6 d3 m8 u& R6 \3 w
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