新型同步補償器直流側(cè)儲能電容值的選取方法

　　1 引言

　　20世紀80年代以來，隨著電力電子和計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，一種更為先進的靜止無功補償裝置??靜態(tài)型同步補償器（Static synchronous compensator， STATCOM）被廣泛研究和應用于電力系統(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)實用化的補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［6］。

　　多電平逆變器的思想最早是由Nabae于20世紀80年代初提出的［6］。它的一般結(jié)構(gòu)是由幾個電平臺階（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，并且每個開關(guān)器件所承受的電壓應力較小，從而無需均壓電路，可避免大的dv/dt所導致的各種問題。

　　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，因為若超過五電平，除需要大量的箝位二極管以外，其控制方法也變得很復雜，而且還不得不考慮多個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的應用。

　　采用級聯(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)需要多個獨立儲能電容。當用于STATCOM主電路時，必須考慮多個電容電壓的平衡問題，這樣使控制方法非常復雜。為了減少對電網(wǎng)的諧波干擾，采用這種結(jié)構(gòu)的STATCOM的每相常常要級聯(lián)多個全橋逆變器，這就需要大量的開關(guān)器件，成本大大增加。針對國內(nèi)6kV中壓電網(wǎng)三相平衡負載的無功功率補償，結(jié)合二極管箝位多電平逆變器和級聯(lián)逆變器的特點，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用并消除了變壓器，實現(xiàn)STATCOM高壓大容量化、高效化、小型化和低成本化，且控制方法簡單實用。最后對逆變器的輸出電壓波形進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橋級聯(lián)逆變器相比，在器件數(shù)量上沒有優(yōu)勢，但是，采用這種混聯(lián)結(jié)構(gòu)后，可以設(shè)計出比較簡單的控制方法，與采用級聯(lián)逆變器的STATCOM應用相應的控制方法比較，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。

　　對圖1所示混聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)，單相各開關(guān)狀態(tài)對應的電平如表1（假設(shè)N點電為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)生輸出電壓的補償部分并負責消除低次諧波。從而整個逆變器輸出的合成電壓在原理上可等效為一個五電平逆變器的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，用傅立葉級數(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數(shù)展開的方法，即采用以載波的角頻率wC為基準，考察其邊頻帶諧波分布的情況。

　　1 引言

　　20世紀80年代以來，隨著電力電子和計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，一種更為先進的靜止無功補償裝置??靜態(tài)型同步補償器（Static synchronous compensator， STATCOM）被廣泛研究和應用于電力系統(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)實用化的補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［6］。

　　多電平逆變器的思想最早是由Nabae于20世紀80年代初提出的［6］。它的一般結(jié)構(gòu)是由幾個電平臺階（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，并且每個開關(guān)器件所承受的電壓應力較小，從而無需均壓電路，可避免大的dv/dt所導致的各種問題。

　　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，因為若超過五電平，除需要大量的箝位二極管以外，其控制方法也變得很復雜，而且還不得不考慮多個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的應用。

　　采用級聯(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)需要多個獨立儲能電容。當用于STATCOM主電路時，必須考慮多個電容電壓的平衡問題，這樣使控制方法非常復雜。為了減少對電網(wǎng)的諧波干擾，采用這種結(jié)構(gòu)的STATCOM的每相常常要級聯(lián)多個全橋逆變器，這就需要大量的開關(guān)器件，成本大大增加。針對國內(nèi)6kV中壓電網(wǎng)三相平衡負載的無功功率補償，結(jié)合二極管箝位多電平逆變器和級聯(lián)逆變器的特點，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用并消除了變壓器，實現(xiàn)STATCOM高壓大容量化、高效化、小型化和低成本化，且控制方法簡單實用。最后對逆變器的輸出電壓波形進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橋級聯(lián)逆變器相比，在器件數(shù)量上沒有優(yōu)勢，但是，采用這種混聯(lián)結(jié)構(gòu)后，可以設(shè)計出比較簡單的控制方法，與采用級聯(lián)逆變器的STATCOM應用相應的控制方法比較，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。

　　對圖1所示混聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)，單相各開關(guān)狀態(tài)對應的電平如表1（假設(shè)N點電為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)生輸出電壓的補償部分并負責消除低次諧波。從而整個逆變器輸出的合成電壓在原理上可等效為一個五電平逆變器的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