基于四重化主電路結構的先進靜止無功補償器

王 燦 羅有國 萬村英

（1.寧海縣供電局，浙江 寧海 315600；2.江西贛州供電公司，江西 贛州 341000；3.南昌大學信息工程學院，南昌 330031）

1 引言

目前，我國電力系統(tǒng)的裝機容量越來越大，從而需要擴大ASVG的容量。提高ASVG裝置容量的本質，就是提高電壓型逆變器的容量，這也將成為今后研究ASVG的重點。在目前的電力電子技術水平下，用于提高逆變器的容量的方法越來越多[1-3]。多重化技術不僅可以提高逆變器容量和電壓等級而且能有效地消除諧波，所以在具體的實際工程中應用較多。

多重化技術最早是由A.Kernick在1962年提出來的[4]，它是大幅度提高裝置總容量的最有效的方法。多重化的基本原理是：把兩個或者是兩個以上完全相同的方波，按一定的相位差疊加起來，使它們的低次諧波相差180°而相互抵消，以得到諧波含量較少的準正弦階梯波。多重疊加是手段，而消除某些低次諧波是我們所要達到的目的。

本文先對ASVG的工作原理和基本電路結構進行了簡單的介紹，接著搭建了四重化的主電路結構，并給出了變壓器的原副邊連接方式，之后對四重化主電路的ASVG進行了仿真分析，得出的結論是：該主電路結構的ASVG裝置能夠消除低次諧波和降低高次諧波，濾波效果良好，并且還能夠實時的跟蹤系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流，對電網的無功補償的效果良好，因而其具有廣闊的應用前景。

2 ASVG的基本原理簡介

其原理可以簡單的概括[5-6]為：首先將自換相的橋式電路通過電抗器并聯(lián)到系統(tǒng)電網上，或者也可以不需要電抗器而直接并聯(lián)到系統(tǒng)電網上，然后適當地對橋式電路當中的交流側的輸出電壓的幅值和相位進行調節(jié)，抑或者也可以直接控制其交流側的電流和電壓，這樣就可以使該電路發(fā)出或者吸收滿足系統(tǒng)所要求的無功電流，從而達到動態(tài)實時的無功功率補償的目的。

3 ASVG的基本結構

ASVG的基本結構[7]如圖 1所示。它由下列幾部分組成：電壓支撐電容，其作用是為裝置提供一個電壓支撐；電壓源逆變器（VSC）是由大功率開關器件 IGBT組成的，通過脈寬調制(PWM)技術控制電力電子開關的通斷，將電容器上的直流電壓變換為具有一定頻率和幅值的交流電壓；耦合變壓器或耦合電抗器的作用是將大功率變流裝置與電力系統(tǒng)耦合在一起；濾波器用來濾除高次諧波分量，使ASVG的輸出電壓接近正弦波同。

圖1 ASVG的基本結構

4 基于多重化技術ASVG主電路結構

多重化技術不僅使輸出電壓由方波相互疊加而變成接近正弦波的階梯波形，并且利用多重化的方法還可以增大ASVG的裝置容量，從而對系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮重要作用。從現(xiàn)有文獻看，目前國內外已投入運行的ASVG的主電路，大部分是采用多重化技術結構。多重化技術有單相串聯(lián)多重疊加和三相串聯(lián)多重疊加兩種。而對于大功率的ASVG來說，三相串聯(lián)多重疊加比單相串聯(lián)多重疊加更常用，所以本論文只介紹三相多重疊加方法。三相多重疊加的基本原理是三相轉換器通過三相輸出變壓器，就可以得到 6相的輸出。而兩個三相逆變器互相錯開180°/6=30°相位角，就可以得到12相的輸出。

假定有N個普通的三相方波逆變器疊加依次滯后π/(3M)的相位角，通過其三相輸出變壓器進行多重疊加。對于三相多重疊加電路而言，綜合考慮各因素，最理想的是4個三相逆變電路進行多重疊加。這也就是本文所提出的四重化主電路結構。

4.1 四重化ASVG主電路結構

采用四重化技術搭建ASVG主電路，如圖2所示。該裝置采用曲折變壓器的三單相橋四重化 24脈沖電壓型逆變器串聯(lián)都主電路，由8個脈沖電壓型逆變器構成，每個8脈沖逆變器IGBT驅動脈沖相對于系統(tǒng)參考電壓相角為 0°、-15°、-30°、-45°。每8個脈沖逆變器由3個單相橋構成。12個單相變壓器的副邊采用曲折連接而輸出三相 24階梯波的交流電壓。

圖2 ASVG四重化主電路結構圖

四個變流器各相輸出電壓在相位上依次相差的角角度為 15°，經串聯(lián)后接入交流電網中。各變流器的相位關系可以在觸發(fā)脈沖產生環(huán)節(jié)進行控制。

4.2 ASVG 四重化主電路連接方式

圖3給出了變壓器的初級繞組與次級繞組的連接方式，其輸出變壓器采用的是△/Y和△/△相結合的接線方式，采用該連接方式以消除零序諧波，避免零序諧波的影響。由于在△/Y連接的變壓器當中，三角形側的正序電壓產生了30°的超前移相角，而負序則電壓則產生了 30°的滯后移相角，故對于 6n±1（這里的n為奇數）次的諧波在經過△/Y連接的變壓器移相后，與△/△連接的變壓器輸出電壓在相位相差 180°，當串聯(lián)后正好彼此相互抵消。所以說在采用這種結構后的 ASVG裝置的主電路能夠很好的消除6n±1次的諧波。因此對于這種連接方式的變壓器結構所組成的四重化結構，其最低的諧波為11次。

4.3 ASVG四重化主電路結構的仿真研究

圖4為五電平四重化主電路的仿真模型圖。在該模型當中，ASVG模塊為主電路模塊，采用的是五電平四重化結構，共需要 48脈沖進行觸發(fā)，其48脈沖模型圖如圖5所示。

圖3 ASVG四重化主電路連接方式

圖4 基于四重化結構的ASVG仿真模型

圖5 48脈沖逆變器模型仿真圖

仿真結果如圖6和圖7所示。其中圖6為ASVG補償前的電壓和電流波形圖，圖7為ASVG補償后的電壓和電流波形。從波形當中可以明顯的看出，在補償前，圖6中的電流波形含有很大的無功電流分量，使得三相電流不對稱；而經過四重化 ASVG補償后，圖7中的電壓和電流波形都是三相對稱的正弦波，說明該裝置的補償效果良好。并且通過FFT分析，可知采用四重化的主電路結構能夠有效地抑制諧波，其諧波含量非常小。圖8所示為ASVG裝置的直流側的一個電容的充電過程的體現(xiàn)。本仿真在1s的時候開始加上沖擊性負載，而1.5s時斷開沖擊性負載。具體可見上圖，在1s加上沖擊負載后，該ASVG裝置能夠很快對系統(tǒng)進行實時的補償，使電容電壓能夠很快的進入穩(wěn)定，反應時間很短。同樣，當斷開沖擊性負載時，裝置也能夠快速的回到原來狀態(tài)。這說明該裝置的補償效果良好。

圖6 補償前的系統(tǒng)電壓（上）和電流（下）波形

圖7 補償后的系統(tǒng)電壓（上）和電流（下）波形

圖8 直流側的電容電壓波形圖

5 結論

根據清華大學的二電平四重化主電路結構，本文提出了五電平四重化主電路結構，并從該電路結構上以及數學模型上進行了分析，表明該電路結構不僅能夠實現(xiàn)大容量的要求，且其得到的基波電壓能夠滿足系統(tǒng)補償要求；諧波含量少，最低次為11次諧波，且只占基波幅值的1%。在對該主電路結構分析的基礎上，本文通過Matlab/Simulink建立了四重化主電路仿真模型，得到了相關的仿真結果，仿真結果和理論計算的結果一致，也即該裝置不僅能夠消除大量的諧波，并且能夠實時的對系統(tǒng)無功進行補償，補償效果良好。

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[7]萬村英. 一種基于多重化技術的新型靜止無功功率發(fā)生器[D]∶ 南昌大學,2009.