1、第44卷第12期2010年12月电力电子技术Power ElectronicsV0144，No12December 2010载波移相技术在链式STATCOM中的应用郑青青1，昊 静1，王 轩2(1北京航空航天大学，自动化科学与电气工程学院，北京100191；2中国电力科学研究院，北京100192)摘要：目前已投产的大容量静态同步补偿器(STATCOM)多采用多电平链式结构。在大功率变流器场合中，期望大功率、耐高压的电力电子装置能够在尽可能高的开头频率下工作，以提高输出波形质量。但大功率开关器件所允许的开关频率较低。很难将传统PWM技术运用于这些大容量变流器。CPSSPWM技术是一种适用于大功率
2、电力开关变流器的优秀调制策略能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果且输出波形谐波较少。关键词：多电平变流器；无功补偿；静态同步补偿器中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1000100X(2010)120122-02The Application of CPS-SPWM Technology in the Cascaded STATCoMZHENG Qing-qin91，WU Jin91，WANG Xuan2(1Beoing Univers砂ofAeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China；2China Electr
3、ic Power Research Institute，8eijing 100192，China)Abstract：The current production of large capacity STATCOM has a multilevel chain structureIn the hishpowerconverter occasionsthe highpower and hiish voltage power electronic devices am expected to work in the hishswitching frequencies which can improv
4、e the quality of the output waveformBut the hish-power switching devices permit lower switching frequencyIt is difficult to apply the conventional PWM technology to these large capacity con-vertersCPSSPWM technique is an excefient modulation strategy which can be available to highpower electricalswi
5、tching converterIt Can achieve a high equivalent switching矗equency in low device switching frequency and theharmonics of output waveform are littleKeywords：multi-level converter；vat compensator；static synchronous Var compensator引 言静止同步补偿器(STATCOM)是一种新型的基于大功率换流器技术的静止无功补偿装置在运行时相当于一个输出电压相位和幅值均可调的三相交流电源
6、通过控制其输出电压的幅值及相对于系统电压的相位即可控制其发出或吸收无功flI。目前已投运的大容量STATCOM多采用多电平链式(级联H桥)结构，与变压器多重化方案相比，该结构无需变压器即可并接于电网其成本低。装置损耗小占地面积小，无变压器非线性问题，易于实现冗余及模块化生产，可大大提高装置的可靠性。由于多电平链式结构逆变器的PWM控制技术不仅决定多电平逆变器的实现与否。而且对多电平逆变器的输出电压波形质量、系统损耗的减少与效率的提高有直接影响，因此需选用一种合适的PWM调制方法。多电平变流器的PWM控制技定稿日期：20100706作者简介：郑青青(1985一)，女，山东滕州人，硕士，研究方向为
7、大容量无功补偿装置。122术中多电平特定谐波消除法和基频优化PWM控制在调制比较低时会造成部分单元桥没有PWM输出的情况，也不利于模块化设计：电平空间矢量PWM法不适用于五电平以上的情况。并使得电路控制算法非常复杂【z1；载波三角波移相法(CPSSPWM)技术是一种适用于大功率电力开关变流器的优秀调制策略。在此给出一种基于链式多电平变流器的STATCOM实验实现其开关调制策略采用单极倍频CPSSPWM技术。2 单极倍频载波移相技术以多电平链式逆变器的一相为例，单极倍频CPSSPWM技术基本思想是：在变流器单元数为的链式逆变器中，各逆变器单元采用共同的调制波信号地，其频率为妣，各逆变器单元的三角
8、载波频率为鼬。，将各三角载波的相位互相错开三角载波周期1(2N)，则第L个逆变器三角载波的相角仇=,trLN，将各逆变器单元输出叠加，就能得到电平数为(2N+1)的级联逆变器总的输出电压f3】。逆变器主电路如图1所示其调制过程波形如图2所示。此处选用调制波反向法。具体过程：万方数据载波移相技术在链式STATCOM中的应用初始相位为零的载波。与调制波M。进行比较，魄与的交点形成互补脉冲序列Sd。，如，作为逆变桥vS，vS：的控制信号；初始相位为零的与一tt。进行比较，一M。与的交点形成另一对互补脉冲序列S胡，S。作为逆变桥VS，VS4的控制信号：初始相位为90。的M。与璩进行比较，“。与的交点形
9、成互补脉冲序列。，如，作为逆变桥vS，vs：的控制信号；初始相位为90。的与-its进行比较，一It。与M。的交点形成互补脉冲序列如，鼢，作为逆变桥VS，VS。的控制信号。以Us71乃乃7=IEUab一图1逆变器主电路：刁然AA，务-V专粥N嘲。矽另谤7另歹爿锄；i葫；易；扔 ； 而j谤易为而刃，7砀i 7而；萌；谤嗍南7而勃!己扔锄谚刀砌i汤；汤：i，1一一h；i i；j；i iU U U U：，图2单极倍频SPWM调制原理图3 单极倍频CPS-SPWM波形分析单极倍频SPWM波形的双重傅里叶级数为41：眦)埘si如卿)+等三三TL(MTrm2)(一1)耐2sinm(toJ)+凡(乒一妒)】
10、 (1)各逆变器单元输出的单极倍频SPWM波形的双重傅里叶级数均如上式所示，只是三角载波的初始相角不同，第个逆变器单元的三角载波的相位角仇=wLN，级联逆变器的总输出波形为个逆变器单元输出叠加。则总输出波形双重傅里叶级数表达式为：Ft(t)=NMEsin(御)+等三三，TJ(M叮rm2)订m24，日13【 mN1n-I 1(一1)加上sin【m()+p(一妒)】 (2)采用双重傅里叶变换对各波形及总的输出波形进行深入地分析。可得出CPSSPWM信号具备下述特征：基波分量是单个单极倍频SPWM波形基波成分的J7、r倍，即单极倍频CPSSPWM在输出波形叠加后没有基波损失；不存在NK。的奇数倍(m
11、=N，3N，5N)的载波谐波；次数最低的谐波群出现在2NK。及其边频附近，意即采用单极倍频CPSSPWM级联逆变器的等效开关频率提高了2倍。可在较低的器件开关频率下得到较高等效开关频率的输出，输出波形的谐波特性大大改善：不论级联逆变器单元数为偶数还是奇数，也不论频率载波比K。奇偶与否，谐波的次数(k=mK。+n，m=2N，4N，6N，n=1，3，)恒为奇次，即输出波形中只含有奇次谐波，级联逆变器的输出一般不会产生直流分量。4仿真验证利用PSCAD仿真软件。采用调制波反相法验证上述分析。图3a示出模块数=l。调制度M=08，载波比疋=9，直流电压魄=2 kV，载波频率w。=450 Hz时的仿真结
12、果。由图可见，最低次谐波出现在18次(即啦次)附近，仅含奇次谐波，与理论分析相符合。图3b示出当N=3，M=08，K。=20，玩=2 kV，。=l kHz时的仿真结果。可见基本未出现低次谐波，输出波形质量较好。荜波及谐波次数 萆渡，史谐波玖数(a)单个模块输出电压频谱 (b)3个模块级jDc输电压频谱图3仿真波形5 实验验证STATCOM采用主电路如图4所示，开关器件选用IGBT，开关频率为l kHz，每一相3个模块。三相之间角接，通过电抗器接到380 V电网上。直流电容电压充到150 V时开始逆变输出系统接一个整流器作为负载。M=fabt鲋世t一一一一1 M=。三三：晰。105X专嵋cT5X
13、Spb0片。：蔓：昌：； i一三一J+v_泰。nru JSpc 口月；一一一一M一j；：；：“c，M。一：_J+“c乐5X“0图4 STATCOM主电路图(下转第126页)123万方数据第44卷第12期2010年12月电力电子技术Power ElectronicsV0144，No12December 2010出谐波电流如图6c所示。可测得实际输出电流为：98 A 5次+85 A 7次。计算得到5次、7次谐波的电流跟踪误差分别为一2，一12，电流跟踪精度非常高，设备运行良好。瞅 蝴蝴 弑 杖。 燃巡U 丽鼢八，(10ms拼) ，f10ms料)(a)设备运行前相电嗍电流 (b)i殳备远行后：相I乜
14、网电流d(4 ms格)(c)给定谐波1 0A 5玖+84A 7次图6实验波形实验表明控制系统能进行大量快速的数据处理，达到非常高的控制精度，而且在设备运行过程中控制系统非常稳定，能长时问连续工作。5 结 论基于DSP和FPGA的通用电能质量控制系统具有以下优势：数据处理能力强，集合了DSP(上接第123页)由图5实验结果可见输出电压波形为七电平阶梯波，经FFI分析，基波幅值280 V。由于等效开关频率较高，低次谐波较少，输出波形质量较好。系统电压超前逆变器输出电压，逆变器从系统吸收少量有功满足其内部损耗，保持电压水平。系统向STATCOM的电容充电，使电容器上电压魄提高，因此通过逆变器输出的电
15、压高于系统电压，STATCOM发出容性的无功功率，进行无功补偿。和FPGA芯片的优点，DSP管理整个系统的各个外设正常运行，FPGA进行高速运算；通用性强以往不同的设备都是使用自己单独的控制系统。本控制系统则设计了多路接口，可用在不同系统中如有源电力滤波器、SVG、变频器、多电平变换器、电机传动、发电机并网变流器等系统，大大节省了开发成本：可扩展性强，DSP和FPGA有丰富的外围接口，包括SCI，CAN以及大量通用IO可根据不同的需要进行扩展；实用性强，控制系统不仅在实验室中进行了各种测试，而且在实际的成品设备中也得到应用，且使用情况良好，具有很好的工程推广价值。参考文献1】王兆安，杨君，刘进
16、军，等谐波抑制和无功功率补偿【M】北京：机械工业出版社，20052】Texas Instruments IncorporatedTMS320F28 1x OptimizingCC+Compiler User8 GuideMTexas Instruments In-corporated，2003【3】 Ahera CorporationCyclone II Device HandbookMAhemCorpomtion，2007【4】张乐强旋转坐标系下电流分次控制有源电力滤波器的研究【D】西安：西安交通大学，2009STATCOM输出电压的低次谐波较少，接近于正弦波，输出电压的畸变率非常低；STA
17、TCOM不用输出滤波器来滤除开关频率附近的谐波电流，节省成本。实验证明STATCOM输出电压所含谐波较少，达到无功补偿的目的。将单极性CPSSPWM技术与级联H桥多电平变流器结合应用在大容量STATCOM中。解决了大功率变流器场合中需要开关器件开关频率较高的难题，降低了开关损耗，且输出电压接近于正弦波，应用前景广阔。参考文献【1】 王兆安谐波抑制和无功功率补偿M】北京：机械工业出版社2005【2】 刘风君正弦波逆变器【M】北京：科学出版社，2002【3】 S Sirisukprasert，A Q Huang and J S LaiModelling图5 实验波形 Analysis and Co
18、ntrol of Cascadedmultilevel converter-6 结 论 based STATCOMProcAIlEEE-PES General MeetingC20034(7)：1817将单极性载波移相技术应用在链式多电平变 41刘风君现代逆变技术及应用【M】北京：电子工业出流器结构的STATCOM中有很多优点：开关频率 版社2006较低，开关损耗小；当模块数较多时，能在较低的 【5】许湘莲基于级联多电平逆变器的STATCOM及其控开关频率下实现较高等效开关频率的效果，使得 制策略研究【D】武汉：华中科技大学，2006126万方数据载波移相技术在链式STATCOM中的应用作者：
19、 郑青青， 吴静， 王轩， ZHENG Qing-qing， WU Jing， WANG Xuan作者单位： 郑青青,吴静,ZHENG Qing-qing,WU Jing(北京航空航天大学,自动化科学与电气工程学院,北京,100191)， 王轩,WANG Xuan(中国电力科学研究院,北京,100192)刊名： 电力电子技术英文刊名： POWER ELECTRONICS年，卷(期)： 2010,44(12)参考文献(5条)1.许湘莲 基于级联多电平逆变器的STATCOM及其控制策略研究 20062.刘风君 现代逆变技术及应用 20063.S Sirisukprasert;A Q Huang;J S Lai Modelling,Analysis and Control of Cascaded-multilevelConverter-based STATCOM 20034.刘风君 正弦波逆变器 20025.王兆安 谐波抑制和无功功率补偿 2005本文链接：http:/
