標(biāo)簽：逆變器 級(jí)聯(lián)逆變器 從型逆變器

1 引言

1981年，日本的Nabae等人提出了多電平變換器的思想，近年來成為了高壓大功率變頻領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。多電平逆變器輸出電壓階梯多，從而可以使輸出的電壓波形具有較小的諧波和較低的du/dt.隨著輸出電平數(shù)的增加，輸出電壓的諧波將減少。另外，多電平逆變技術(shù)在減小系統(tǒng)的開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗，降低管子的耐壓與系統(tǒng)的EMI方面性能都非常優(yōu)良。傳統(tǒng)的多電平逆變器可分為二極管箝位型、電容箝位型以及級(jí)聯(lián)型等三種結(jié)構(gòu)拓?fù)?，二極管箝位型逆變器因?yàn)樵陔S著電平數(shù)的增多，其開關(guān)器件和箝位二極管會(huì)大量的增加，因此通常只適合于五電平以下的多電平拓?fù)?。?a class="contentlabel" href="http://cafeforensic.com/news/listbylabel/label/電容">電容箝位型逆變器存在有電容的充放電電壓平衡的問題，而且在電平數(shù)增加時(shí)，會(huì)需要較多的箝位電容，因此也存在一定的弱點(diǎn)。 對(duì)級(jí)聯(lián)型多電平逆變器來說，當(dāng)需要得到多個(gè)電平時(shí)，會(huì)需要較多的直流電源，整流側(cè)會(huì)需要一組變壓器，造成體積龐大，另外也不易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是一種并聯(lián)型無功補(bǔ)償的FACTS裝置，它能夠發(fā)出或吸收無功功率，并且其輸出可以變化以控制電力系統(tǒng)中的特定參數(shù);一般的，它是一種固態(tài)開關(guān)變流器，當(dāng)其輸入端接有電源或儲(chǔ)能裝置時(shí)，其輸出端可獨(dú)立發(fā)出或吸收可控的有功和無功功率;它可在如下方面改善電力系統(tǒng)功能：動(dòng)態(tài)電壓控制，功率振蕩阻尼，暫態(tài)穩(wěn)定，電壓閃變控制等。

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。

為了分析方便，將圖2所示的4個(gè)載波信號(hào)用“分段線性函數(shù)”來表示。這樣第n個(gè)(n=1，2，3，4分別表示從上到下的4個(gè)載波)三角載波的數(shù)學(xué)方程式可以寫成如下形式

其中k=0，1，2，3，。..。

正弦調(diào)制波的方程式為

假設(shè)n為某相對(duì)于調(diào)制波的諧波次數(shù);m為該相對(duì)于載波的諧波次數(shù)。則v的雙重傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為

根據(jù)式(3)和(4)，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以得到v的各級(jí)諧波的系數(shù)。需要指出的是對(duì)于五電平逆變器不同載波調(diào)制策略，其輸出相電壓和線電壓表達(dá)式不同。當(dāng)所有載波同相位調(diào)制時(shí)，輸出線電壓的諧波最少，此時(shí)相電壓和線電壓的輸出分別如式(5)和(6)所示。