一种新型多电平静止无功发生器研究

常鹏飞，徐星星，王宝安，何泽家

（1.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏南京 210003；2.东南大学电气工程学院，江苏南京 210096；3.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京 211103）

目前，电网中的使用电力电子技术的装置所占比重越来越大，给电网带来了谐波污染、系统功率因数低、电压波动和闪变等电能质量问题。静止无功发生器（SVG）作为柔性交流输电技术中的重要技术之一，具有良好的补偿效果和先进的控制性能，成为无功补偿装置的研究重点[1-4]。多电平结构的SVG由于输出功率大、输出谐波小，在高电压大容量场合得到广泛应用。多电平SVG主电路拓扑结构中，最为典型的有二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。二极管箝位型多电平逆变器电容均压较困难[5，6]；飞跨电容型多电平逆变器应用于高压系统时，电容体积大，成本高，封装困难；级联型多电平结构中，每个H桥单元需要一个独立的直流电源，随着电平数的提高，需要的直流电源数量较多，控制较复杂。

本文提出了一种新型多电平静止无功发生器拓扑结构，只需要一个直流电容，避免了电容电压不平衡问题；采用移相载波PWM控制策略，降低了输出波形的谐波含量；共用直流电容，适合于电气化铁路三相不平衡补偿。

1 结构与工作原理

一种新型多电平静止无功发生器[7-9]的结构示意如图1所示。该装置由两组背靠背结构的电压型逆变器构成，其中一组逆变器经变压器并联到电网A相、B相间，另一组逆变器经变压器并联到电网C相、B相间。这种结构中每组逆变器都采用级联多电平技术，均由4个单相H桥串联而成，通过载波移相PWM技术使每个H桥产生一定相位差的方波电压，经多绕组变压器形成多电平输出，使输出电压接近于正弦波。其中所有级联的H桥单元都共用一个直流电容，因此直流电压控制与传统级联型SVG相比较简单，无需均衡电容电压，且降低了系统成本和复杂性；单相H桥的结构如图2所示。

多绕组变压器的原边绕组1个，副边绕组4个。在理想情况下，当变比为1，且副边绕组电压相等时，4个H桥单元的输出电流之和即为变压器原边输出电流。该结构利用中间直流电容实现了有功功率的双向流动，因此抑制三相不平衡的能力较仅作为无功补偿的SVG强，尤其适用于电气化铁路牵引站的三相不平衡治理。

2 控制系统设计

2.1 硬件设计

控制系统硬件设计主要包括主电路设计和控制电路设计[10]。系统硬件结构框图如图3所示。

2.1.1 主电路

主电路由逆变器、直流侧电容和并网电抗器构成，根据控制芯片发出的PWM脉冲信号控制功率开关器件的通断，从而产生符合控制要求的补偿电流。并网电抗器用来减小逆变器产生的高次谐波，增强补偿电流的跟踪能力。

2.1.2 控制电路

控制电路产生控制功率开关器件通断的信号。主要由信号检测调理电路、DSP+FPGA控制电路以及驱动电路组成。

（1）信号检测调理电路：采用电流互感器和电压互感器检测系统中的电流、电压，并转换为DSP芯片可以处理的信号。

（2）DSP+FPGA控制电路：由于主电路需要32路控制脉冲输出，因此采用以DSP+FPGA为核心的控制电路，利用FPGA I/O引脚多的特点，构造多路PWM产生器。在DSP控制器中进行采样和运算，生成补偿指令电流，FPGA根据DSP发出的调制信号，采用移相载波PWM技术产生PWM脉冲信号。

（3）驱动电路：用于放大FPGA输出的PWM信号，控制主电路中各个开关器件的通断。

2.2 软件设计

系统软件设计包括主程序设计、定时器中断子程序设计和FPGA模块设计。

2.2.1 主程序设计

主程序流程如图4所示。主程序负责对系统进行初始化。主要包括I/O口配置寄存器初始化、中断矢量表初始化、AD转换及数据采集单元寄存器初始化和系统变量初始化等。当初始化操作完成后，进入空闲状态，等待中断的发生。2.2.2定时器中断子程序设计

定时器中断子程序流程如图5所示。进入中断后，首先对数据进行A/D转换，从结果寄存器中读取转换结果，并判断直流侧电压是否达到了给定值。然后将直流侧电压Udc和参考电压Udc*作比较，经PI调节器，得到控制信号iq，再根据三相负载电流、iq以及dq0算法计算出指令电流。比较指令电流和实际产生的补偿电流，经比例控制器后得到调制信号。

2.2.3 FPGA模块的设计

FPGA模块的程序流程如图6所示。FPGA一方面根据DSP发送的数据对功率单元进行控制，如图6（a）所示；另一方面接收功率单元上传的故障信息和系统状态，进行译码后通过数据总线发送给DSP，如图 6（b）所示。

3 仿真研究

为了验证新型多电平SVG的补偿性能，采用PSIM进行仿真研究。系统仿真参数设置如下：三相电网电压380 V/50 Hz，直流母线电压Udc=800 V，直流电容C=100 mF，交流侧并网电感取4 mH。负载为阻感负载，L=28 mH，R=1 Ω。

直流侧电容电压波形如图7所示。由图可以看出，电容电压稳定在给定值，波动很小。

补偿前a相系统电压和电流波形如图8所示。补偿后a相系统电压和电流波形如图9所示。比较2个图可以看出，补偿后电网电压和电流相位一致，可见，SVG装置能够很好地补偿感性无功。

4 实验结果

为验证新型多电平SVG补偿无功的能力，进行了无功补偿实验。实验时单相交流电压有效值为38 V，直流电容电压为120 V，负载为纯电感，L=28 mH。a相补偿后系统电压电流波形如图10所示。补偿后电容电压波形如图11所示。

可见，补偿后系统电压电流相位一致，补偿效果较好，并且直流电容电压稳定。

5 结束语

本文提出了一种新型多电平静止无功发生器主电路拓扑结构，分析了该装置的工作原理和控制系统的设计。为了验证该新型SVG补偿无功功率的效果，分别从仿真和实验两个角度进行研究，结果均表明该新型SVG拓扑结构的正确性和控制系统的有效性。相较于传统级联型结构而言，该新型SVG仅需一个直流电容，降低装置占地面积，节约装置的成本，且直流稳压控制简单。此外，其采用载波移相PWM控制方法，多绕组变压器副边绕组无需错开相位，即可实现多电平输出，改善输出波形，减小输出谐波含量。

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