级联多电平STATCOM的三次谐波注入PWM法

王东冬， 丁稳房， 苏 威， 李志鹏， 孙 青

(1 湖北工业大学 电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068； 2 湖北省电力公司襄阳供电公司， 湖北 襄阳 441000)



级联多电平STATCOM的三次谐波注入PWM法

王东冬1， 丁稳房1， 苏 威1， 李志鹏1， 孙 青2

(1 湖北工业大学 电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068； 2 湖北省电力公司襄阳供电公司， 湖北 襄阳 441000)

讨论了一种优化的脉宽调制方法，即三次谐波注入法，应用在级联H桥型STATCOM的主电路中，使直流电压利用率和开关损耗两个指标同时优化。首先阐述了三次谐波注入法的基本原理，再通过仿真对比试验得出这种优化方法可以提高调制比最高至1.15，进而提高直流电压利用率。

静止同步补偿器； 脉宽调制技术； 三次谐波注入法

随着电力系统的不断发展，无功对电网的影响越来越受关注。传统的无功补偿装置已难以满足系统的补偿要求。静止同步补偿器(STATCOM)作为一种新型的动态无功补偿装置具有很多优势，它代表了无功补偿装置的发展方向。一台无功补偿装置要想得到最优的补偿效果，除了可靠的控制算法外，还有调制方式的选择，不同调制方式可以实现不同的优化效果[1]。衡量调制策略好坏的三个主要标准有输出电压和电流的谐波畸变率、直流侧电压利用率和开关器件的损耗。普通常用的调制方式有单极倍频SPWM法、空间矢量调制法等，广泛应用在级联多电平换流器中的调制方式有载波相移SPWM调制、载波层叠调制方式等。在SPWM调制中，为了使交流侧输出电压谐波含量减小而提高载波的频率，导致整个的高次谐波频率变高，这就增大了开关器件的开关频率，加重了开关损耗，而且由于调制波的幅值总小于载波幅值，导致直流电压利用率总是无法提高[2]。本文讨论了优化的脉宽调制方法，即三次谐波注入法，通过仿真实验得出这种优化方法可以提高调制比最高至1.15，进而提高直流电压利用率。

1 三次谐波注入法的原理

在图1所示的普通三相电路结构中，一般的SPWM调制方式都有一个局限，那就是直流侧电压的利用率较低。三相中正序分量的三相电压瞬时值为：

uA=Umsinωt

uB=Umsin(ωt-2π/3)

uC=Umsin(ωt+2π/3)

图1 三相两电平STATCOM结构

这种三次谐波在三相中的幅值和相位均相同，在线电压中便相互抵消，而且零序分量不产生电流，固而线电压和主电路交流侧的电流的谐波特性不会受影响，因此将这种零序分量加入到正弦调制波也不会改变三相负载电流和电压的基频分量，并且还能提高调制比M使之大于1，而不出现过调制，下面通过仿真将其应用到级联H桥型STATCOM的主电路中。

2 三次谐波注入法在级联多电平拓扑中的仿真应用

对于大功率级联多电平换流器，人们提出了很多专门用于该拓扑的PWM调制方式。例如基本的消谐波PWM法(SH-PWM)以及单极倍频载波移相PWM法(CPS-PWM)，之后又提出了一种开关频率优化PWM法(SFO-PWM)，这方法是通过一种巧妙的空间矢量调制方法在PD调制方法的调制波中加入一种零序分量来实现调制比的最大化，提高直流电压利用率，效果和三次谐波注入法相同，但和CPS-PWM法相比，不具有提高等效载波频率的优势[4]。因此，将三次谐波注入法应用到CPS-PWM中，实现直流电压利用率和开关损耗两个指标的同时优化。

图2 级联3-H桥STATCOM拓扑结构

本文采用的仿真软件为Matlab的Simulink模块建立仿真模型，编写控制和调制算法，通过观察仿真运行后得到的波形对原理进行验证和进一步的理解。在下面的仿真中建立的是一个三相8链节H桥型STATCOM的模型，为了方便对调制算法的验证，在该仿真模型中去除网侧电压对主电路的影响，并假设为理想情况，即每个单元直流侧电压Udc为恒定的1 000V，不考虑直流电压平衡问题，把整个STATCOM看做是一个级联H桥型的逆变器，重点观察通过改变调制方法得到的交流侧输出的不同[6]。

2.1 未加入任何零序分量的载波相移SPWM调制

为了和后面加入零序分量后的结果作对比，图3和图4分别给出未加入任何零序分量的载波相移SPWM调制方法的输出相电压和线电压结果及其谐波分布[7]：

图3 未加入零序分量输出相电压和谐波分布

图4 未加入零序分量输出线电压和谐波分布

2.2 注入1/6幅值的三次谐波后的调制

下面对注入1/6幅值的三次谐波后的调制方法进行仿真。

图5 调制仿真模块

图5为整个仿真模型中的调制算法模块，图中SPWM1为一相8个链节的调制算法模块，采用的基本算法为载波相移SPWM调制方法。8个链节的主电路则需要8个互差π/Nkc，其中N=8，三角载波的频率为500Hz，故kc=fc/fr=10，互相错开的角度为π/80，然后这8个错开一定角度的三角载波再和加入了1/6幅值三次谐波的调制波进行比较。图5中SPWM1模块的左侧即为输入到模块的调制波，其中的“3rdH1”即为添加的三次谐波。

图6 注入1/6幅值三次谐波的输出

图7 注入1/6幅值三次谐波的输出线

通过图6左边的相电压输出波形可知，其电压幅值为8 000V，即为8Udc，满足单相全桥换流器交流侧输出的电压所能达到的最大幅值为直流侧电压Udc，8个单元串联为8Udc；右边为输出相电压的谐波分布图，和图3相比较可以看出：在前20次谐波中，3次谐波的含量增多，而且是远远高于其他次谐波，谐波含量超过了15%，整个的谐波畸变率也很大，为17.63%，超过了图3中7.03%的谐波畸变。再对比图7中线电压的谐波分布，整个谐波畸变率降到了5.23%，3次谐波也降到了0.08%以下，整个谐波分布也是高次谐波含量大，基本可以认为不含有3次谐波，这也验证了注入三次谐波对线电压的输出不产生影响。而且从图7中可以看出线电压的基波幅值为15 940V，和图4的基波幅值13 840V相比提升了1.15倍。

3 结论与分析

综合以上仿真和分析，在级联H桥型主电路拓扑中三次谐波注入法可以使其得到优化。将这种优化方法应用到级联多电平的载波相移SPWM调制中，不仅保留有CPS-SPWM调制本身可以使等效载波频率增加一倍，优化开关损耗，还能实现调制提高至1.15,使直流侧电压利用率提高15%的优化，而且注入像三次谐波这样的零序分量到调制波中对最后线电压和电流的输出不产生影响，没有明显的负面效应。

[1] 王兆安，杨 君，刘进军，等. 谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，2005.

[2] 陈 坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社，2004.

[3] 罗承廉，纪 勇，刘遵义. 静止同步补偿器(STATCOM)的原理与实现[M].北京：中国电力出版社，2005.

[4] 张振华.H桥级联多电平静止无功补偿器的控制策略研究[D]. 杭州:浙江大学，2012.

[5] 王志冰，于坤山，周孝信.H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略[J]. 中国电机工程学报，2012,32(06)：56-63.

[6] 瞿 博，吕征宇. 三相电压型PWM整流器小信号建模及其控制器设计[J]. 电工技术学报，2010，25(05)：103-108.

[7] 张崇巍，张 兴.PWM整流器及其控制[M]. 北京：机械工业出版社，2012:88-112.

[责任编校： 张岩芳]

The PWM Technology of Third Harmonic Injection Based on the Cascade Multilevel STATCOM

WANG Dongdong1, DING Wenfang1, SU Wei1, LI Zhipeng1, SUN Qing2

(1SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China;2XiangyangPowerCompanyofStateGrid,Xiangyang441000,China)

This paper discussed a technology of optimization of pulse width modulation, the third harmonic injection technique, by which applied in cascaded H bridge main circuit of STATCOM, both the utilization rate of dc voltage and switching loss of two indicators could be optimized. This paper first expounded the basic principle of the third harmonic injection technique. Through the simulation experiment it then concluded that this optimization technology can improve the modulation ratio up to 1.15,and improve the utilization rate of DC voltage.

static synchronous compensator；pulse width modulation technology； third harmonic injection technique

2014-10-19

王东冬(1990-)， 女， 湖北咸宁人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电气工程

1003-4684(2015)01-0015-03

TM761

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