电压源型逆变电路设计

随着现代电力电子技术和控制技术的发展，以静止型无功补偿装置（SVC）、有源电力滤波器（APF）（补偿谐波的同时兼顾补偿不对称）和新型静止无功发生器（ASVG）等元件为代表的补偿装置的出现，使电力系统不对称的动态、快速补偿成为可能。

　　本文提出了一种由多个单相电压源型逆变器串联组成链状电路的补偿器来补偿系统由于不对称负荷产生的负序、零序分量，并调整负荷母线电压。该补偿器可根据系统实际情况接成三角形和星形，使其分别适用于三相三线制和三相四线制系统的不同补偿要求。 

1  不对称补偿的原理

图1所示为系统不对称补偿电路的结构示意图，补偿器由电压源逆变器及其与系统的连接变压器组成。 C=CP+CN+C0,L=LP+LN+L0,CP,CN,C0和LP,LN,L0分别为补偿器输出电流和负荷电流的正序、负序及零序分量。下标“P”，“N”，“0”分别代表与正序、负序、零序相关的量(以下同)。不对称补偿的目的就是使 CN=LN,C0=L0，从而消除不对称负荷产生的负序、零序分量对系统的影响。CP则用于调整负荷母线电压。值得一提的是当系统存在零序分量时，如仅仅只消除负序分量，系统电压的不对称度可能会进一步加大。

图1　系统不对称补偿电路结构示意图

2  补偿器结构及输出电压的调节

2.1  电压源型逆变电路　　

常见的三相电压型逆变电路有三相全桥型（见图1）、三单相全桥型及三相多电平型等几种。单个的三相全桥和三单相全桥型逆变器具有结构和控制简单的优点，但由于受其容量和谐波性能的，很少将它们直接应用到电力系统中。此外，三相全桥型逆变器不能直接用于补偿系统的零序分量。为实现三相全桥和三单相全桥型逆变器的大容量化，常采用的方法有两种：一是每个逆变器桥臂采用多个开关器件串联和并联，该方法存在的主要问题是当器件的串并联个数较多时，每个器件的均压、均流将变得非常困难。此外，该方法无助于逆变器谐波性能的提高。二是采用多重化结构，该方法还可提高装置的谐波性能。但也存在两个问题：一是多重化需采用特殊结构的变压器，这种变压器存在结构复杂、造价高、体积大的缺点，因此多重化的数目受到；二是逆变器各个桥臂的开关器件需在关断状态下承受整个直流侧电压，由于现有单个开关器件耐压值的，在制造大容量补偿装置时仍需采用多个开关器件串联的方法来解决开关器件的耐压问题。除了采用多重化方法外，提高谐波性能的另一种方法是采用对开关频率要求相对较高的PWM调制方式，只是装置的损耗将随开关频率的增加而增加。　

　克服上述缺点的一种有效方法是采用多电平逆变器。在三相多电平逆变器中，开关器件在关断状态时只需承受一个直流电容器上的电压，较好地解决了在大容量装置中开关器件的耐压问题。它不需要通过变压器的多重化方法，就能输出阶梯波形的电压，即输出电压谐波含量低。此外，多电平逆变器还具有响应速度快、损耗小的优点，但也具有结构复杂、造价高的缺点。当电平数过多时（9电平以上），由于电路中相应的附加二极管、杂散电感和限流电感过多，装置损耗过大，一般不予采用。此外，多电平逆变器还存在直流侧电容器均压问题，为解决这个问题，应对多电平逆变电路进行了改进，但由于过多地采用了钳位电容器，使电路的结构变得更为复杂。

2.2  本文采用的电路　

常见的三相电压型逆变电路有三相全桥型、三单相全桥型及三相多电平型等几种。单个的三相全桥和三单相全桥型逆变器具有结构和控制简单的优点，但由于受其容量和谐波性能的，很少将它们直接应用到电力系统中。此外，三相全桥型逆变器不能直接用于补偿系统的零序分量。

现考察一个多重化逆变器的电路，如图2所示。为简单起见，图2只画出了三重化电路并省略了曲折变压器的二次侧电路。由图2可见，该多重化电路由9个单相逆变器组成，所有的单相逆变器共用一个直流电容器。如果将直流电容器分解成9个相同的电容器移至每个单相逆变器中，并去掉变压器一次绕组T11～T33，然后将每相的各个单相逆变器的交流侧串联起来(见图3)，就构成了本文所采用补偿器的电压源型逆变电路。从广义上讲，它仍属于逆变器多重化的范畴。

由图3可见，该逆变电路由一系列单相逆变器组成，每个开关器件在关断时只需承受一个直流电容器上的电压。假设V为单相逆变器直流电容器上的直流电压，由单相逆变器的工作原理可知，每个单相逆变器交流侧输出的电压为+V，0和－V，这样N个单相逆变器的串联电路就可输出比较接近正弦波的2N＋1电平的阶梯波电压，具有较好的谐波性能。 

图2　18脉冲逆变器

图3　补偿器的单相串联电路

2.3  补偿器输出电压的调节　　

图4给出了补偿器输出电压的波形（以3个单相逆变器串联电路为例）。

图4　3串联(7电平)逆变器输出波形

由图4可见，补偿器输出电压为各逆变器直流电容器电压V1，V2，V3和各逆变器开关角α1，α2，α3的函数，

即：v(t)=V1(α1,ωt)+V2(α2,ωt)+V3(α3,ωt)　　　(1)

将其展开成傅里叶级数形式可得： 

 (2)

由图4和式(2)可知，通过调节各直流电容电压V1，V2，V3和各逆变器开关角α1，α2，α3，可达到调节补偿器输出电压的目的。通过对V1，V2，V3和α1，α2，α3的不同组合，可得到以下3种电压调节方式：　　

a. 令V1=V2=V3=常数，通过调节α1，α2，α3达到输出给定基波电压幅值和消除谐波的目的。其缺点是每变化一次基波电压幅值，都需求解一次非线性超越方程，存在占用机时长、甚至不收敛的问题。　　

b. 令V1=V2=V3，但其值可变，即通过调节开关角α1，α2，α3来消除给定次数的谐波，而输出基波电压幅值则通过改变直流电容电压来实现。其优点是需消除的谐波次数一旦给定，逆变器的开关角也就随之确定，变化基波电压幅值无需重新计算开关角，在一定程度上克服了方式a的缺点。　

c. V1，V2，V3和α1，α2，α3共同参与消除谐波和调节基波电压幅值，此时，V1，V2，V3没有确定的关系。该方法的优点是能进一步降低输出电压中的谐波含量；其缺点同方式a，此外，由于V1，V2，V3没有确定的关系，将使装置的控制系统变得更为复杂。　　

上述以3个单相逆变器串联电路为例，讨论了补偿器输出电压的调节问题，N个单相逆变器串联电路可以此类推。

3 补偿器的控制系统

3.1  dq坐标下的电压正、负序分量　　

设三相电压为va0(t)，vb0(t)，vc0(t)，则可得到其零序分量v0abc(t)为：

v0abc(t)=［va0(t)+vb0(t)+vc0(t)］　　　(3)

从三相电压中减去零序分量可得： 　　

　(4)

对va(t)，vb(t)，vc(t)进行α—β变换，可得： 　　

　(5)　　

由α—β变换与瞬时值对称分量之间的接口方程(6)，利用式(7)、式(8)可求得vα(t)，vβ(t)中正序及负序分量： 　　　

    (6) 　　　

 (7) 　　

　(8)　　

最后可利用式(9)、式(10)求得用dq坐标表示的电压正序分量vPd，vPq和负序分量vNd，vNq： 　　

　 (9) 　　

　(10)

其中　θ=ωt；ω是系统角频率，单位为rad/s。

3.2  电压、电流的相量合成　　

利用vPd，vPq，vNd，vNq可合成相应的正序分量相量P＝VP∠ΨP和负序分量相量为    N＝VN∠ΨN，其中 　　　

 (11) 　　

　(12)

用同样的方法，可得负序分量的VN和ΨN。　

电压零序分量的相量合成相对简单一些。设v0(t)，v00(t) (由式(3)计算得到)分别为当前时刻、前T/4时刻的零序分量瞬时值，则有： 　　

　(13) 　　

　(14) 

0=V0∠Ψ0同理可得 P＝IP∠ΦP,N＝IN∠ΦN,0＝I0∠Φ0。

3.3 逆变器输出电压的合成　　

根据上述的分析，通过以下2个步骤来实现系统的不对称补偿：　

a.向系统注入负序、零序电流分量以抵消由于不对称负荷产生的负序、零序电流。记补偿器及其与系统连接的等效阻抗为RI＋jXI，负荷电流iLabc(t)各序合成相量为 LP,LN,L0，负荷母线电压vLabc(t)的各序合成相量为LP,LN,L0。假设补偿后负荷电压母线中不含有负序和零序分量，则易得补偿器输出电压中的负序分量为： IN＝LN(RI＋jXI)；零序分量为： I0＝L0(RI＋jXI)。　

b.向系统注入正序无功电流，以调整母线电压的大小或调整功率因数至规定值。文中正序无功电流用来调整负荷母线电压的大小，三相逆变器输出电压中的正序分量由一PI控制器的输出给定。　

　最后，可得三相逆变器的合成电压为： 　　

　(15)

其中　 。

3.4  控制系统框图　

　图5为补偿装置的整个控制系统框图。整个控制系统由负荷母线电压反馈控制环、直流电容电压反馈控制环以及负序、零序电压前馈控制环组成。逆变器输出电压调节采用2.3节所述的方式b(假定各个单相逆变器完全相同)，即由需消除谐波的次数来确定各单相逆变器开关角，而直流电容电压的参考值则由补偿器各相需输出的基波电压幅值确定。在直流电容电压调节过程中，由于补偿器各相中的各个单相逆变器导通角之间的差异可能导致在短时间内各个直流电容之间的电压存在差异，这可以通过轮流调换各单相逆变器的触发角，使各单相逆变器在一段时间内导通情况相同，从而消除各直流电容之间的电压差异。

图5　补偿装置的控制系统框图

4 仿真结果　　

利用电磁暂态仿真程序对图6所示的简单系统进行数字仿真，来验证补偿器及其控制系统的有效性。系统开始运行于三相对称状态，不对称负荷和补偿器退出运行。当t=0.04 s时，开关S合上，投入不对称负荷，t=0.12 s时，各逆变器开关角α1，α2，α3及α4的设置用以消除相电压中的3次、5次、7次及9次谐波。其中，α1＝9.428567°，α2=26.57142°，α3=50.57145°，α4=86.57143°。

各量的变化情况分别如图7～图10。

图6　仿真系统

图7　负荷母线电压波形变化情况

图8　负荷母线的正序、负序、零序电压波形变化情况

图9　补偿器输出电压波形

图10　补偿器输出电流波形

由图7可见，不对称负荷投入后，负荷母线电压出现了严重的不对称，且各相电压幅值也有了较大的变化；补偿器投入后，负荷母线电压的不对称程度有了很大的改善，且电压幅值也回升到不对称负荷投入前的水平。　

图8中，投入补偿器后，负荷母线电压的负序、零序分量得到了有效的抑制。由图7、图8还可以看出，投入补偿器后，负荷母线电压中存在少量的高次谐波分量，这是由补偿器本身输出电压中的谐波含量引起的，这些谐波可通过增加补偿器每相中单相逆变器的个数或附加一定的无源滤波器来消除。　　            

由图9和图10可见，为了补偿不对称负荷产生的负序、零序分量，补偿器的输出电压和电流也是不对称的，其中某相值可能会很大，这在补偿器的设计时应予以考虑。

结语

在配电系统中，不对称负荷产生的负序、零序分量将会给系统运行带来许多不良影响，传统的补偿方法具有动态响应性能差、谐波污染大的缺点。本文采用了一种由多个单相电压源型逆变器串联组成链状电路的补偿器来补偿系统的负序、零序分量，并调整负荷母线的电压。该补偿器可根据系统的实际情况接成三角形和星形，使其分别适用于系统不同的补偿要求。和由常规逆变器组成的补偿器相比，该补偿器具有响应速度快、谐波性能好、损耗低等优点。文中给出了补偿器的控制系统，并利用电磁暂态仿真分析验证了本文思想的正确性。

致谢

在这段课程设计期间，本人在设计过程中，得到了电气工程系王巍老师的耐心指导，王老师平日授课学时较多，但他还在百忙之中抽时间来指导我们，让我知道设计中的不足之处，并及时得到了改正，同时，我的设计也得益于同组的几个同学，我们共同探讨问题、互相学习，使我在分析问题、解决问题方面有了很大进步。

在此，我也十分感谢参加评阅本设计的老师，请多提出宝贵意义和建议，以使本人水平有进一步提高。

参考文献

[1]、王书林、赵茜编著，电力牵引控制系统。北京：中国电力出版社，2005.12

[2]、黄俊.电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1999.5

[3]、陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，1995.8