基于载波移相PWM控制策略的±200MVA级链式STATCOM的直流电容电压控制方法

王永源 李 旷 张海涛 何 师 侯小平

（1.广东电网公司东莞供电局，广东 东莞 523120；2.荣信电力电子股份有限公司，辽宁 鞍山 114051）

STATCOM（Static Synchronous Compensator），即静止同步补偿器，又称为 SVG（Static Var Generator），即静止无功发生器，就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。STATCOM 是迄今为止性能最优越的静止无功补偿设备，其基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

中国南方电网是我国目前唯一的交直流并联运行的超高压、远距离、大容量互联电网，根据南方电网的实际情况，高压大功率变流器及静止补偿器STATCOM直挂电压等级为35kV，容量为±200MVar。

1 载波移相PWM控制策略

传统的大功率 STATCOM经常采用优化 PWM方法。其不足在于优化方程较复杂，难以实时求解，通常采用离线计算开关角度，在线查表的方法实现，导致该方法实时性不高，在需要快速控制的场合中效果不好。而载波调制类和空间矢量调制类方法具有实现简单，实时性高的特点，可以满足快速控制的要求。另外，随着电力半导体技术的进步，具有1kHz左右开关频率的大容量 IGBT/IEGT等器件的逐步商用化也为载波调制类和空间矢量调制类方法在链式变流器中的应用提供了保证。载波调制类和空间矢量调制类方法对于异常工况下STATCOM的控制与保护具有重要意义。

应用于链式多电平变流器时，载波调制类方法发展成载波移相PWM方法。二电平SPWM是最基本的一种PWM方法，其原理如图1所示。这种PWM方法输出有两个电平：+E和-E，E表示直流电压。正弦调制波和三角载波比较，当调制波大于载波时，变流器输出+E电平，反之则输出-E电平。

理论上所有时域的周期信号都可以表示为一系列各种频率的正弦分量的组合，也就是傅立叶级数的表示形式。但是由于 PWM输出电压波形是由基波与载波两种频率成份共同决定的，所以采用单傅里叶变换计算十分困难。二电平正弦 PWM方法输出电压的时域表达式如下：

图1 二电平SPWM方法原理示意图

式中，E为变流桥直流电压，M为调制比，定义为调制波峰值和载波峰值之比，ωs为调制波的角频率，θs为调制波的初相位，ωc为载波的角频率，θc为载波的初相位， Jn(x)为n阶贝塞尔函数，其定义如下：

由式（2）可以归纳出二电平 SPWM方法输出电压的谐波具有如下规律：

1）输出电压谐波包含基波、载波、载波的 m次谐波，以及载波m次谐波的上下边带谐波。

2）根据贝塞尔函数的特性， Jn(x)随着n的增大而迅速减小。因此，谐波主要集中在载波的低次谐波及其边带谐波。

3）基波的幅值与调制比 M成正比，通过调节调制波幅值大小即可调节输出电压。

4）当m＋n为偶数时，该项谐波不存在。

三电平 SPWM 调制可以由两个二电平 SPWM载波移相180°得到，其原理如图2所示。

图2 三电平SPWM方法原理示意图

调制波与载波A按照二电平SPWM的原理比较产生输出电压vA，与载波B比较产生输出电压vB，两者均值即为三电平输出电压vo，记载波A的初相位为θc，则载波B的初相位为θc+π，参照式（1）可得三电平SPWM方法输出电压的时域表达式如下：

式中各量与上一节的定义相同。与式（1）比较可知，三电平SPWM输出电压的谐波性能除了具有二电平方法的各个特点外，它还消除了载波的奇次谐波以及载波奇次谐波的上下边带谐波，这相当于将载波频率提高了一倍，注意到开关频率也相应地提高了一倍。

由于三电平 SPWM 的输出可由两个二电平SPWM载波移相180°相加得到，则在分析载波移相SWPM的谐波性能时，只分析二电平的情况，三电平的情况可类似得到。

二电平载波移相 SPWM 方法的原理如图 3所示。

图3 二电平载波移相SPWM方法原理示意图(K=4)

假设有K个二电平单相桥串联，则调制波与K个载波比较得到各单相桥的脉冲，总电压为各单相桥输出电压之和。各单相桥的载波相位角依次错开δ=2π/K ，记第一个载波的初相位为θc，根据式（6）可得第j个单相桥输出电压为

式中，j=1,2,…K。

根据三角函数的性质，如下的关系成立其中(k=1,2,…∞)。

这样，K个二电平单相桥输出电压之和为

比较式（6）与式（1）可以发现，两者非常相似，经过载波移相后，载波倍数m不是K的整数倍时，它所对应的载波频带及其边带谐波被全部消除，载波移相相当于将原来二电平载波频率提高了 K倍，总的输出电压谐波分布在等效载波频率（ ωc_eq=Kωc）的K倍以及K倍的上下边带上。载波移相 SPWM 在不提高各单相桥开关频率的前提下大大改善了输出电压的谐波性能，非常适合应用于链式结构的变流器中。

2 直流电容电压平衡控制方法

链式STATCOM的各阀组单元的直流电容是完全分开的，由于元件参数差异、功率损耗差异以及脉冲控制精度等方面的因素，直流电容电压不能自然平衡，必须采取直流电压平衡控制措施。

ALSTOM公司的75MVA 链式STATCOM工程采用了基于交流母线能量交换的直流电压平衡控制方法，利用双向变换的辅助变流器使有功功率能够在各个阀组单元单元交换。但大量双向变换的辅助变流器的存在使装置构成复杂化，并且带来成本增加、整体可靠性下降等问题。

在±200Mvar 链式 STATCOM 装置中，将主要软件和算法上的控制措施实现直流电容电压的平衡控制，主要包括以下几个方面。

2.1 载波移相的PWM

在 PWM控制策略的设计中，通过算法设计使各换流链的各阀组单元输出电压的基波电压幅值和相位完全相同，这主要是使各阀组单元流过的基波功率完全相同，是各阀组单元的工作状况一致化，以有利于直流电容电压的平衡。这方面具体的策略已包含在载波移相PWM控制算法之中。

2.2 PWM直流制动

通过PWM调制控制直流电容两端的放电电阻，即可调节并联于电容的等效电阻值。这种方法等效于调节并联损耗，使各阀组单元的损耗趋于一致，方法简单，但损耗略微增加。

直流放电电阻的 PWM制动控制作为循环交换脉冲电压平衡控制的一种辅助控制手段，用于抑制循环交换脉冲后仍较高的直流电容电压。PWM制动控制采用最小电容电压跟踪控制，如图4所示。

图4 基于最小电压跟踪的直流电压平衡控制原理图

图4中，VDi为本单元变流器直流电压，VDM为所有单元变流器直流电压的最小值，PDIS为放电开关 Si驱动信号。U1、U2构成直流电容放电电阻的PWM控制，当VDi大于VDM时，PDIS输出PWM控制信号，VDi越大，PWM脉宽越大，使本单元变流器直流电容放电电流更大。稳态时，VDi等于VDM时，PDIS输出低电平，放电开关Si截止。这种控制方法的优点是最大电容电压的求取与单元变流电路数目无关。PWM控制的最大脉冲宽度得到限制，使装置损耗只有很小幅的增加（增加的损耗小于总损耗的1%）。

2.3 直流电容电压平衡控制的效果

南方电网直挂电压35kV，容量为±200MVar高压大功率静止补偿器STATCOM并网运行试验波形如图5所示。

图5 35kV并网运行试验波形

以A相为例，其不同时刻直流电容电压的平均值、最小值和最大值如图6所示。

图6 A相电容电压

为更直观的从数值上表现出上述控制措施实现直流电容电压的平衡控制的效果，将不同时刻各相直流电容电压的测试值见表1。

3 结论

本文对载波移相 PWM 控制策略进行了详细分析，载波移相SPWM在不提高各单相桥开关频率的前提下可大大改善输出电压的谐波性能，非常适合应用于链式结构的变流器中。基于载波移相PWM控制策略，±200Mvar 链式STATCOM装置通过PWM直流制动等控制措施实现直流电容电压的平衡控制。

表1

通过 35kV并网运行试验的波形和直流电容电压数值分析可以看出，上述控制策略可以很好的实现直流电容电压平衡控制，适应南方电网±200MVA链式静止补偿器STATCOM的性能要求。

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