矿用静止无功发生器单极倍频调制策略

申小伟，姚慧，王碧清，孟海强

(1.山西汾西机电有限公司，山西　太原　030027;2.神南张家峁矿业公司，陕西　神木　719316)



矿用静止无功发生器单极倍频调制策略

申小伟1，姚慧1，王碧清2，孟海强2

(1.山西汾西机电有限公司，山西太原030027;2.神南张家峁矿业公司，陕西神木719316)

矿用静止无功发生器是SVG(Static Var Generators)技术与防爆技术相结合，成功研发的新一代煤矿井下无功补偿产品。其调制策略的核心思想是首先对检测部分所得到的信号进行采样，然后通过采样值与给定值协调工作共同作用来得到系统需要的控制信号和一些相应的特性关系，无论哪种控制方式都是围绕这一中心思想进行的，提出了一种适用于矿用静止无功发生器的调制策略，既能实施补偿负荷无功，又能改善负荷接入电网点的电压波形。

矿用静止无功发生器；SVG；单极倍频SPWM调制策略；仿真，补偿

1　引言

煤矿工业实施科技兴煤战略以来，采掘机械的总装机容量和单台装机容量不断增加，工作面长度的加长导致电缆长度增加，电压损失加大。同时，由于煤矿供电系统中使用大量的感应电动机和变压器等设备，供电系统除了供给有功功率外，还需要供给大量的无功功率，从而导致了系统功率因数的降低、供电质量恶化，造成供配电设备的供电能力不能充分利用[1]。因此，在大型综采工作面实现无功补偿，提高煤矿供电系统的功率因数，对煤炭企业保证生产、稳定产量、节能降耗具有重要意义。

随着大功率电力电子技术的飞速发展，动态无功补偿技术得到了快速发展。近几年来，使用大功率可关断器件构成的新型无功补偿器已进入实用阶段，这种装置称静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator，STATCOM)或称静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)[2]。矿用静止无功发生器是SVG(Static Var Generators)技术与防爆技术相结合，成功研发的当前最新型的新一代煤矿井下无功补偿产品。

2　调制策略

多电平变换器的电力电子开关器件的调制策略是多电平技术中与主电路拓扑相当的一个关键技术，它不仅决定多电平变换器的实现与否，而且直接影响着多电平变换器的输出电压波形质量、系统的损耗与运行效率。在过去的二十多年里，大量的多电平变换器调制策略被提出，它们基本上都发源于成熟的两电平调制策略，归纳起来可以分为以下几大类：阶梯波脉宽调制，开关点预制PWM法，多电平空间矢量PWM技术，多载波PWM方法，载波移相正弦波脉宽调制CPS-SPWM、错时采样空间矢量调制STS-SVM等[3]。

载波移相正弦波脉宽调制CPS-SPWM策略是一种应用于基于多电平拓扑结构的高压大功率电力电子变换装置的开关控制技术，它能够在较低的器件开关频率下，通过低次谐波的相互抵消实现较高的装置等效开关频率，这不但使SPWM调制技术在特大功率场合的应用成为可能，同时也在提高装置容量的情况下，有效地减少了装置的输出电压谐波含量，减少了输出滤波器的体积和成本，提高了整个装置信号传输的带宽。

在这里主要介绍应用于矿用静止无功发生器产品中功率单元的单极倍频SPWM调制策略以及在此基础上产生的应用于H桥级联多电平变换器的单极倍频CPS-SPWM调制策略。

2.1单极倍频SPWM调制策略

所谓倍频，是指变换器输出电压的等效开关频率fk与变换器中的开关器件的开关频率fc(即载波频率)之间有如下关系：

fk=2fc

(1)

通过倍频调制技术，在保持器件开关频率不变的情况下提高了变换器输出电压波形的等效开关频率，从而减少了器件的开关损耗和改善了输出电压波形的质量。

图1　功率单元拓扑

以图1所示功率单元主电路拓扑为例，图2给出了单极倍频SPWM调制策略的原理。图中，us为调制波信号，幅值为Us，相位角φ=0；uc为三角载波信号，幅值为Uc；峰值调制比M=Us/Uc<1。

单极倍频SPWM调制策略的具体过程为：调制波us分别与三角载波信号uc和把uc移相180度的新三角载波信号-uc进行比较，在调制信号us与三角载波信号uc的交点形成控制逆变桥T1、T2的互补脉冲序列；调制信号us与新三角载波信号-uc的交点形成控制另一对逆变桥T3、T4的互补脉冲序列。

图2　单极倍频SPWM调制原理图

单极倍频SPWM调制策略的原理如图2所示，在输出电压uab的正半周，当T1·T4≠0，即T1、T4同时导通时，有uab=E；同理，在输出电压uab的负半周，当T2·T3≠0，即T2、T3同时导通时，有uab= -E。由于在一个三角载波周期中，T1·T4(T2·T3)共有两次状态转换，则uab对应有两次脉动，但对于器件而言却只有一次开关动作。

2.2单极倍频CPS-SPWM调制策略

载波移相正弦脉宽调制(CPS-SPWM)是应用于大功率多电平电力电子装置的调制策略，单极倍频CPS-SPWM是在逆变器单元采用单极倍频SPWM调制策略基础上产生的应用于多电平变换器的调制策略。以单相链式H桥多电平变换器为例，单极倍频CPS-SPWM的基本思想是：在功率单元数为N的链式多电平变换器中，各功率单元采用相同的调制波信号us，其角频率为ωs，三角载波信号的频率为kcωs。将各功率单元的三角载波相位互相错开三角载波周期一半的1/N，即π/N，则第i个功率单元三角载波的初相角φm=π(i-1)/N。对于单个功率单元，采用基于单极倍频SPWM的调制方式，将各功率单元的输出电压叠加，那么链式多电平变换器的输出电压就能得电平数为(2N+1)的输出波形。

基于单极倍频CPS-SPWM调制策略的链式H桥多电平变换器具有以下几个特征：

(1)基波分量是基于单极倍频SPWM调制策略的单个功率单元输出电压基波成分的N倍，也就是说单极倍频CPS-SPWM在输出波形叠加后没有基波损失；

(2)不存在Nkc的奇数倍(m=1,3,5,…时)的开关次谐波；

(3)单极倍频CPS-SPWM的链式H桥多电平变换器的等效开关频率提高了2N倍，这样可以在较低的器件开关频率下，得到较高的等效开关频率的输出，输出谐波特性大大改善；

(4)不论链式H桥多电平变换器的单元数N为偶数还是奇数，也不论频率调制比kc奇偶与否，则边频带的次数恒为奇次，链式多电平变换器的输出一定不会产生直流分量。

3　仿真验证

按照矿用SVG所采用的链式H桥多电平三相变换器的主电路拓扑结构、控制方法及计算参数搭建MATLAB仿真模型，图3是功率单元直流母线电压波形，直流电压波动峰值在60V以内。图4、图5是在不考虑系统电源内阻及线路阻抗、负荷电流为感性250A时的SVG输出电压及输出电流，电流波形THD小于1%。

图3　功率单元直流母线电压波形

图4　SVG输出电压波形 图5 SVG补偿电流波形

图5　SVG补偿电流波形

4　结语

本文对矿用静止无功发生器产品所采用的单极倍频调制策略进行了较为详细的介绍。经过MATLAB仿真验证，得出SVG输出电压波形以及SVG补偿电流波形，可以明显看出满足产品设计要求。在煤矿井下高压大容量的工作面，采用级联式拓扑结构和单极倍频调制策略控制的SVG装置应用较多，一方面电力电子开关器件能够在承受尽可能高的耐压的同时拥有尽可能大的功率，另一方面还可以实现更小的输出电压谐波含量和更快的响应速度，因而受到越来越多的重视和关注，为矿用高压静止无功发生器的研制和推广开辟了一条崭新的道路，在煤矿井下电能质量治理中具有较大的推广价值。

[1]赵增玉，马刚，朱乃鹏.基于SVG的矿用3.3kV静止无功动态功率补偿装置的研究[J].山东：工矿自动化，2011.

[2]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]高俊莹.基于单周控制策略的SVG的研究[D].东北石油大学，2013.

A Single Pole Double Frequency Modulation Strategy of Mine Static Var Generator

SHEN Xiao-wei1,YAO Hui1,WANG Bi-qing2,MENG Hai-qiang2

(Shanxi Fenxi Electromechanical Co.,LTD,Taiyuan 030027 China;2.Shennan Zhangjiamao Mining Co.,LTD,Shenmu 719316,China)

A mine SVG(Static Var Generators)is a new generation product which is the combination of SVG technology and explosion proof technology.The core idea of the modulation strategy is to sample the signal which is obtained by the detection part.Then the control signals and some corresponding characteristics are obtained by the sampling value and the given value.Any control method is based on the center idea.This paper presents a modulation strategy for the mine static var generator,which can not only implement the reactive load,but also improve the voltage waveform of the load connected to the grid.

mine static var generator;SVG;single frequency doubled SPWM modulation strategy;simulation,compensation

1004-289X(2016)01-0106-03

TM76

B

2015-08-24

申小伟(1979-)，女，高级工程师，2002年毕业于重庆大学(学士学位)，从事矿用电器产品开发设计工作。