多桥PSVC静止无功补偿器的研究.docx

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多桥PSVC静止无功补偿器的研究

华中科技大学电气学院吴军辉

摘要：

本文根据目前电力系统中无功补偿的现状，对基于PWM技术的静止无功补偿器（PSVC）进行了改进。

根据多桥PSVC叠加的原理，得出在满足相同谐波畸变频率的情况下，桥数越多，开关频率越低的结论。

最后通过实验仿真证实了此理论分析的正确性。

关键词：

电力系统；多桥叠加；脉宽调制；静止无功补偿器

引言

无功补偿是提高电力系统设备使用效率、减少线路有功损耗的一种常用方法。

静止无功补偿是一种由电容器、功率控制器件和电抗器组成的无功补偿装置。

常用的无功补偿方案有：

晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管控制电容器投切（TSC）及固定并联电容器（FC）等。

1994年，HuaJin等人提出的PWM静止无功功率补偿器（即单桥PSVC）采用自关断开关取代了以往的可控硅来控制电抗器,通过改变自关断开关触发信号的占空比来调节电抗器的等效电抗。

由于采用了斩控技术,装置的响应速度与TSC、TCR等采用相控技术的SVC相比大大提高;通过提高开关频率,可以使其注入系统的谐波含量减小。

图1单桥PSVC结构图

图2四桥PSVC结构图

（a）系统侧电压、电流波形（b）系统侧电流波形的频谱图

图3当D=0.88时，四桥PSVC的仿真波形

（a）系统侧电压、电流波形（b）系统侧电流波形的频谱图

图4当D＝0.25时，四桥PSVC的仿真波形

单桥PSVC的工作原理

如图1所示，开关S1,2,3周期性地接通和关断电抗器与三相交流系统，而辅助开关S4,5,6在S1,2,3关断期间允许电感电流续流，因此有：

。

Cp1,2,3是用于死区时为电感电流续流的旁路电容器,能确保在前、后两组自关断开关之间不会有破坏性的交迭导电（击穿）,从而提高整个系统的安全性。

电阻Rp1,2,3用来释放Cp1,2,3在死区时间存储的部分能量，变压器起着隔离和使电压匹配的作用。

利用变压器的漏抗与提供无功功率的电容器C,可抑制由补偿器产生的高次谐波,这样就不必额外设置滤波器,从而进一步简化了整个补偿器的结构。

多桥PSVC的工作原理

理论分析表明：

如果将l个同样结构的交流控制器并联叠加，并将它们的控制触发脉冲依此错开（360/l）°，则装置内部发生的谐波可以在各桥路间互相抵消，从而使总的谐波发生量大大减小。

不失一般性，可取四桥结构作为特例，l＝4时的多桥PSVC结构如图2所示。

上式右侧第一项和第二项分别为l桥叠加后三相电流的基波和谐波分量。

由第二项可以看出：

在谐波分量中只存在nlfs±1次谐波（n＝1，2，3…），即只有频率为nlfs±f的谐波存在。

通过与单桥情况（即当l＝1时，存在频率为nfs±f的各次谐波）相比较可知，频率在nlfs±f以外的其它次谐波由于在各个桥路间发生了谐波相消作用而均为零，从而使得总体的谐波频谱分布情况大大改善。

特别是频率为fs±f（最低次，但最大）的两个谐波被彻底消除了。

并且，在D=k/l（k＝1，2，…，l-1）的特殊情况下，由于为零，因此式1的第二项亦为零，其波形接近正弦波。

多桥PSVC输入电流

的谐波失真度

A相第（nl鷎f±1）次谐波电流为：

则A相总谐波电流如下式所示：

系统侧单相电流（如A相）有效值的平方为基波与谐波有效值的平方和，故：

谐波电流有效值如下式表示：

由上面的分析可以看出：

在装置的设计中，并联桥数越多则开关频率就可以选择得越低。

然而实际上并联桥数并不宜选择得过多，而是需要对装置容量、开关频率及滤波要求等方面进行综合考虑。

当合理地选择了桥数和开关频率时，甚至可以在设计中省去额外的输出滤波器，这对于提高装置的反应速度和降低造价是十分有利的。

四桥PSVC的仿真结果

为了证明前面的理论分析是否正确，本文对一个l＝4且开关频率为200Hz的PSVC进行了计算机仿真，所需参数如下：

Vab=1.732p.u.（380V），S/phase=1p.u.（200/3kVA），f=1p.u.（50Hz），fs=4p.u.（200Hz），Xl=2p.u.（4.63mH），XC=1p.u.（4384F），XT=0.05p.u.（0.12mH）。

当D=0.88时（这时谐波电流最大），四桥PSVC工作在感性区间，相应的波形及频谱如图3所示，由仿真得到的THD是3.33%（理论值为3.126%）。

当D=0.25时（这时谐波电流最小），四桥PSVC工作在容性区间，相应的波形及频谱如图4所示，由仿真得到的THD是0.32%（理论值为0）。

这些结果都证实了理论分析的正确性。

吴军辉

要PWM技术的静止无功补偿器进行了改进。

根据多桥叠加的原理,得出在满足相同谐波畸变频率的情况下,桥数越多,开关频率越低的结论。

最后通过实验仿真证实了此理论分析的正确性。

（TCR）、晶闸管控制电容器投切及固定并联电容器等。

HuaJin等人提出的静止无功功率补偿器即单桥采用自关断开关取代了以往的可控硅来控制电抗器通过改变自关断开关触发信号的占空比来调节电抗器的等效电抗。

由于采用了斩控技术装置的响应速度与、等采用相控技术的相比大大提高通过提高开关频率可以使其注入系统的谐波含量减小。

1单桥结构图

2四桥结构图

（b）系统侧电流波形的频谱图

3当时,四桥的仿真波形

（b）系统侧电流波形的频谱图

4当＝时,四桥的仿真波形

PSVC的工作原理

1所示,开关S在1,2,3关断期间允许电感电流续流,因此有：

。

p1,2,3,能确保在前、后两组自关断开关之间不会有破坏性的交迭导电击穿从而提高整个系统的安全性。

电阻p1,2,3用来释放p1,2,3在死区时间存储的部分能量,变压器起着隔离和使电压匹配的作用。

利用变压器的漏抗与提供无功功率的电容器可抑制由补偿器产生的高次谐波这样就不必额外设置滤波器从而进一步简化了整个补偿器的结构。

PSVC的工作原理

（360/l）°,则装置内部发生的谐波可以在各桥路间互相抵消,从而使总的谐波发生量大大减小。

不失一般性,可取四桥结构作为特例,＝时的多桥结构如图所示。

l桥叠加后三相电流的基波和谐波分量。

由第二项可以看出：

在谐波分量中只存在s±次谐波＝,,…,即只有频率为s±的谐波存在。

通过与单桥情况即当＝时,存在频率为s±的各次谐波相比较可知,频率在s±以外的其它次谐波由于在各个桥路间发生了谐波相消作用而均为零,从而使得总体的谐波频谱分布情况大大改善。

特别是频率为s±最低次,但最大的两个谐波被彻底消除了。

并且,在＝,,…,的特殊情况下,由于为零,因此式的第二项亦为零,其波形接近正弦波。

PSVC输入电流

（nlf±次谐波电流为：

A相总谐波电流如下式所示：

（如相有效值的平方为基波与谐波有效值的平方和,故：

PSVC的仿真结果

4且开关频率为的进行了计算机仿真,所需参数如下：

ab=1.732p.u.（380V）S/phase=1p.u.（200/3kVA）,,s=4p.u.（200Hz）,l=2p.u.（4.63mH）,C=1p.u.（4384X=0.05p.u.（0.12mH）。

D=0.88时这时谐波电流最大,四桥工作在感性区间,相应的波形及频谱如图所示,由仿真得到的是理论值为。

当时这时谐波电流最小,四桥工作在容性区间,相应的波形及频谱如图所示,由仿真得到的是理论值为。

这些结果都证实了理论分析的正确性。