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。

 

 

 

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. (4384F)，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。