采用主从型逆变器结构的静态同步补偿器王江¹，王民¹，K.M.Tsang²（1．天津大学电气与自动化学院，天津300072；
2．香港理工大学电机工程系，香港九龙）摘要：针对6kV中压电网三相平衡负载的无功功率补偿，结合二极管箝位多电平逆变器和H桥级联多电平逆变器的特点，提出了一种能够直接并入电网的新型主从式逆变器结构：主逆变器采用二极管箝位三电平逆变器，从逆变器采用3个H桥（即全桥）逆变器。主逆变器和H桥逆变器采用级联的形式连接，构成一个五电平的混联逆变器。H桥逆变器负责产生一个方波电压，构成输出正弦电压的基本成分；主逆变器产生输出电压的补偿部分并负责消除低次谐波。最后通过仿真结果证明了所提出的这种主从型逆变器STATCOM结构在消除谐波方面的优越性。
关键词：多电平逆变器；主从型逆变器；静态同步补偿器1引言
20世纪80年代以来，随着电力电子和计算机技术的进一步发展，一种更为先进的静止无功补偿装置¾¾静态型同步补偿器（Staticsynchronouscompensator,STATCOM）被广泛研究和应用于电力系统^[1-5]。在STATCOM装置中，主电路的核心部分是电压型逆变器，并且已经实用化的补偿装置大多采用的是两电平逆变器的多重化技术。但是，采用多重化的结构STATCOM由于主开关器件耐压的限制，需要大量的笨重、昂贵、耗能的升降压变压器及连接变压器，并且对谐波要求越高，需要连接的逆变器就越多，变压器也越多，这大大增加了系统的体积和成本，能量损耗也增加。正是由于这些原因，采用多电平逆变器构成STATCOM主电路的方法引起了人们的关注，并成为研究的热点^[6]。
多电平逆变器的思想最早是由Nabae于20世纪80年代初提出的^[6]。它的一般结构是由几个电平台阶（典型情况是电容电压）合成阶梯波以逼近正弦输出电压^[6-8]。这种变换器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，并且每个开关器件所承受的电压应力较小，从而无需均压电路，可避免大的dv/dt所导致的各种问题。
主电路结构采用二极管箝位多电平逆变器的STATCOM装置，通常被局限在五电平以下，因为若超过五电平，除需要大量的箝位二极管以外^[6]，其控制方法也变得很复杂，而且还不得不考虑多个电容由于充放电的差异而造成的电压均衡问题，这又提高了对控制方法的要求。因此，采用这种结构的STATCOM主要采用三电平的结构，从而限制了在更高电压等级的应用。
采用级联逆变器作为STATCOM主电路可以省去大量钳位二极管和电容，所以基于这种结构的STATCOM研究很多^[6]，但这种结构需要多个独立储能电容。当用于STATCOM主电路时，必须考虑多个电容电压的平衡问题，这样使控制方法非常复杂。为了减少对电网的谐波干扰，采用这种结构的STATCOM的每相常常要级联多个全桥逆变器，这就需要大量的开关器件，成本大大增加。针对国内6kV中压电网三相平衡负载的无功功率补偿，结合二极管箝位多电平逆变器和级联逆变器的特点，本文提出了一种能够直接并入电网的主从型逆变器结构STATCOM，减少了各种功率器件的应用并消除了变压器，实现STATCOM高压大容量化、高效化、小型化和低成本化，且控制方法简单实用。最后对逆变器的输出电压波形进行了仿真研究并给出了谐波频谱。
2STATCOM的主从型逆变器结构
本文提出的主从型五电平混联逆变器的结构如图1所示，图1的第Ⅰ部分为二极管箝位三电平逆变器，第Ⅱ部分为3个H桥逆变器，第Ⅲ部分为二极管箝位三电平逆变器电容C₁、C₂的硬件平衡控制电路。图1所示的混联五电平逆变器结构，与单纯的二极管箝位五电平逆变器相比，减少了大量的箝位二极管；与H桥级联逆变器相比，在器件数量上没有优势，但是，采用这种混联结构后，可以设计出比较简单的控制方法，与采用级联逆变器的STATCOM应用相应的控制方法比较，在同为五电平结构的情况下，输出逆变电压谐波含量将大大降低。对图1所示混联逆变器结构，单相各开关状态对应的电平如表1（假设N点电为0，各电容电压为E，以V_can相输出为例）。3主从型逆变器输出电压的谐波分析
本文主逆变器采用PWM的控制方法，H桥逆变器输出方波电压，构成输出正弦电压的基本成分；主逆变器产生输出电压的补偿部分并负责消除低次谐波。从而整个逆变器输出的合成电压在原理上可等效为一个五电平逆变器的SPWM输出，输出波形如图2所示。其输出电压的谐波分析可以采用与传统PWM调制五电平逆变器相同的方法^[9-10]。从图2可以看出，输出电压波形比较复杂，SPWM（正弦波调制PWM）调制在调制波的各周期内，无法以调制波角频率w_S为基准，用傅立叶级数把它分解为调制波角频率倍数的谐波，为此必须采用双重傅立叶级数展开的方法，即采用以载波的角频率w_C为基准，考察其边频带谐波分布的情况。
为了分析方便，将图2所示的4个载波信号用“分段线性函数”来表示。这样第n个（n=1,2,3,4分别表示从上到下的4个载波）三角载波的数学方程式可以写成如下形式
其中k=0,1,2,3,...。
正弦调制波的方程式为

假设n为某相对于调制波的谐波次数；m为该相对于载波的谐波次数。则v的双重傅立叶级数表达式为

根据式(3)和(4)，通过数学运算，可以得到v的各级谐波的系数。需要指出的是对于五电平逆变器不同载波调制策略，其输出相电压和线电压表达式不同。当所有载波同相位调制时，输出线电压的谐波最少，此时相电压和线电压的输出分别如式(5)和(6)所示。



4主从型逆变器输出电压的仿真研究
4.1主从型逆变器仿真模型的建立
为了研究主从型逆变器的输出特性，首先假定逆变器直流侧的电压恒定，逆变器中器件用理想开关来代替。构建主从型逆变器的仿真模型如图3所示。
载波频率与调制波频率比值N的选择对逆变器输出电[1][2][3]下一页