在电网有源滤波和无功补偿中的应用何卫东 王长永 张仲超 林渭勋摘要 功率变流器相移正弦脉宽调制(SPWM)技术是将变流器自然采样SPWM技术与多重化结构相结合，在较低的开关频率下，实现等效高频截波的效果。文章通过仿真，验证了相移SPWM技术在有源滤波和无功补偿系统中应用的可能性。
关键词 有源滤波 无功补偿 正弦脉宽调制技术 组合变流器APPLICATIONOFMULTI－MODULARPHASESHIFTING
SPWMTOACTIVEFILTERANDREACTIVECOMPENSATIONINPOWERSYSTEMHeWeidong WangChangyong ZhangZhongchao LinWeixun
ElectricalEngineeringDept.ZhejiangUniversity
Hangzhou,310027ChinaABSTRACT Anovelactivepowerfilteroperatingwithmulti-modularconverterphaseshiftingSPWMtechniqueforreactiveandharmoniccurrentcompensationisproposed.Multi-modularphaseshiftingiscombinationofmulti-converterandtraditionalSPWM.Withthistechnique,equivalent-switchingfrequencyisgreatlyraised.Thepossibilityofitsapplicationinactivepowerfilteristestifiedthroughsimulation.
KEYWORDS activefilter;reactivepowercompensation;SPWM;multi-modularconverter1 概述近年来，大功率开关器件被大量应用到各种电源装置与电动机的调速之中，为工业装置提供了一个高速、高效、节能的理想的控制手段。但是，利用开关动作对电能进行变换，必然会引起波形失真，即装置本身会产生无功电流和谐波电流，从而对电力设备及其用户和通信线路产生的有害影响日益严重。因此，高次谐波和无功电流的补偿已经成为电力系统中改善供电质量，保证系统可靠性的一个亟待解决的重要课题。在日本、美国等发达国家，静止无功补偿和有源电力滤波器得到了高度重视和日益广泛的应用［1］。
有源滤波和无功补偿装置要求有良好的调节性能和足够大的输出功率，以提供电流的超前或滞后补偿，同时要求系统有足够的频带宽度以达到消除高次谐波的目的。为了实现对无功电流和高次谐波电流的有效补偿，需要开关器件工作在较高的频率下。但大功率正弦脉宽调制(SPWM)变流器开关频率受限制，一方面是因为大功率电力半导体器件(例如可关断晶闸管(GTO）等)的开关频率较低，另一方面是高的开关频率会导致较大的开关损耗，降低系统的效率。而多重化的功率变流器控制调节性能较差，不能完全满足现代电网的要求。因此，SPWM技术和多重化的并用可能成为解决这一问题的有效措施。在这种背景下，本文探讨了组合变流器相移SPWM技术在电网有源滤波和无功补偿系统中应用的可能性。
相移SPWM技术是自然采样正弦波脉宽调制技术与多重化结构的结合，在较低的开关频率下可实现等效高频载波的效果。这项技术由本文作者之一和加拿大B.T.Ooi教授于1991年提出。它的基本思想是∶在多重化为N的组合变流装置中，各单元变流器SPWM采用共同的调制波(周期为Tc)，并将各单元变流器的三角载波(频率调制比为k)相位相互错开角度2π/(N·k)，利用SPWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形迭加结构产生相移式SPWM波形。2 相移SPWM原理相移式SPWM的实现方法可以看作是多重化技术和SPWM技术的一种有机组合。本文中变流器单元系指普通电流源三相SPWM变流器。电流源相移SPWM组合变流器由N个变流器单元在交流侧并联，实现大功率输出［2］。N个变流器单元均采用低开关频率的SPWM，并具有相同的频率调制比k，幅度调制比m和共同的正弦调制信号Sm，而三角载波的相位角依次差Δθ＝2π/(N·k)，如图1(a)所示(变流器单元数N＝5，SPWM频率调制比k＝3，幅度调制比m＝0.8)。图1(b)所示的N个波形分别为N个变流器单元的输出，上述N个逆变单元输出叠加形成整个组合变流器装置的输出波形如图1(c)。对输出进行频谱分析，变流器单元之一的输出波形频谱如图1(d)，叠加后整个组合变流器输出波形频谱如图1(e)。比较图1(d)和图1(e)可见，在各变流器单元输出叠加后形成的组合变流器总输出波形中，谐波得到了有效的抑制。图1 组合相移SPWM技术原理图
Fig.1 Principleofthemulti-modularphase-shiftingSPWM分析计算结果表明，组合相移SPWM变流器在变流器单元的开关频率较低的情况下具有较宽的信号传输频带，其等效传输带宽与频率调制比为(k·N)的普通SPWM变流器的相同。因此，不仅可输出基波无功电流，而且可产生较高次的谐波电流，用相移SPWM组合变流器构成的有源滤波和无功补偿器可同时补偿电网的基波无功和高次谐波电流。另外，组合相移SPWM变流器具有良好的动态响应特性，能满足现代电网所需高控制性能有源补偿器的要求。具体分析可见文献［2］。3 有源滤波和无功补偿系统的构成有源滤波和无功补偿系统可以理解为将系统中有害电流（高次谐波电流Ih、基波无功电流Iq）检出并产生与其相反的补偿电流以抵消母线中有害电流的半导体电力变换装置，兼有无功补偿和滤波功能。本文采用并联式拓扑结构，因此可以将有源滤波和无功补偿系统看作一个可控电流源(如图2)。图2 有源滤波及无功补偿系统原理
Fig.2 Configurationofthesystemofactive
filterandreactivepowercompensation设三相交流负载相电流为滞后相电压π/4的梯形波（图3（a）中ia），它模拟负载为三相电流源桥式可控整流电路工作在π/4时的电流波形。相电流ia可看作是基波有功电流is、基波无功电流iq和谐波电流ih的叠加，即ia＝is＋iq＋ih，如图3(b)、(c)所示。
图3 有源补偿系统的波形分析
Fig.3 Theanalysisofwaveformsinactive
powercompensationsystem检测电路检测负载电流中所含的谐波电流ih和无功电流iq，并以其作为补偿器的参考信号，使有源补偿器输出ip＝ih＋iq用于补偿负载中的基波无功电流和高次谐波电流，则电网仅提供基波有功电流is。由于有源补偿器提供的ih和iq均为无功电流，所以作为有源滤波器的组合相移SPWM变流器被设置运行在控制角α接近90(超前或滞后)的状态。在此工作点，变流器提供电网无功电流和谐波电流。同时，变流器吸收少量有功功率，以补偿系统的损耗。4 仿真分析根据上述工作原理，仿真系统结构图如图4所示，此系统由无功及谐波电流检测器、PID控制器、相位预处理器、三角载波发生器、4个单元组成的三相电流源相移SPWM变流器等部件组成。负载电流为含有基波无功分量及5次、7次等高次谐波分量的梯形波，如图5、6中的上图所示。由于三相三逻辑SPWM逆变器系统[1][2]下一页
