利用静态同步转换器实现负载平衡和谐波抑制

本文介绍了一个基于静态无功功率转换器原理的电源调节器。借助一个用汇编语言编程的PC机来控制脉冲样式发生器，可以对电源系统进行平衡。在转换器的直流电路中加入谐波可以抵消交流电路中的谐波。

随着设备中转换器应用的增加，对高动态性和脉动电源的需求，可再生能源的出现，以及不平衡负载的广泛应用，导致了电流畸变现象越来越多，传输系统中的无功功率也由此增加了。特别是在脆弱或孤立的电源系统中，其影响可反映为干线电压的严重畸变。电压扰动包括谐波、电压衰落和抖动以及整流缺陷，并可能导致供电系统失去平衡。现代控制电子设备(包括测量电子设备和高速处理器)对这些扰动非常敏感，因此需要一个电源调节系统来解决这一问题。对于电压扰动问题，传统的解决办法是加大设备的规模，或使用调谐无源滤波器、不间断电源(UPS)和有源滤波器。

一种更普遍的电源调节器是“静态同步转换器”，它包括一个带有有源能量存储装置的交流转换器。它提供了对基波和谐波中的无功功率进行补偿，并对公共耦合点(PCC)有功功率进行控制的可能，还可对负载电流进行有效平衡。

电源调节的原理

如果引入一个平滑瞬时功率因子P_Gl(t)，则要定义流经对称正弦三相系统一个节点的相对最优功率就相当简单。在进行补偿的条件下，无功功率可给出为Q(t)=0。平滑的有功功率P_Gl(t)可从瞬时有功功率P(t)得到，如式(2.2)所示。供电系统的对称电流I_N(t)定义为式(2.3)。

平滑时间常数T_Gl可自由选择。它影响有功功率波动的幅度，并决定最大功率和有功功率的存储容量。电源调节器必须能够通过满足式2.2和2.3定义的相对最佳条件来提高电源的质量。另外，为了平衡高压输电网和负载并消除谐波，将变换器作为一个三相系统而非三个单相单元来处理更为恰当。这使得将正交功率元件作为空间矢量来进行定义，使控制系统能够达到较高的动态性能。

图1是一个并联电源调节器的简化原理图。它基于平行网络工作模式的输电网络中的一个单相等效电路图之上。电源调节器的功能是作为一个电压源，其可变的幅度V和相角v是工作阻抗X(p)的函数。其内部阻抗随着频率的增加而下降，直到等于次瞬时阻抗Xd。由于这一特点，在PCC的网络内，工作阻抗X(p)的作用就象电流谐波的一个电子“收容器”。在因切换等操作引起瞬时反应时，系统的增强使得短路电流容量的动态性增强，从而减小了压降，而未对控制电路造成任何不良影响。在稳态工作过程中，系统行为只取决于最重要的控制回路(如电压控制)的动态特性。这种工作原理被用来开发一种更通用的带同步转换器的高容量电源调节器。

电路设计

图2是电源调节器的方框图。该系统由一个常规驱动转换器、一个变压器(Ynd5)和组合无源LC滤波器构成。自整流转换器的直流中间电路与电池存储单元相连，因此它适合在所有四个电气象限工作。变压器次级的三角形连接减小了零阻抗，并使初级元件有一个稳定的中性点电势，其零电压足够低，因而适合于不平衡工作并无需使用昂贵的五抽头变压器。电容C_F和平滑电感L_F有助于保证足够的端点电压质量，它们的大小基本上取决于所用转换器的脉冲信号的频谱。允许使用的驱动转换器部件包括额定输出从10kVA到100MVA，适合于在低、中、高电压场合下使用的标准化的元器件。

不平衡工作模式

一般而言，不平衡的负载会在功耗中导致双频脉冲，并干扰对称工作，在低压配电系统中尤其如此。通过一个不对称调节的转换器，可以平衡线电流，并将干扰的影响降到最低。对于这种用途，脉冲图应单独产生。

然而，转换器的不对称调节会在输出电压中产生模数 3An的谐波，此处n=1,2,3....。这些谐波的幅度取决于不平衡率和它们的模数。通过在直流端加入交流电流，将这些谐波降到最小是可能的。转换器的不对称工作是通过使用一台用汇编语言编程的PC机实现的。脉冲在内部通过一个正弦脉冲调制产生，再通过并行端口和驱动器电路发送到半导体元件。与一种次振荡(suboscillation)方法一起使用的PWM以及所获得的输出电压见图3，转换器的输出电压取决于正弦波和三角波的幅度之比以及它们的频率之比。

为了将不平衡模式下的输出谐波降到最小，一个频率为100Hz的交变电流被加入到直流电路。这个电流的幅度和相角通过由负载的不平衡所引起的负相序系统的变量决定。变换器产生一个适当的(例如180°)相移负相序系统，它使得由不平衡工作所产生的谐波最小。模数 (2An-1)p∨2并且 2AnAp∨1,n =1,2,3...的谐波是由于脉冲图而产生的(见图4)，那些模数 3An,n=1,2,3....的谐波是由于不对称而产生的， 小于等于3ApAn的谐波则存在于各种脉冲图中。通过对转换器直流端的补偿，它们可减小至当前基波幅度的3%，其效果显示在图5的谐波频谱中。

参考文献

1. D. Voncina, J. Nastran: Parallel active power filter for single- and three-phase non linear loads, Electrical Engineering 81 (1998), pp 217-223。

2. H. Akagi: Trends in active power line conditioners, IEEE Trans. on power el. 9/3 (1994), pp 263-268。

3. H.-P. Beck, C. Sourkounis, J. Wenske: Static synchronous converter with active damping circuit for use in power conditioning, Electrical Engineering 81 (1999), pp 395-407。