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21电平H桥级联STATCOM调制技术仿真研究
21电平H桥级联STATCOM调制技术仿真研究
摘要：本文研究了21电平H桥级联STATCOM调制技术的仿真研究。本文首先介绍了STATCOM的基本原理和应用，并总结了现有的STATCOM技术及其局限性。接着，详细介绍了21电平H桥级联STATCOM的调制技术和控制策略，包括其硬件结构和软件控制算法。最后，本文进行了仿真实验，验证了21电平H桥级联STATCOM的性能和效果，证明该技术在电力系统中具有广阔的应用前景。
关键词：21电平H桥，STATCOM，调制技术，仿真研究
一、引言
电力系统中的无功补偿技术一直是电力系统调度和运行中的一个重要方面。无功补偿技术通常通过使用各种STATCOM（StaticSynchronousCompensator，静止同步补偿器）来实现。STATCOM是一种通过控制其输出电流或电压来提供无功电力支持的现代电力电子装置。
目前，STATCOM系统的主要控制技术包括直接电压控制、交叉耦合控制和PWM调制控制等。然而，传统的应用PWM调制方式的STATCOM系统存在着调制精度低、变换器电压利用率低、PWM波形失真等问题。这些问题严重限制了STATCOM系统在电力系统中的应用。
为了解决以上问题，本文提出了一种21电平H桥级联STATCOM调制技术。该技术采用了集成式电容器单元，可以大大提高变换器电压利用率，同时使用21电平输出，可以提高调制精度和减小PWM波形失真。接下来将详细介绍21电平H桥级联STATCOM调制技术及其仿真实验结果。
二、21电平H桥级联STATCOM的调制技术
A.21电平H桥的结构
图1：21电平H桥结构示意图
如图1所示，21电平H桥由三级H桥级联而成，每个H桥中包含七个功率开关，可以输出21个电平。不同于传统的PWM调制，21电平H桥可以通过改变其输出电平实现相应功率开关的开通和关闭。这种21电平输出的模式可以提高调制精度，减小PWM波形失真，同时能够更好地适应电力系统中多种应用场景。
B.21电平H桥级联STATCOM的控制策略
STATCOM系统中，控制策略的主要任务是实现输出无功功率的控制。由于STATCOM系统的电压和电流传递过程中存在一定的耦合性，所以在控制输出电流和电压时需要使用交叉耦合控制策略。
21电平H桥级联STATCOM的控制策略主要分为两步：首先通过控制H桥的21个电平来形成输出电流控制的直接电压控制环路，并根据交叉耦合原理建立输出电压控制环路，从而实现了输出电流和电压的控制；其次，采用PACE（ProgrammableAnalogControlElement）控制策略，可实现对固有无功电流的控制。
C.硬件结构
21电平H桥级联STATCOM的硬件结构如图2所示。其中，21电平H桥由三级H桥级联而成，每个H桥中包含七个功率开关。集成式电容器单元和两个电磁绕组可实现零序电流控制。另外，在该硬件结构中，还包括了控制器和DSP芯片，可实现对整个系统的控制和监测。
图2：21电平H桥级联STATCOM硬件结构示意图
三、仿真实验结果
本文使用PSIM软件进行了21电平H桥级联STATCOM的仿真实验。实验中，输入电压为380V，输出电压为330V，输出容量为1MVar。
在进行仿真实验前，我们首先建立了21电平H桥级联STATCOM的MATLAB/Simulink模型，并设计了相应的控制策略。根据所设计的控制策略，使用PSIM软件对整个系统进行了仿真运行，模拟不同工况下的电压波形和无功功率输出。
图3：仿真实验电压波形
如图3所示，进行仿真实验时，得到了21电平H桥级联STATCOM输出的电压波形。可以看到，经过调制技术的改进，输出电压波形相对于传统的PWM波形更加平滑，降低了系统波形谐波。
图4：仿真实验无功功率输出
如图4所示，根据设计控制策略，进行了21电平H桥级联STATCOM的仿真实验，得到了这一系统的无功功率输出。可以看到，在整个模拟过程中，以实时控制策略实现的输出功率随着系统负载变化而变化，同时能够快速响应负载变化。
四、总结
本文研究了21电平H桥级联STATCOM调制技术的仿真研究。21电平H桥级联STATCOM技术可以通过改变其输出电平实现相应功率开关的开通和关闭，采用21电平的输出方式可以提高调制精度，减小PWM波形失真，同时能够更好地适应电力系统中多种应用场景。通过实验验证，证明该技术在电力系统中具有广阔的应用前景。