（国网上海市区供电公司 上海 200093）
摘要：近年来，国际上出现了一种新型的无功补偿装置MERS。该装置结构简单，运用一些基本的控制方法即可实现连续可调的无功功率补偿，已在串联补偿应用中得到证明。MERS串联在电源和负载之间，通过控制其等效电容和负载感抗在基波频率上的串联谐振，来提高电源的功率因数。本文提出一种新型的静止无功补偿器。首先提出了HALF-MERS并联补偿时的控制方法，建立了并联补偿时HALF-MERS的数学模型，进一步基于该数学模型对并联型HALF-MERS进行了性能分析，并进行了实验验证。
关键词：HALF-MERS；新型；静止无功补偿器
一、并联型MERS
如图1所示半桥式MERS与全桥式MERS可提供的无功功率补偿量范围相当，而半桥式MERS只有2个IGBT，结构上比全桥式MERS简单，且半导体损失只有全桥式MERS的一半。
二、HALF-MERS控制方法
由于电容电压不能突变，HALF-MERS可以工作在不连续模式和平衡模式。根据相位角的不同，图2为HALF-MERS在不连续模式下的工作波形图。
以电源电压Uδ。向上的过零点开始，再经过时间δ(2πf)后（f为电源的频率，δ为Us与开关管V2驱动信号UgV2的相位差），给开关管V1施加关断信号，V2施加导通信号，考虑到电流方向，V1，V2均不导通，此时电路工作在图3c状态，电容充电；当Uδ达到最大值后，即电感电流i方向改变，考虑到电容电压Uc，此时电路工作在图3f状态，电容放电；在电容完全放电后，由于Uc降为零，此时V2导通，i流过V2和V1的反并联二极管，此时电路工作在图3e状态，电容被旁路。在Uδ向下的过零点开始，再经过δ(2πf)后，给V1施加导通信号，V2施加关断信号，考虑到电流方向，V1，V2均不导通，此时电路工作在图3d状态．电容充电；当Uδ达到最小值后，即i方向改变，考虑到Uc，此时电路工作在图3a状态，电容放电；在电容完全放电后，由于Uc降为零，V1导通，i流过V1和V2的反并联二极管，此时电路工作在图3b状态，电容被旁路，此过程不断循环。
设δ=0，HALF-MERS工作在平衡模式，该模式下电容完全接入电路，HALF-MERS等效容抗XMERS=Xc，HALF-MERS相当于一个LC电路，HALF-MERS的电压和电流波形均为正弦波，该模式下HALF-MERS可提供的无功功率Qhlance=Uδ2/（XC-XL），Xc和XL分别为电容和电感的阻抗值。HALF-MERS工作在不连续模式下，电容被部分旁路，每个周期中电容电压存在一段为零的时间，O<XMERS<XC。因此HALF-MERS在不连续模式下可提供比平衡模式下更大的无功功率，所提供的无功功率的大小可通过控制δ的大小来调节。
三、HALF-MERS的数学模型
为了预测HALF-MERS的工作波形和分析其工作性能，进而优化HALF-MERS的设计方法，此处将建立HALF-MERS的数学模型。在一个周期中，HALF-MERS工作在充电、放电和旁路状态下。HALF-MERS工作在充放电过程时，可得： (1)
式中：U为电源电压有效值； =2πf可，f为电源电压频率；L为电感值；C为电容值。
图4为δ=0o，30o时由HALF-MERS数学模型得到的波形图。计算参数为：Uδ=50V，f=50Hz，C=50μF，L=40mH，平衡态补偿量约为49var。图4a中Uδ，UC和i均为正弦波，HALF-MERS工作在平衡模式；图4b中UC存在一段值为零的时间，即电容被旁路,HALF-MERS工作在不连续模式。
四、实验验证
为验证所提控制方法及HALF-MERS数学模型的正确性，搭建了HALF-MERS实验平台。采用TMS320F2812作为控制器实现HALF-MERS的相位控制，开关器件为FGA25N120ANTD型IGBT，Uδ=50V，C=50μF，L=40mH。图5为δ=0o，30o时HALF-MERS实验工作波形。比较图4与图5，实验结果与理论计算结果一致。
五、HALF-MERS性能分析
HALF-MERS以较小的内置电容实现了较大功率的无功补偿，而电容器的耐压值限制了其工作范围。此外，注入电感电流的总谐波畸变率THDi也必须限定在一定范围内。为此，在HALF-MERS数学模型的基础上，分析δ，XL/XC与HALF-MERS在某一δ下产生的无功功率Qδ之间的关系；进一步分析δ，XL/XC对电容峰值电压UCpeak双THDi的影响，得出XL/XC的合理取值。
图6为XL/XC取不同值时，HALF-MERS提供的无功功率比值Qδ/Qbal与δ的关系曲线。对任一XL/XC，δ较小时，Qδ/Qbal基本随δ的增大而线性增加；δ较大时，Qδ/Qbal随着δ的增大而急剧增加；而在某一δ下，XL/XC越大，Qδ/Qbal越大。由图可知，通过调节δ的大小，可实现远大于Qbal的无功补偿量，这表明HALF-MERS能以较小的内置电容实现较大功率的无功补偿。
由HALF-MERS的数学模型可计算得出δ，XL/XC与UCpeak，THDi之间的关系。图7a表明：①XL/XC一定时，UCpeak随δ的增大而增大；②对于某一固定的δ值，XL/XC越大，所产生的UCpeak也越大，即电容器和开关器件所需承受的电压值也越大。图7b表明：①XL/XC取一定值时，THDi先随δ的增大而增大，当δ达到一定值时，THDi随δ的增大而缓慢减小；②对于某一固定的δ值，XL/XC越大，所产生的THDi越小。图8为实验结果。
结论
实验得到的电流波形中，交直电流分量一个保持恒定，另一个发生与给定相应的变化，证明两个量直接不存在耦合，可分别独立控制励磁和转矩。实验波形与仿真波形基本相符，证明了所提控制系统的可行性和有效性。
参考文献
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1，施继栋（1987.2-），男，上海人，上海交通大学电气工程及其自动化学士，助理工程师
2，祁杰（1986.7-），男，上海人，上海电力学院电气工程及其自动化学士，助理工程师
3，汤敏（1990.4-），女，上海人，上海电力学院电力工程与管理学士，助理工程师
论文作者:施继栋,祁杰,汤敏
论文发表刊物:《电力设备》2016年第6期
论文发表时间:2016/6/19
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