基于模塊組合多電平變流器的STATCOM研究

宋忠友，高 晉，王瑞妙，陳 濤，徐瑞林

（國網重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 401123）

近年來，隨著電力系統的快速發展，各種新型FACTS裝置不斷出現，STATCOM也不斷向著高壓大功率方向發展。傳統的采用低電平數目的電壓源變流器，由于控制簡單、成本較低得到了大量應用，但是其電平數低，輸出電壓電流諧波大，增加了濾波器的的設計難度和成本[1-2]。多電平變流器的提出很好地解決了上述問題，通過子模塊的級聯，使輸出電壓逼近正弦波，大大降低了諧波；模塊化的設計便于擴展和實現冗余控制，可以更靈活地適應不同的電壓等級；靈活的控制策略省去了笨重的耦合變壓器，降低了系統成本[3]。2002年，MARQUARDT R首次提出模塊化多電平變流器(MMC)的概念[4]，因其具有諸多優點成為學者們研究的熱點，被視為下一代高壓大功率變流器發展的方向。參考文獻[5]提出了MMC的基本結構和工作原理，參考文獻[6]闡述了MMC在高壓直流輸電領域中的應用。

本文首先分析了M-STATCOM的結構和工作原理，然后根據無功補償的要求建立了M-STATCOM的動態數學模型，提出了直接電流控制技術和電容均壓策略。在Matlab/Simulink中建了10 kV M-STATCOM仿真模型，仿真結果表明本文所提出的控制策略具有良好的穩態和動態控制效果，達到了預期效果。

1 基于MMC的STATCOM

1.1 M-STATCOM的拓撲結構

M-STATCOM的拓撲結構如圖1所示。Ls是耦合電感，Rs是電抗的等效電阻。MMC每相由上下2個橋臂組成，每個橋臂由n個子模塊和1個電感構成。子模塊是MMC的基本組成單元，由1個電容和2個帶有反并聯二極管的IGBT組成。

設子模塊電容電壓為 Vc，輸出電壓為 Vx。不論橋臂電流的方向如何，輸出電壓Vx都會在Vc和0兩個值之間切換。 當 IGBT S1導通(S2關斷)時，Vx=Vc；當IGBT S2導通(S1關斷)時，Vx=0。如果兩個 IGBT都關斷，它們將承受電容電壓Vc。每相有n個模塊同時工作，其余n個模塊被旁路，通過改變上下橋臂子模塊的工作狀態，就可以使交流側輸出逼近正弦波的交流電壓。

圖1 M-STATCOM拓撲結構

2 M-STATCOM的控制策略

2.1 M-STATCOM動態模型

由M-STATCOM的等效電路可知：

設電源電壓為對稱的正弦波，其表達式如下：

在dq0坐標系中：

其中：

根據瞬時無功功率理論[7]，M-STATCOM消耗的有功功率ps和無功功率qs滿足：

其中Id、Iq分別是M-STATCOM的有功電流和無功電流。

所以通過控制 Id、Iq就可以分別控制 M-STATCOM與電源交換的有功和無功，即實現了有功和無功的解耦控制。當Id為正時，系統向M-STATCOM輸送有功；當Id為負時，M-STATCOM向系統反饋有功。當Iq為正時，MSTATCOM發出超前的無功；當Iq為負時，M-STATCOM發出滯后的無功。

2.2 M-STATCOM均壓策略

M-STATCOM與普通STATCOM相比，省去了直流側的大電容，取而代之的是各個模塊都有一個懸浮電容，由于各個模塊的開關損耗差異、電容損耗差異以及驅動脈沖微小的差異等原因，會造成各個電容電壓之間存在差異，因此，保證各個電容電壓都在一定范圍內是MMC正常工作的關鍵。

本文采用基于排序的電容均壓算法。在每一個PWM周期內，測量所有的模塊電容電壓并按照從大到小的順序進行排列，然后根據橋臂電流方向和應該導通的模塊數，決定要投入的模塊。具體方法是：如果橋臂電流為正，則觸發導通電容電壓最低的k個模塊，其余的模塊關閉；如果橋臂電流為負，則導通電容電壓最高的s個模塊，其余的模塊關閉。如圖2所示，假設上橋臂導通的模塊數等于2，下橋臂導通的模塊數等于3，此時上下橋臂的電流方向分別為 iz1（t）＞0， iz1（t）＜0。 根據排序算法的原理可知，此時上橋臂的模塊SM=3和SM=5應該投入，下橋臂的模塊SM=7、SM=8和SM=9應該投入。通過均壓算法，達到了電容均壓的目的。

圖2 電容均壓策略示意圖

2.3 M-STATCOM直接電流控制策略

變流器電流控制技術可分為間接電流控制和直接電流控制。雖然間接電流控制不需要交流電流傳感器構成電流閉環控制，但是其動態響應慢而且對參數敏感[8-10]。直接電流控制由于采用網側電流閉環控制，使變流器網側動態、靜態性能得到了提高，同時使網側電流控制對系統參數不敏感，增強了電流控制系統的魯棒性。為了提高M-STATCOM的響應速度，本文采用固定開關頻率PWM直接電流控制技術，其原理如圖3所示。UT為三角載波幅值，i為M-STATCOM的輸出電流。

圖3 STATCOM直接電流控制框圖

3 仿真及結果分析

為了驗證本文提出的M-STATCOM控制策略的正確性，在Matlab/Simulink中搭建了10 kV仿真模型，系統用等值電源表示。仿真參數如下：電源電壓10 kV，基準容量 100 MVA，電源阻抗 X/R=7，頻率為 50 Hz；連接電感Ls=10 mH；MMC每相28個模塊，上、下橋臂各 14個；限流電感L=2 mH，模塊電容C=4 700μF，電容電壓設定為1 500 V。為了驗證M-STATCOM的動態補償效果，負載為可變負載，負載有功功率恒為6 MW，無功功率在0.1 s時由6 MW突變為-3 MW。

圖4(a)、圖 4(b)分別為 M-STATCOM補償前和補償后的電源側電壓電流波形?？梢?，M-STATCOM投入前，由于負載從感性變為容性，電源側電壓由偏低變為偏高，電源側電流由滯后電壓變為超前電壓；M-STATCOM投入后，由于補償了負載無功電流，電源側電壓始終保持在正常值范圍內，電源側電流的相位始終和電壓相位相同。

圖4 電源側電壓電流

圖5為M-STATCOM交流側輸出電壓電流波形，0.1 s之前M-STATCOM工作在容性工況，輸出電壓有效值大于電網電壓，輸出電流超前電壓 90°；0.1 s之后MSTATCOM工作在感性工況，輸出電壓有效值小于電網電壓，輸出電流滯后系統電壓90°。

圖5 M-STATCOM交流側電壓電流

圖6為M-STATCOM一個橋臂電容電壓波形，由圖可見，各個電容電壓基本在一條軌跡上，說明本文的均壓策略是有效的。

圖6 M-STATCOM電容電壓

本文首先分析了M-STATCOM的拓撲結構和工作原理，然后建立了M-STATCOM的動態模型，提出了一種電容均壓策略，設計了基于直接電流控制策略的MSTATCOM控制系統。數值仿真結果表明，本文提出的控制策略正確且有效。

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