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(tǒng)的快速發(fā)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(fā)展。傳統(tǒng)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(lián)，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(tǒng)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(yōu)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(fā)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(tài)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(wěn)態(tài)和動態(tài)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(lián)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(tài)，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(tài)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(tǒng)向M-STATCOM輸送有功；當Id為負時，M-STATCOM向系統(tǒng)反饋有功。當Iq為正時，MSTATCOM發(fā)出超前的無功；當Iq為負時，M-STATCOM發(fā)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(fā)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(huán)控制，但是其動態(tài)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(huán)控制，使變流器網側動態(tài)、靜態(tài)性能得到了提高，同時使網側電流控制對系統(tǒng)參數不敏感，增強了電流控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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?yōu)?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?yōu)槿菪?，電源側電壓由偏低變?yōu)槠?，電源側電流由滯后電壓變?yōu)槌半妷?；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(tǒng)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(tài)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(tǒng)。數值仿真結果表明，本文提出的控制策略正確且有效。

[1]劉文華，宋強，滕樂天，等.基于集成門極換向晶閘管與鏈式逆變器的±50Mvar靜止同步補償器[J].中國電機工程學報，2008，28（15）：55-60.

[2]MARQUARDT R，LESNICAR A，HILDINGER J.Modulares strom-richterkonzept fur netzkupplungsanwendung bei hohen spannungen[C].ETG-Fachtagung,Bad Nauheim，Germany，2002.

[3]PIROUZ H M，BINA M T.A new transformerless mediumvoltage STATCOM based on half-brideg cascaded converters[C].1st Power Electronic&Driver Systerms&Technologies Conference，2010.

[4]LESNICAR A，MARQUARDT R.An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[C].IEEE 2003 PowerTech Conference，Bologna，2003.

[5]ROHNER S，BERNET S，HILLER M，et al.Modulation，losses，and semiconductor requirements of modular multilevel converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(8)：2633-2642.

[6]HIROFUMI A，HIROKAZU W E，MAURICIO A.Instantaneous power theory and applicationsto power conditioning[M].Hoboken：JohnWiley&Sons，Inc.，2007.

[7]楊曉峰，孫浩，支剛，等.雙星型模塊組合型多電平變換器的 PWM控制策略[J].電力電子，2010(2)：14-19.

[8]章勇高，康勇，劉黎明，等.靜止同步補償器的雙環(huán)控制系統(tǒng)設計[J].電力自動化設備，2006，26(10)：62-66.

[9]SUMI Y，HARUMOTO Y，HASEGAWA T.New static var controlusing force-commutated inverters[C].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1981.

[10]CARRARA G，GARDELLA S，MARCHESONI M.A new multilevel PWM method：a theoretical analysis[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1992，7(3)：497-505.