基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償裝置

王　靚，任洪強，陳國宇，王寶安

（1.揚州供電公司，江蘇揚州225009；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償裝置

王靚1，任洪強2，陳國宇2，王寶安2

（1.揚州供電公司，江蘇揚州225009；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

針對傳統(tǒng)三相四線制三相半橋電壓型脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流器在補償無功、諧波、基波負序和零序電流方面，其輸出電壓電平數(shù)受到限制，導(dǎo)致最終的補償效果不夠理想；星型鏈?zhǔn)郊壜?lián)H橋多電平雖然能夠提高換流器的輸出電壓的電平數(shù)，但是該拓撲結(jié)構(gòu)的換流器對基波負序電流的補償能力有限；三角形鏈?zhǔn)郊壜?lián)H橋多電平雖然能夠提高對基波負序的補償能力，但是該拓撲結(jié)構(gòu)的換流器不能應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)。為此，提出了一種基于模塊化多電平換流器（MMC）的三相四線制電能質(zhì)量補償方案。MMC以其模塊化的特點，理論上其輸出電壓電平數(shù)可以擴展到任意值，達到優(yōu)化補償效果的目的，并且其可用于三相四線制系統(tǒng)的電能質(zhì)量補償。通過PSCAD/EMTDC平臺搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明：利用MMC可以對三相四線制系統(tǒng)中的無功、諧波、基波負序和零序電流分量進行補償，且補償效果良好。

模塊化多電平換流器；電能質(zhì)量補償；三相四線制系統(tǒng)；直流側(cè)電容穩(wěn)壓與均壓

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中大量非線性負載和電力電子裝置的普遍使用，使得大量的諧波電流和無功電流注入電網(wǎng)，可能引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使得諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備毀壞［1，2］。目前我國的供電系統(tǒng)絕大部分都采用三相四線制系統(tǒng)即存在中線，因而三相電流之和不為零，各種單相負載的接入勢必會導(dǎo)致三相四線制系統(tǒng)的不對稱運行［3］。

針對三相四線制系統(tǒng)存在無功、諧波、基波負序和零序電流分量的情況，大量文獻對其進行分析并提出了相應(yīng)的解決方案。文獻［4］介紹了一種基于級聯(lián)H橋換流器的諧波抑制和無功補償一體化裝置的控制與調(diào)制，其將有源濾波器（APF）和靜止同步補償器（STATCOM）功能結(jié)合起來，同時實現(xiàn)無功補償和諧波抑制，但是該拓撲結(jié)構(gòu)并不能應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)，且其對補償負載的不平衡電流能力有限。文獻［5］針對不對稱三相四線制系統(tǒng)中零序電流的補償，提出采用三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器來濾除其中的零序電流，提出了一種不經(jīng)過坐標(biāo)變換的滯環(huán)控制法，但是該文獻所述換流器的輸出電壓的電平數(shù)受到限制，導(dǎo)致其最終的補償效果并不理想。文獻［6］對應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)的模塊化多電平換流器（MMC）的拓撲結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型進行了詳細分析，并給出了MMC應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)綜合補償時的指令電流的提取方法，但該控制方法局限于三相三線制系統(tǒng)。所以研究基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償對三相四線制系統(tǒng)中存在的無功、諧波、基波負序、和零序電流進行補償有著重要意義［7］。文中將MMC應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)的電能質(zhì)量補償中，對其電路結(jié)構(gòu)進行分析，仿真驗證得到了較好的補償效果，證明了MMC用于三相四線制系統(tǒng)補償?shù)挠行约皟?yōu)越性。

1　主電路拓撲與工作原理

1.1主電路拓撲

基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償裝置的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。MMC換流器共有6個橋臂，每個橋臂由N個子模塊（SM）和一個橋臂電抗器Larm串聯(lián)組成，三相四線制系統(tǒng)的中性線連接到MMC換流器直流側(cè)電容C1和C2的中點，ZA，ZB，ZC分別表示A、B、C相的系統(tǒng)阻抗。

圖1基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償裝置的拓撲結(jié)構(gòu)

MMC換流器子模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，子模塊由1個電容和2個帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成。設(shè)子模塊的電容電壓為Vc，輸出電壓為Vx。無論橋臂電流的方向如何，子模塊輸出電壓Vx都在Vc和0之間切換。當(dāng)T2導(dǎo)通，T1關(guān)斷時，Vx= 0；當(dāng)T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷時，Vx=Vc。每相都有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MMC換流器交流側(cè)輸出預(yù)期的交流電壓。

圖2 MMC換流器子模塊拓撲結(jié)構(gòu)

1.2工作原理

基于MMC換流器的三相四線制電能質(zhì)量補償工作原理是首先檢測補償對象的電流，分離出其中的無功、諧波、基波負序和零序電流，控制MMC換流器產(chǎn)生與上述參考電流大小相等、極性相反的補償電流，于是達到消除電網(wǎng)中的無功、諧波、基波負序和零序電流的目的。若參考電流irefz（z=a，b，c）中含有零序電流，則基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)的輸出電流icomz（z=a，b，c）將流過中性線，因而MMC換流器每相輸出電流都會流過電容C1或C2，然后再返回中性線，且該電流的流向是雙向的。

2　基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償裝置的控制策略

基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償裝置的控制策略主要包括指令電流計算、電流跟蹤控制、直流電壓控制和調(diào)制策略，整體控制如圖3所示。首先根據(jù)負載電流、直流側(cè)電容電壓和直流側(cè)參考電壓計算出三相指令電流；然后將三相指令電流與三相逆變器出口電流經(jīng)過比例積分（PI）控制器，得到指令電壓，最后將得到的指令電壓再加上子模塊穩(wěn)壓及均壓指令送給脈寬調(diào)制（PWM）產(chǎn)生電路產(chǎn)生IGBT驅(qū)動信號。

圖3基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償裝置的整體控制

2.1指令電流計算

MMC指令電流檢測內(nèi)容主要包括無功、諧波、基波負序和零序電流。文中設(shè)計的三相四線制MMC換流器的檢測系統(tǒng)原理如圖4所示。檢測系統(tǒng)以id-iq檢測方法為基礎(chǔ)，取三相負載電流信號為iLA，iLB，iLC，由于零序電流分量i0=iLA+iLB+iLC，因此該三相負載電流分別減去1/3i0即得不含零序的電流值，再經(jīng)過dq變換，轉(zhuǎn)換為瞬時有功電流和無功電流：

圖4 MMC換流器指令電流檢測原理

將得到的有功電流分量經(jīng)過低通濾波器得到有功直流分量，最后將其進行反變換得出基波正序分量，再與負載電流相減得出除基波正序分量以外的無功、諧波、基波負序和零序電流的總和。

基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)的綜合補償相比于目前應(yīng)用在三相三線制的系統(tǒng)來說，必須考慮MMC直流側(cè)上下電容總的穩(wěn)壓和均壓，而MMC換流器直流側(cè)總電壓的穩(wěn)壓控制策略采用有功分量注入的方法實現(xiàn)穩(wěn)壓，其控制如圖5所示。

圖5 MMC換流器直流側(cè)總電壓穩(wěn)壓的控制

另外，考慮到實際電容的容值和功率損耗的不同，需采取均壓策略對該MMC換流器的直流側(cè)2個電容的電壓進行調(diào)節(jié)，保證兩者的電壓相同。文中采取的策略是取2個電容電壓之和的瞬時值Udcsum的一半與其中的某一個電容電壓瞬時值Udcup或Udcdown作差，然后將差值信號經(jīng)PI控制器得到控制信號，再將該控制信號以零序分量的形式注入到三相調(diào)制波中，即可使得直流側(cè)2個電容電壓保持相同，且為指令電壓的一半。其控制如圖6所示。最后將上述的指令電流進行合成，得到MMC換流器的指令電流，如圖7所示。

圖6 MMC換流器直流側(cè)電容均壓的控制

圖7 MMC換流器的指令電流合成

2.2 MMC子模塊直流電壓穩(wěn)壓與均壓策略

當(dāng)系統(tǒng)運行時，子模塊中的電容在不斷地充電與放電。若不加以控制，子模塊電容電壓偏離較大，影響系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。文中選擇基于分級控制的均壓策略，該策略將子模塊電容均壓分為相間電壓均衡控制和各個子模塊電容電壓均衡控制。

（1）相間電容電壓均衡控制。該控制的作用是保證每個相單元中所有子模塊電容電壓的平均值跟蹤其額定電壓值，從而保證能量在三相單元中均勻分配?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8相間電容均壓控制

（2）子模塊電容電壓均衡控制。該控制的目的是使每個橋臂上所有子模塊的電容電壓跟隨其參考值。其控制如圖9所示。

圖9子模塊電容電壓均衡控制

2.3 MMC的調(diào)制策略

采用前節(jié)所述的指令電流檢測方法，檢測出需要補償?shù)碾娏?，然后將補償電流與MMC換流器出口電流作差，并將差值信號通過PI控制器，加上子模塊穩(wěn)壓和均壓指令得到每個子模塊的最終指令電壓，再與載波三角波進行對比得到開關(guān)控制信號。文中采用的調(diào)制策略是載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（CPSSPWM）［8］。在MMC中，為保證每相每時刻都有N個子模塊導(dǎo)通，上、下橋臂的調(diào)制波相位差為π，每個橋臂內(nèi)相鄰模塊的載波依次移相360°/N，對子模塊進行調(diào)制，通過對每相子模塊輸出的電壓疊加得到多電平輸出波形。為了使得MMC每相輸出2N+1電平，當(dāng)每個橋臂子模塊的個數(shù)為奇數(shù)時，上、下橋臂的每個子模塊之間相位依次相差2π/N，并且上、下橋臂對應(yīng)的子模塊的載波相位相差π/N；當(dāng)每個橋臂子模塊的個數(shù)為偶數(shù)時，上、下橋臂的每個子模塊之間相位依次相差2π/N，上、下橋臂對應(yīng)的子模塊的載波無相位差。通過該方法可以保證MMC換流器的輸出電壓電平數(shù)的增多，從而改善MMC逆變器的補償效果。

3　仿真實驗

系統(tǒng)參數(shù)：MMC每個橋臂由4個子模塊組成，直流側(cè)電容額定電壓為720 V，直流側(cè)上、下電容容值分別為10-2F和2×10-2F，子模塊直流側(cè)額定電壓為180 V，子模塊直流側(cè)電容容值為6×10-3F，橋臂連接電感L為2×10-3H，系統(tǒng)電阻為10-2Ω，系統(tǒng)電感為10-5H，主電路開關(guān)為理想開關(guān)與二極管反向并聯(lián)，其開關(guān)頻率為2×103Hz。

負載參數(shù)：A、B相之間并有25 Ω的電阻，C相和N之間并聯(lián)了25 Ω的電阻，同時在A、B、C三相接有三相整流橋，其直流側(cè)由25 Ω的電阻和1.2 mF的電容并聯(lián)然后再與6×10-4H的電抗器相串聯(lián)而成。

圖10為采用2n+1調(diào)制方式A相輸出相電壓波形，從中可以看出A相輸出相電壓為9電平，電平數(shù)相對于三相半橋PWM整流器提高了很多。

圖10 A相輸出相電壓波形

圖11為基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)補償前網(wǎng)側(cè)A相電壓、A相負載電流波形。可見，基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)投入前，由于負載中有整流橋、電容、電感和電阻等因素的影響，導(dǎo)致其A相網(wǎng)側(cè)電壓與A相負載電流波形的相位有一定的偏移，且其功率因數(shù)為0.895 7。另外，由于整流橋引入，導(dǎo)致A相負載電流含有諧波分量，其總諧波畸變率（THD）為47.217%。

圖12為A、B、C三相負載電流，從圖中可以看出，三相負載電流不對稱，其不平衡度為15.425 6%?？梢缘贸觯捎贏、B相之間和C相、N之間均并有電阻導(dǎo)致三相負載中含有一定的不平衡電流。

圖13為補償后的網(wǎng)側(cè)A相電壓和A相電流，從

圖中可以看出，A相電壓和A相電流基本同相位，其功率因數(shù)為0.986 2，并且A相網(wǎng)側(cè)電流逼近正弦波形，其THD為4.620 9%。

圖11三相四線制系統(tǒng)補償前網(wǎng)側(cè)A相電壓和A相負載電流波形

圖12 A、B、C三相負載電流

圖13補償后的網(wǎng)側(cè)A相電壓和A相電流

圖14為補償后的網(wǎng)側(cè)三相電流波形，從圖中可以看出，三相網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦波，并且網(wǎng)側(cè)三相電流波形是對稱的三相電流波形，其不平衡度為3.054 8%。

圖14補償后的網(wǎng)側(cè)三相電流波形

圖15為MMC換流器直流側(cè)上下2個電容的電壓波形，從中可以看出，二者的電壓波形幾乎相同，二者的電壓穩(wěn)定在360 V左右。所以基于零序分量注入的方法，可以實現(xiàn)了MMC換流器直流側(cè)電容均壓的目的。

圖15 MMC換流器直流側(cè)上下2個電容的電壓波形

4　結(jié)束語

針對基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補償進行研究，將MMC換流器從三相三線運用到三相四線制系統(tǒng)中，解決了傳統(tǒng)三相四線制三相半橋PWM整流器輸出電平數(shù)較少，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流波形差（特別是當(dāng)電流較小時）的問題。針對MMC直流側(cè)上、下電容因參數(shù)的不同，可能導(dǎo)致其中某一電容兩端電壓過高的問題，采用了零序分量注入的方法，保證MMC直流側(cè)上、下電容電壓均衡，避免了其中某一個電容因為電壓過大，造成故障。還給出負載電流中的無功、諧波、基波負序和零序電流的提取方法并進行了分析，同時給出了具體的控制框圖。

［1］楊 帆，李曉明，鄭秀玉，等.電力系統(tǒng)分數(shù)次諧波的產(chǎn)生機理、危害與特征［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（12）：153-156.

［2］王兆安，楊 君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992：220-320.

［3］潘 浩，謝運祥.三相四線制SAPF在不平衡負載下的補償特性［J］.電力電子技術(shù)，2015，49（5）：99-101.

［4］林志勇，江道灼，周月賓，等.基于級聯(lián)H橋換流器的 APFSTATCOM的控制與調(diào)制［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42 （7）：91-96.

［5］周 林，秦 梅，易 強，等.三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器［J］.重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000，23（6）：95-99.

［6］連霄壤.模塊化多電平STATCOM控制策略研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

［7］熊橋坡，羅 安，馬伏軍.模塊化多電平SVG負序補償容量比較［J］.中國電機學(xué)報，2014，34（24）：4049-4056.

［8］黃 華，周波達，費建平，等.基于根軌跡法的鏈?zhǔn)絊TATCOM比例諧振電流控制器設(shè)計［J］.江蘇電機程，2015，34（2）：1-9.

A Compensation Device of Power Quality in Three-phase Four-wire System Based on Modular Multi-level Inverter

WANG Liang1，REN Hongqiang2，CHEN Guoyu2，WANG Baoan2
（1.Yangzhou Power Supply Company，Yangzhou 225009，China；2.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The traditional three-phase four-wire three-phase half-bridge PWM voltage rectifier is widely used in compensating reactive power，harmonic，fundamental negative and zero sequence current.However，it has many problems:the number of its output level is limited，which may affect the eventual effect of compensation；cascaded H-bridge with star structure can increase the number of its output voltage level，but its ability to compensate the fundamental negative sequence current is limited；Cascade H with triangle structure can increase the ability to compensate fundamental negative sequence current，but it cannot be applied in the three-phase four-wire system.This paper develops a compensation device of power quality in the three-phase four-wire system based on modular multi-level inverter.In theory，the number of output voltage level of modular multi-level inverter can be extended to any value due to the modular nature.This character can optimize the compensation effect and let modular multi-level inverter suitable for the three-phase four-wire system.The simulation models of modular multi-level inverter are built in PSCAD/EMTDC platform.The simulation results show that modular multi-level inverter can compensate reactive power，harmonic，fundamental negative and zero sequence current for the three-phase four-wire system. Key words：modular multi-level converter；power quality comprehensive compensation；three-phase four-wire system；DC capacitor voltage's uniformity

TM761

A

1009-0665（2016）01-0057-04

2015-09-01；

2015-10-13
國家電網(wǎng)科技項目（J2015084）

王靚（1986），男，江蘇揚州人，工程師，從事無功電壓電能質(zhì)量管理等方面工作；

任洪強（1990），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

陳國宇（1990），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

王寶安（1978），男，江蘇揚州人，副教授，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。