基于改進(jìn)MMC的靜止無(wú)功發(fā)生器

朱亮亮，陳潔，王小軍，段生強(qiáng)，鄭凱凱，楊國(guó)

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830046；2. 國(guó)網(wǎng)新疆克州供電公司，新疆 克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?845350)

0 引言

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)通過(guò)將若干個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)低壓開(kāi)關(guān)器件在高壓等級(jí)的使用，在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)需求對(duì)級(jí)聯(lián)模塊的數(shù)量進(jìn)行改變以適應(yīng)不同電壓等級(jí)，在改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量以及提高系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定性的過(guò)程中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其中，級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)在中高壓無(wú)功補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用廣泛[1]，但由于大量使用功率開(kāi)關(guān)器件，導(dǎo)致成本偏高；傳統(tǒng)半橋MMC結(jié)構(gòu)也存在同樣的問(wèn)題。

目前關(guān)于MMC在STATCOM的應(yīng)用，研究的方向主要集中在直流側(cè)電壓均衡控制，無(wú)功補(bǔ)償控制及環(huán)流分析等方面。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)相與相、傳統(tǒng)MMC上橋臂與下橋臂、子模塊與子模塊之間的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并探討了影響電壓平衡的因素，在原有的三級(jí)能量平衡控制策略的基礎(chǔ)上增加了環(huán)流抑制部分，實(shí)現(xiàn)了電容電壓的平衡控制。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)分析了公共耦合點(diǎn)(point of common coupling, PCC)電壓調(diào)節(jié)原理，提出的下垂調(diào)節(jié)方法可不受電流內(nèi)環(huán)控制性能的影響，PCC電壓可在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。文獻(xiàn)[4]分析了MMC環(huán)流形成機(jī)理，并列出了環(huán)流、橋臂電流和公共直流側(cè)電流的數(shù)學(xué)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了通用的環(huán)流抑制策略。

本文提出了一種改進(jìn)的MMC拓?fù)洌瑑H使用傳統(tǒng)MMC的下半橋臂，并在級(jí)聯(lián)模塊上層增加一組H橋，該結(jié)構(gòu)在大量級(jí)聯(lián)時(shí)可降低IGBT使用數(shù)量，在使用相同數(shù)量的開(kāi)關(guān)器件時(shí)產(chǎn)生的電平數(shù)較級(jí)聯(lián)H橋更多，控制方法簡(jiǎn)單。對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在無(wú)功補(bǔ)償中應(yīng)用的可行性。

1 新型級(jí)聯(lián)靜止無(wú)功發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)傳統(tǒng)半橋MMC電路[2 - 5]進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)可對(duì)傳統(tǒng)半橋MMC電路進(jìn)行優(yōu)化，僅使用傳統(tǒng)MMC下半橋臂的結(jié)構(gòu)，并在上層增加H橋結(jié)構(gòu)，在不影響輸出的情況下，可以減少近一半的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量。同時(shí)沒(méi)有了上下橋臂之間的環(huán)流回路，因此控制策略也會(huì)有所不同。

下橋臂的級(jí)聯(lián)半橋模塊可通過(guò)開(kāi)斷IGBT實(shí)現(xiàn)由恒定直流向饅頭波的變換。在級(jí)聯(lián)模塊的上層增加H橋結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)DC/AC變換，由于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)多應(yīng)用在中高壓場(chǎng)景，因此選擇由含門(mén)級(jí)可關(guān)斷晶閘管(gate turn-off thyristor, GTO)組成H橋電路，新型級(jí)聯(lián)靜止無(wú)功發(fā)生器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)子模塊進(jìn)行擴(kuò)容。

圖1 傳統(tǒng)MMC結(jié)構(gòu)Fig.1 Traditional MMC structure

圖2 改進(jìn)MMC-STATCOM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Improved MMC-STATCOM topology

假定直流側(cè)電容電壓相等，即Ud1=Ud2=…=Udn=E，對(duì)應(yīng)的半橋模塊輸出電壓為U1、U2等，Ui可通過(guò)半橋結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)函數(shù)Mi來(lái)表示。

(1)

Ui=Mi×Udi

(2)

則：

(3)

式中Us為半橋級(jí)聯(lián)模塊的輸出電壓。

同理，A相模塊輸出電壓Ua可通過(guò)H橋結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)函數(shù)K來(lái)表示。

則有：Ua=K×Us。 此時(shí)可得到輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系如式(4)所示。

(4)

針對(duì)多電平結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治?，比較多電平變換器使用器件的數(shù)量[6]，本次對(duì)比選用較為常見(jiàn)的級(jí)聯(lián)H橋，傳統(tǒng)半橋MMC和改進(jìn)MMC-STATCOM進(jìn)行比較，各方案元器件使用數(shù)量對(duì)比如表1所示。

表1 各方案元器件使用數(shù)量對(duì)比表Tab.1 Comparison of the number of devices used in each program

由表1可知，在產(chǎn)生相同電平數(shù)的情況下，本文所提方案能夠節(jié)約功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)量，因電力電子器件價(jià)格較高，因此節(jié)約功率開(kāi)關(guān)器件，可節(jié)約成本。

為了使研究更具實(shí)際意義，給出級(jí)聯(lián)H橋與改進(jìn)MMC-STATCOM在各電壓等級(jí)下的詳細(xì)對(duì)比。為方便對(duì)比，選用耐壓值相同的開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，隨著電壓等級(jí)的增加，改進(jìn)MMC-STATCOM使用的開(kāi)關(guān)元件相對(duì)級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)越來(lái)越少?？梢?jiàn)中高壓場(chǎng)景中改進(jìn)MMC-STATCOM具有較大實(shí)用價(jià)值。

表2 級(jí)聯(lián)H橋與改進(jìn)MMC結(jié)構(gòu)對(duì)比表Tab.2 Comparison table of cascaded H bridge and improved MMC structure

2 改進(jìn)MMC-STATCOM的調(diào)制與控制策略

改進(jìn)MMC-STATCOM與傳統(tǒng)MMC半橋的結(jié)構(gòu)相似，對(duì)該結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析等工作已有較多研究，本文在此不再贅述，接下來(lái)將直接對(duì)調(diào)制與控制策略進(jìn)行敘述。

2.1 載波移相調(diào)制

載波移相正弦脈寬調(diào)制(carrier phase shifted sinusoidal pulse width modulation, CPS-SPWM)是在正弦脈寬調(diào)制的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的[7 - 9,14]，通過(guò)將載波互相錯(cuò)位相應(yīng)的角度，從而得到多電平的輸出電壓。

具體來(lái)看，在具有N個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)的改進(jìn)MMC-STATCOM結(jié)構(gòu)中，每個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)的載波錯(cuò)位π/N°，本結(jié)構(gòu)只有傳統(tǒng)半橋MMC的下橋臂，因此，調(diào)制波需要取絕對(duì)值，級(jí)聯(lián)模塊輸出的電壓為饅頭波，電平數(shù)為N+1，經(jīng)H橋結(jié)構(gòu)后，輸出電平數(shù)為2N+1。

載波移相調(diào)制過(guò)程圖見(jiàn)附錄A圖A1，如圖A1所示為N=5時(shí)，A相的載波移相調(diào)制過(guò)程。其中Vref為調(diào)制波；V1，V2，V3，V4，V5為對(duì)應(yīng)子模塊的輸出電壓；Vs為級(jí)聯(lián)半橋模塊輸出電壓；Va為H橋模塊輸出電壓。由圖中可以看出，級(jí)聯(lián)子模塊輸出為電壓為六電平饅頭波，經(jīng)H橋變換后，可得到原始調(diào)制波對(duì)應(yīng)的11電平電壓。

2.2 控制策略

改進(jìn)MMC-STATCOM結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)半橋MMC結(jié)構(gòu)雖然有所不同，但改進(jìn)MMC-STATCOM的控制策略方面仍然可以借鑒傳統(tǒng)半橋MMC結(jié)構(gòu)的控制策略[4,7 - 9]。本文主要敘述改進(jìn)MMC-SATCOM的直流側(cè)控制策略，其余模塊在本文中不再贅述。采用電流直接控制策略，以電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，直流側(cè)電容電壓為外環(huán)，直流側(cè)電容電壓平衡采用3層控制。第1層為電壓全局控制，通過(guò)計(jì)算與電網(wǎng)有功功率進(jìn)行交換，維持全局直流側(cè)平均電壓恒定；第2層為相間電容電壓控制，可使三相中每一相得直流側(cè)電壓之和與其他兩相均相等；第3層為相間電容電壓控制。

2.2.1 直流側(cè)電壓全局控制策略

直流側(cè)電壓全局控制是通過(guò)與電網(wǎng)進(jìn)行有功功率交換，保證改進(jìn)MMC-STATCOM的整體有功功率恒定，進(jìn)而使直流側(cè)平均電壓不變。該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)對(duì)所有半橋子模塊的直流側(cè)電壓求平均后與指令值做差，經(jīng)PI控制器后送入電流閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)改進(jìn)MMC-STATCOM從電網(wǎng)吸收有功功率的控制。

圖3 全局電壓控制Fig.3 Global voltage control

2.2.2 相間電容電壓平衡控制

全局電壓達(dá)到指令值后，由于每相之間存在的損耗不同，因此相與相之間仍然存在偏差[6 - 8]，因此還需采取相間電容電壓平衡控制。由于基波零序電壓與基波正序電流作用可產(chǎn)生不同的三相平均功率，所以可用于平衡相間直流側(cè)電壓。

設(shè)系統(tǒng)負(fù)載電流中不含基波負(fù)序成分，裝置的零序電壓與負(fù)載電流分別為：

Uz=Uz×sin(ωt+θz)

(5)

式中：Uz為零序電壓；θz為零序相位角。

(6)

式中：Ip為流入MMC-STATCOM的正序分量的幅值；φp為流入MMC-STATCOM的正序分量的相位。

則正序電流與基波零序電壓作用，產(chǎn)生的平均功率被改進(jìn)MMC-STATCOM吸收，功率為：

(7)

對(duì)式(7)進(jìn)行求解，可得到改進(jìn)MMC-STATCOM產(chǎn)生的零序電壓的幅值和相位，如式(8)—(9)所示。

(8)

(9)

將零序電壓疊加至每一相的調(diào)制電壓中，便可以起到修正指令電壓的作用，控制框圖如圖4所示。

圖4 相間電容電壓控制框圖Fig.4 Block diagram of phase-to-phase capacitor voltage control

圖4中，Uda_ave、Udb_ave分別為A、B相半橋子模塊直流側(cè)電壓的平均值，Ud_ave為所有半橋子模塊直流側(cè)電壓的平均值，Usabc為電網(wǎng)電壓，Ip、ψp為改進(jìn)MMC-STATCOM輸出電流的正序分量幅值與相位，Utabc為相間電容電壓控制輸出的參考電壓，將該部分疊加至對(duì)應(yīng)的調(diào)制電壓中，便能實(shí)現(xiàn)有功功率的平衡，即可保證各相直流側(cè)電壓平衡。

2.2.3 相內(nèi)電容電壓控制

由于各子模塊間的損耗也不同等問(wèn)題，會(huì)造成相內(nèi)各電容電壓不平衡，本文通過(guò)改變有功功率對(duì)電容電壓進(jìn)行調(diào)整[5,6,10 - 11]，采用有功功率矢量控制算法選定開(kāi)關(guān)狀態(tài)后，根據(jù)各模塊中電容電壓大小進(jìn)行選擇，相內(nèi)電壓平衡控制框圖如圖5所示。

圖5 相內(nèi)電容電壓控制圖Fig.5 Control diagram of capacitor voltage in phase

圖5中Ua_ave為A相各子模塊電容電壓的平均值，UAn為A相第n個(gè)子模塊電容電壓，IA為A相電流，Uta為經(jīng)過(guò)解耦控制與相間電壓控制疊加的調(diào)制波電壓，將二者疊加后可保證相內(nèi)各子模塊電容電壓平衡。

以A相為例，若子模塊電壓小于電容電壓平均值，則二者做差大于0，A相電流方向定義流入為大于0，則此時(shí)產(chǎn)生的有功電壓矢量為正，當(dāng)有功電壓矢量為正，則調(diào)制波變大，此時(shí)電容放電時(shí)間變短；相反，若電壓差小于0，有功矢量為負(fù)，則電容放電時(shí)間變長(zhǎng)。

由以上各部分，可組成改進(jìn)MMC-STATCOM的完整控制策略[12 - 15]，控制框圖見(jiàn)附錄圖A2。

4 仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步分析改進(jìn)MMC-STATCOM在無(wú)功補(bǔ)償下的電路結(jié)構(gòu)與控制策略的有效性，在Simulink中搭建了中壓仿真模型，系統(tǒng)工作在容性工況；為驗(yàn)證將控制策略應(yīng)用在改進(jìn)MMC-STATCOM拓?fù)湎碌挠行?，并與傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行了仿真分析。

通過(guò)仿真驗(yàn)證直流側(cè)電容均壓控制的有效性。將同樣的控制策略分別應(yīng)用在級(jí)聯(lián)H橋與改進(jìn)MMC-STATCOM上，對(duì)比使用的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量及輸出電流的諧波含量，驗(yàn)證改進(jìn)MMC-STATCOM的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)無(wú)功電流指令值與實(shí)際補(bǔ)償電流無(wú)功分量進(jìn)行對(duì)比，在0.1 s負(fù)載動(dòng)作，驗(yàn)證補(bǔ)償效果。電路參數(shù)如表3所示。

表3 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.3 System simulation parameters

相內(nèi)電容電壓和相間電容電壓分別如圖6—7所示。由圖6—7可知，在本文所提調(diào)制及控制策略下，改進(jìn)MMC-STATCOM結(jié)構(gòu)的直流側(cè)電容電壓能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，負(fù)載在0.1 s動(dòng)作時(shí)，電容電壓也能再次平衡，驗(yàn)證了本文所提調(diào)制及控制策略的有效性。

圖6 相內(nèi)電容電壓Fig.6 Capacitor voltage within a phase

圖7 相間電容電壓Fig.7 Capacitor voltage between phases

級(jí)聯(lián)H橋與改進(jìn)MMC-STATCOM使用相同的控制方式，補(bǔ)償電流的諧波含量如圖8—9所示。

圖8 級(jí)聯(lián)H橋補(bǔ)償電流諧波分析Fig.8 Harmonic wave analysis of cascaded H-bridge compensation current

圖9 改進(jìn)MMC-STATCOM補(bǔ)償電流諧波分析Fig.9 Harmonic analysis of improved MMC-STATCOM compensation current

通過(guò)諧波分析發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)MMC-STATCOM補(bǔ)償電流諧波含量相對(duì)較低，二者的總諧波畸變(Total harmonic distortion, THD)均小于2%。此時(shí)兩種結(jié)構(gòu)均使用了5個(gè)級(jí)聯(lián)模塊，其中級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)使用了60個(gè)開(kāi)關(guān)器件，而改進(jìn)MMC-STATCOM結(jié)構(gòu)僅使用了42個(gè)開(kāi)關(guān)器件。因此，在補(bǔ)償效果相似的情況下，使用改進(jìn)MMC-STATCOM更加節(jié)省開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量。

圖10 改進(jìn)MMC-STATCOM輸出電壓電流波形Fig.10 Output voltage and current waveform of improved MMC-STATCOM

圖11 無(wú)功電流指令值及補(bǔ)償電流無(wú)功分量Fig.11 Reactive current command value and compensation current reactive component

由圖11可以看出，輸出電壓波形為11電平，且可以發(fā)出補(bǔ)償電流，驗(yàn)證了本文所提結(jié)構(gòu)在無(wú)功補(bǔ)償場(chǎng)景中的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析級(jí)聯(lián)半橋MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出了改進(jìn)的MMC-STATCOM電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出了相應(yīng)的調(diào)制與控制策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提控制方案的有效性。與級(jí)聯(lián)H橋進(jìn)行對(duì)比，改進(jìn)MMC-STATCOM可以極大地減少開(kāi)關(guān)器件的使用數(shù)量；最后通過(guò)對(duì)比無(wú)功電流指令值與補(bǔ)償電流的無(wú)功分量，可知本文所提無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較好，可應(yīng)用于無(wú)功補(bǔ)償場(chǎng)景中。