基于模塊化級聯(lián)多電平變換器的STATCOM研究

摘要：研究了基于模塊化級聯(lián)多電平變換器(MMCC)的靜止同步補償器(STATCOM)，對其主電路拓?fù)洹⒐ぷ髟?、調(diào)制技術(shù)和控制策略進(jìn)行了研究。采用功率解耦控制算法對交流側(cè)無功功率補償進(jìn)行控制，并根據(jù)功率守恒原理，分析了直流側(cè)電壓不平衡因素，引入了分布式直流側(cè)電壓控制算法。直流側(cè)控制算法分為上、下層控制部分，其中上層控制部分對所有模塊直流側(cè)電壓的平均值平衡進(jìn)行控制，下層控制部分則對各個子模塊單元的直流側(cè)電壓進(jìn)行控制。最后，在一臺以VME控制箱為核心控制器的3級MMCC系統(tǒng)上對控制策略進(jìn)行了驗證，實驗結(jié)果表明了算法的可行性。
關(guān)鍵詞：靜止同步補償器；級聯(lián)多電平；分布式控制系統(tǒng)

1 引言
    近年來，隨著電力電子技術(shù)和微控制器技術(shù)的發(fā)展，柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)成為了電網(wǎng)降低能耗和提高電能質(zhì)量的重要技術(shù)手段?；贛MCC的STATCOM作為FACTS的核心設(shè)備，以全控電力電子器件(IGBT)構(gòu)成的電壓源逆變器為核心，采用級聯(lián)多電平和PWM技術(shù)，具有輸出諧波電流小，占地面積少，響應(yīng)時間短，無功補償范圍寬，維護(hù)和擴(kuò)展容易，成本低等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外專家研究的焦點，并逐步應(yīng)用到高壓輸電網(wǎng)中。此處首先研究了基于MMCC的STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)、工作原理和載波移相PWM技術(shù)(CPS-SPWM)；其次，在功率解耦控制算法的基礎(chǔ)上，應(yīng)用功率守恒原理引入了分布式直流側(cè)電壓控制算法。最終在一臺以VME機箱控制的3級MMCC系統(tǒng)上對控制策略進(jìn)行了驗證。

2 STATCOM主電路結(jié)構(gòu)及原理
    MMCC型STATCOM由H橋模塊單元串聯(lián)而成，有三角形和星形兩種連接方式，圖1a為星形連接的級聯(lián)型STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可通過簡單的增加鏈接模塊個數(shù)來提高設(shè)備容量，其成本低、易實現(xiàn)、占地面積小。理想情況下，STATCOM的等效電路如圖1b所示，Lc，Rc為設(shè)備主回路中的總電感和電阻(包括連接電抗和變換器阻抗)，us為電網(wǎng)電壓，uc為STATCOM輸出電壓，iC為STATCOM裝置的吸收電流。通過改變uc幅值和相對于us的相位，即可控制STATCOM從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，即控制STATCOM吸收無功功率的性質(zhì)和大小。當(dāng)uc幅值與相位變化時，STATCOM吸收有功和無功的大小、性質(zhì)也相應(yīng)變化。

3 MMCC調(diào)制算法
    目前，MMCC調(diào)制算法主要包括：階梯波調(diào)制法、空間電壓矢量法和CPS-SPWM方法。其中，CPS-SPWM是多載波SPWM算法，通過多路載波在時間軸上移動Ts／N(Ts為載波周期，N為一相串聯(lián)模塊數(shù))生成PWM觸發(fā)脈沖。該方法設(shè)計簡單、容易實現(xiàn)，且可使設(shè)備單元模塊的開關(guān)次數(shù)相
同，容易實現(xiàn)直流側(cè)電容電壓均衡控制。

4 基于MMCC的STATCOM控制策略
4．1 交流側(cè)控制策略
    補償系統(tǒng)在各種運行工況和故障場景的穩(wěn)定運行，是判斷其能否在實際電力系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用的關(guān)鍵。但是這些控制器計算量大，實現(xiàn)復(fù)雜。目前應(yīng)用最多的是功率解耦PWM控制，該方法通過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)功率模型的解耦，icd和icq分別與補償器輸出的有功功率和無功功率成線性關(guān)系，實現(xiàn)了對功率解耦。該方法實現(xiàn)簡單，計算量小，可使補償系統(tǒng)有很好的靜、動態(tài)性能。
    根據(jù)圖1可得STATCOM在三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：
   
    根據(jù)坐標(biāo)變換原理，可得補償裝置在d，q坐標(biāo)系下的等值方程為：

4．2 分布式直流側(cè)控制策略
    MMCC采用模塊化設(shè)計，每個模塊直流側(cè)電容彼此獨立，且開關(guān)損耗、電路損耗、開關(guān)分配狀態(tài)和脈沖延時等存在差異，這導(dǎo)致基于MMCC存在直流側(cè)電容電壓不均衡問題，會直接影響到設(shè)備的可靠安全運行。采用分層分布式直流側(cè)控制策略，分為上層控制和下層控制。其中，上層控制穩(wěn)定總體直流側(cè)電容電壓，即整個裝置所有模塊直流側(cè)電容電壓的平均值；下層控制穩(wěn)定每個模塊直流側(cè)電容電壓。
    上層控制將所有模塊直流側(cè)電壓視為一個整體C，從而根據(jù)功率平衡可得，STATCOM直流側(cè)電容電壓在d，q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：
   
    式中：Udc為直流側(cè)電容電壓平均值；K為SPWM的調(diào)制比；us為交流電網(wǎng)電壓峰值；δ為STATCOM輸出電壓矢量與電網(wǎng)側(cè)電壓矢量的夾角。
    δ很小，則Udc與id可視為線性關(guān)系，從而直流側(cè)電容電壓上層控制設(shè)計為有功電流的外環(huán)。下層控制針對子模塊的直流側(cè)電容電壓，根據(jù)功率平衡原理，圖2為子模塊單元電路與矢量圖。

    圖2a中，C為直流側(cè)電容，R為模塊等效損耗電阻，ik為橋臂電流，uk為模塊輸出電壓基波量。子模塊單元吸收和發(fā)出的有功量由ik，uk及其相位角θ決定。從而，通過調(diào)節(jié)uk的幅值與相位可對直流側(cè)電容電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)量與ik有關(guān)，將其設(shè)計為P調(diào)節(jié)器，其輸出疊加到交流側(cè)無功補償控制輸出的調(diào)制波上，這不影響交流側(cè)無功功率控制。根據(jù)交、直流側(cè)控制算法分析可得級聯(lián)型STATCOM控制框圖如圖3所示。其中，Sak，Sbk，Sck為CPS-SPWM的調(diào)制波。

5 實驗驗證
    為驗證控制策略，研制了一臺3級的MMCC系統(tǒng)，主電路參數(shù)：電網(wǎng)電壓有效值Us=230 V，電網(wǎng)頻率f=50 Hz，并網(wǎng)電感Lc=4 mH，模塊直流側(cè)電容C=3 400μF，直流側(cè)電容電壓Udc=50 V，額定輸出電流Ic=10 A。實驗平臺主控制器為基于VME總線的控制機箱，實驗設(shè)備通過自耦變壓器與380 V電網(wǎng)連接。圖4為變換器輸出相電壓uca，線電壓ucab，直流側(cè)充電電壓Udcal，電網(wǎng)相電壓usa和電網(wǎng)相電壓相位角θ波形。其中，uca為7電平，ucab為13電平，uca與usa同相位。圖5為變換器動態(tài)實驗波形，其中無功功率電流分量是通過VME機箱的D／A板輸出測得。電流值為6 A，在容性模式下變換器輸出電流THD為2．8％，在感性模式下的變換器輸出電流THD為3．5％。

    無功電流iq為控制系統(tǒng)D／A輸出的波形，此處只表現(xiàn)動態(tài)波形。圖6示出無功功率補償系統(tǒng)，在負(fù)載為容性情況下，加入補償前后usa，isa波形。由圖可知，系統(tǒng)補償效果良好。

6 結(jié)論
    對級聯(lián)型靜止同步補償器的主電路結(jié)構(gòu)與原理，載波相移PWM技術(shù)，功率解耦控制算法和分布式直流側(cè)電壓控制算法進(jìn)行了研究，在一臺以VME機箱控制的3級模塊化級聯(lián)多電平變換器靜止同步補償器系統(tǒng)上對控制策略進(jìn)行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明，功率解耦控制算法實現(xiàn)簡單，計算量小，其控制的靜止同步補償器系統(tǒng)動態(tài)性能良好：分層、分布式直流側(cè)電壓控制算法可有效抑制直流側(cè)電容電壓的波動。以上算法亦可推廣到多級高壓模塊化級聯(lián)多電平變換器裝置上。