康守強(qiáng) 王金龍 王玉靜 梁亞琦 鄭勢(shì)

摘 要：針對(duì)常規(guī)半橋型模塊化多電平換流器對(duì)三相相間環(huán)流抑制能力不足的問題，采用了一種新型功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在每個(gè)橋臂上增加一個(gè)H橋單元來抑制環(huán)流，避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦控制，實(shí)現(xiàn)了環(huán)流的有效抑制;同時(shí)，針對(duì)子模塊電容電壓不平衡的問題，采用了電容電壓分級(jí)式均壓控制策略，實(shí)現(xiàn)了電容電壓的穩(wěn)定;然后，將模塊化多電平換流器相關(guān)控制策略應(yīng)用在高壓大功率靜止同步補(bǔ)償器中;最后在Matlab/Simulink中搭建了包含6個(gè)半橋子模塊和1個(gè)H橋單元的MMC-STATCOM仿真模型，結(jié)果證明了所述的新型功率拓?fù)涞挠行约翱刂撇呗缘目尚行浴?/p>

關(guān)鍵詞：模塊化多電平換流器; 靜止無功發(fā)生器; 電壓平衡; 環(huán)流抑制

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.013

中圖分類號(hào)： TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）04-0070-11

Abstract：Capacitor voltage control and circulation current suppression are of great importance in the research of MMC topology. To solve the problem of the normal half bridge MMC having no enough ability to control circulation current around three-phase， we propose a novel MMC topology. Each arm of the novel topology adds a H bridge to suppress circulating current， simultaneously avoid the complex coordinate transformation and decoupling control， realize the effective inhibition of the circulating current. At the same time， the problem of the capacitance voltage imbalance of the submodule is solved by the capacitive voltage graded equalization control strategy and the stability of capacitors voltage is realized.Then， the MMC control strategy is used in high voltage and high power static synchronous compensator occasions. Finally， the model of MMC-STATCOM with six half-bridge modules and one H bridge module is realized by Matlab/Simulink. The simulation results demonstrate that the novel topology is effective and the control strategy is reasonable.

Keywords：modular multilevel converter; static synchronous compensator; voltage balance; circulation inhibition

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力換流器及非線性負(fù)載的大量應(yīng)用，在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的無功及諧波[1]。為了改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量，采用無功補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)和抑制諧波是一種很好的辦法[2]。

迄今為止，換流器大多采用傳統(tǒng)的兩電平或三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，在高壓大功率場(chǎng)合時(shí)，為了滿足容量的需求，經(jīng)常采用器件的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)要求同一橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，而開關(guān)器件的均壓與均流控制是一個(gè)難點(diǎn)。同時(shí)，這種拓?fù)漭敵鲭娖綌?shù)少，諧波含量大。

多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在高壓大功率領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此得到廣泛的關(guān)注與深入的研究[3]。常見的多電平拓?fù)渲饕酗w跨電容型、二極管箝位型和H橋級(jí)聯(lián)型等三種[4]。飛跨電容型和二極管箝位型拓?fù)潆S著輸出電平數(shù)的增加，所需的開關(guān)器件和箝位電容數(shù)量迅速增加，實(shí)現(xiàn)更多電平的變換電路變得困難，而且需要電容電壓均衡控制，不易普及[5]。至于H橋級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于無公共的直流母線，橋臂間不能傳遞有功能量，因此各個(gè)模塊間的電容電壓平衡難以實(shí)現(xiàn)[6]。

針對(duì)以上功率拓?fù)涞娜秉c(diǎn)，德國(guó)學(xué)者提出了模塊化多電平換流器（MMC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。該結(jié)構(gòu)具有公共直流母線，相間能量能夠相互流動(dòng)，在電網(wǎng)畸變時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率、諧波以及不平衡的綜合補(bǔ)償，因此得到了廣泛的關(guān)注。

目前，對(duì)MMC的研究工作主要是主電路功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電壓平衡控制策略方面。橋臂間的環(huán)流會(huì)對(duì)系統(tǒng)的整體性能和電壓平衡產(chǎn)生影響，然而目前針對(duì)MMC環(huán)流方面的研究工作還不夠深入。

針對(duì)三相間的環(huán)流問題，文[8]指出了環(huán)流中存在二倍頻負(fù)序分量，但沒有給出具體的解決辦法;文[9]提出了通過增加橋臂電感，來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的抑制，但橋臂電感的增大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積和成本的增加;文[10]提出通過控制上、下橋臂電容電壓差值來抑制環(huán)流，但該方法需要采集所有功率單元的直流側(cè)電容電壓，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜且抑制效果一般;文[11]提出一種基于二倍頻負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的環(huán)流解耦控制方法，該方法增加了MMC控制系統(tǒng)的運(yùn)算量，且無法推廣到四線制及以上系統(tǒng)中;文[12]采用了子模塊均壓控制方法，但該方法不能完全消除電容電壓的波動(dòng)，且對(duì)環(huán)流的抑制效果并不明顯。

針對(duì)MMC的調(diào)制策略，文[13-14]釆用空間矢量調(diào)制技術(shù)，由于空間矢量數(shù)與電平數(shù)呈立方關(guān)系，因此，在電平數(shù)高的場(chǎng)合中運(yùn)算將會(huì)非常復(fù)雜;文[15]采用特定次諧波消去法，利用階梯波來逼近正弦波，但是在計(jì)算過程中需要求解高階非線性超越方程組，計(jì)算起來非常復(fù)雜;文[16]提出了一種最近電平逼近的調(diào)制方法，但在電平數(shù)較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。

本文結(jié)合MMC自身的特點(diǎn)，通過對(duì)該功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理的分析，采用載波相移調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，在較低開關(guān)頻率下也具有良好的抑制諧波能力;其次，為了抑制環(huán)流，提出了一種在傳統(tǒng)MMC的基礎(chǔ)上增加H橋模塊的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);最后，將本文所提出的控制策略應(yīng)用在高壓、大功率STATCOM系統(tǒng)中，并通過系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

1 模塊化多電平變換器（MMC）

1.1 傳統(tǒng)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

1.2 子模塊（SM）工作原理

圖1中SM表示MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子模塊，是組成MMC的基本單元，它是由兩個(gè)功率開關(guān)管T1、T2組成的半橋子模塊單元，直流側(cè)為一個(gè)大電容C。其中：ism表示流入/流出SM模塊橋臂電流;usm表示SM模塊輸出的電壓;Vd表示SM模塊直流側(cè)電壓。根據(jù)SM子模塊不同的工作狀態(tài)，可輸出0和Vd。若用S1和S2表示T1（D1）和T2（D2）的開關(guān)狀態(tài)，則子模塊的橋臂電流ism方向與輸出電壓usm狀態(tài)如表1所示。

1.3 模塊化多電平換流器調(diào)制技術(shù)

載波相移調(diào)制技術(shù)（CPS-SPWM）基本原理為：同一橋臂共用一個(gè)調(diào)制波，每相上、下橋臂的調(diào)制波相位相反，保證了換流器每相在任意時(shí)刻投入的子模塊數(shù)均是n。三角載波根據(jù)一定規(guī)律移相一定的角度與調(diào)制波比較，發(fā)出一組PWM后控制換流器子模塊投切狀態(tài)，子模塊輸出的電壓疊加得到多電平電壓輸出。

載波相移調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用使得換流器的直流母線電壓等于一相2n個(gè)子模塊輸出電壓之和，單個(gè)子模塊只需承受1/n直流母線電壓;輸出的相電壓是（n+1）電平，線電壓是（2n+1）電平，整個(gè)系統(tǒng)等效開關(guān)頻率為載波的2n倍。

1.4 子模塊電容均壓控制

模塊化多電平換流器（MMC）正常運(yùn)行的必要條件是要有一個(gè)穩(wěn)定的直流側(cè)電壓[17]。

本文采用微調(diào)修正MMC調(diào)制波的分級(jí)式電容電壓平衡控制方法進(jìn)行子模塊電容均壓控制，主要為相單元平均電壓平衡控制和橋臂內(nèi)部子模塊電容電壓平衡控制。

1）相單元平均電壓平衡控制

圖3（a）為相單元平均電壓平衡控制框圖，電壓外環(huán)使每相子模塊電容電壓平均值U-c跟隨給定指令Uref。電流內(nèi)環(huán)的給定i*j，cir由電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)得來。電流內(nèi)環(huán)是為了抑制相間環(huán)流，也采用PI調(diào)節(jié)器，其輸出是平均電壓平衡控制信uAj。圖中U-c和icir由以下列兩式得到

1.5 基于新型拓?fù)涞沫h(huán)流抑制控制策略

本文提出的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在原MMC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，每相上、下橋臂各加入一個(gè)H橋單元，如圖4所示。

新型MMC系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中控制器1控制MMC的功率模塊部分，在控制系統(tǒng)輸出的無功補(bǔ)償電流的同時(shí)，也控制著功率模塊的電容電壓，使其保持平衡?？刂破?控制全橋模塊部分，在輸出電壓中插入合適的電壓便能抑制環(huán)流。

由圖7可知，環(huán)流與環(huán)流的指令信號(hào)icir，ref比較，經(jīng)比例調(diào)節(jié)之后均分成2份，分別加在該相上、下橋臂全橋模塊的調(diào)制信號(hào)上。

控制器2還要保持全橋模塊電容電壓的平衡。全橋子模塊的電容電壓值與指令信號(hào)VH，ref作差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后乘以橋臂電流的符號(hào)函數(shù)。最后，將得到的全橋子模塊調(diào)制信號(hào)Vr，ref（r=P，N）與三角載波比較后生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制全橋子模塊的電容充放電，實(shí)現(xiàn)了電容電壓的平衡控制。

新型拓?fù)涿總€(gè)橋臂只增加一個(gè)H橋模塊即可容易實(shí)現(xiàn)環(huán)流抑制的目的，避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和解耦控制。實(shí)際工程中每個(gè)橋臂中子模塊數(shù)目達(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)，增加一個(gè)H橋模塊從經(jīng)濟(jì)角度來看微不足道，卻能使系統(tǒng)的控制變得簡(jiǎn)單，環(huán)流抑制的效果得到提高，使得系統(tǒng)更為可靠。

2 基于MMC的STATCOM控制策略

在對(duì)MMC關(guān)鍵技術(shù)深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)基于MMC的STATCOM控制策略進(jìn)行研究。

2.1 ip-iq電流檢測(cè)法

無功與諧波電流檢測(cè)的性能直接影響著STATCOM補(bǔ)償?shù)男Ч鸞18]，因此，本文采用基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq電流檢測(cè)法?；谒矔r(shí)無功理論的ip-iq電流檢測(cè)法，能快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出電網(wǎng)中的無功和諧波電流的大小。檢測(cè)過程如圖8所示。

2.2 前饋解耦的電壓電流雙閉環(huán)控制

STATCOM輸出的有功電流id和無功電流iq通過電感L耦合在一起，當(dāng)輸出電壓變化時(shí)輸出電流也跟著變化，不容易實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。通過引入電壓前饋解耦控制，能夠優(yōu)化控制，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能會(huì)更好[19]。

將dq坐標(biāo)系下的反饋電流與給定電流比較，通過PI控制器得到中間變量y1、y2，從而在dq坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)解耦。圖10為基于前饋解耦的雙閉環(huán)STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，可以看出，系統(tǒng)由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成。電壓外環(huán)使直流側(cè)電容電壓跟隨指令信號(hào)Uref，通過電壓PI調(diào)節(jié)器，其輸出i*d當(dāng)作有功電流的給定值;而無功電流給定值i*q是負(fù)載電流經(jīng)abc/dq變換再取反得到的;將換流器輸出的補(bǔ)償電流ia、ib、ic經(jīng)abc/dq變換得到id和iq，和i*d、i*q作差，經(jīng)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)，得到中間變量y1、y2，再根據(jù)式（18）得到期望的輸出電壓u*cd、u*cq;對(duì)u*cd、u*cq進(jìn)行dq/abc變換得到靜止坐標(biāo)系下的三相調(diào)制信號(hào)，與相移三角載波比較生成子模塊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而控制MMC換流器輸出電壓的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。

2.3 電網(wǎng)不平衡時(shí)電流檢測(cè)方法

當(dāng)三相不對(duì)稱時(shí)，采用延遲法對(duì)輸入電壓正負(fù)序分離，分別獲得正負(fù)序電壓分量，鎖相環(huán)跟隨a相正序電壓分量的相位，檢測(cè)負(fù)載電流中的無功電流[20]。電網(wǎng)不平衡時(shí)的電流檢測(cè)見圖11，最終得到正序有功分量i+d、無功分量i+q，負(fù)序有功分量id-、無功分量iq-。

2.4 基于新型拓?fù)涞腟TATCOM系統(tǒng)總控制策略

控制器1為無功補(bǔ)償控制器，是電容均壓控制與基于前饋解耦的電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)合得到的;控制器2為基于全橋模塊的環(huán)流抑制控制器。綜合控制器1和控制器2，可得MMC-STATCOM總控制策略，如圖12所示。

3 系統(tǒng)的仿真及實(shí)驗(yàn)分析

3.1 系統(tǒng)的仿真模型

在對(duì)基于MMC的STATCOM的電容電壓平衡控制、換流抑制、電壓前饋解耦控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了仿真研究。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)的各組成部分：

無功與諧波電流檢測(cè)模塊如圖13所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

基于Matlab/Simulink仿真參數(shù)如表2所示。

3.2.1 系統(tǒng)補(bǔ)償性能分析

1）無功補(bǔ)償分析

圖19為三相對(duì)稱阻感負(fù)載時(shí)的電壓、電流波形，電阻值為30Ω，電感值為45mH。為了方便分析，將電流放大10倍，由圖19可以看出：補(bǔ)償前，電網(wǎng)電流滯后于電壓;補(bǔ)償后， 電網(wǎng)電壓、電流同相位，可見基于MMC的STATCOM系統(tǒng)具有較好的無功補(bǔ)償效果。

2）諧波抑制分析

負(fù)載為三相整流阻感負(fù)載，其中R=100Ω，L=10mH，仍以a相為例對(duì)系統(tǒng)諧波抑制的能力進(jìn)行分析。圖20（a）、圖20（b）分別為補(bǔ)償前后的a相電流波形，補(bǔ)償前后a相電流的頻譜分別為圖21、圖22所示。

3）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了仿真研究，如圖23所示。在0.04s時(shí)刻之前，STATCOM補(bǔ)償裝置處于切斷狀態(tài)，此時(shí)a相電流滯后電網(wǎng)電壓;在t=0.04s時(shí)投入STATCOM，電壓、電流在0.05s之前就同相位了?？梢?，本文所設(shè)計(jì)的STATCOM能夠快速補(bǔ)償無功，動(dòng)態(tài)性能較好。

3.2.3 系統(tǒng)輸出電壓仿真分析

a相輸出電壓如圖26（a）所示，可見基于新型拓?fù)涞腟TATCOM與基于傳統(tǒng)拓?fù)涞腟TATCOM的輸出電壓均為13電平，驗(yàn)證了全橋模塊對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓無影響。圖26（b）為a相輸出電壓的頻譜圖，可以看出其THD僅為8.07%，諧波成分較低。

3.2.4 環(huán)流抑制仿真分析

對(duì)本文提出MMC環(huán)流抑制控制策略進(jìn)行仿真研究，如圖27所示。圖27（a）為環(huán)流抑制前的三相環(huán)流波形，可見，主要成分是二倍頻負(fù)序交流量，環(huán)流在0.04s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，幅值約為8.3A。圖27（b）為環(huán)流抑制后的三相環(huán)流波形，可以看出，環(huán)流抑制效果明顯，環(huán)流的幅值從8.3A減小到0.5A以內(nèi)。

對(duì)比可知，基于新型功率拓?fù)涞沫h(huán)流抑制策略對(duì)環(huán)流有較好的抑制效果。

3.2.5 電網(wǎng)不平衡時(shí)補(bǔ)償性能

電網(wǎng)三相電壓分別設(shè)為usa=2150sin（ωt），usb=2450sin（ωt-2π/3），usc=2750sin（ωt+2π/3），負(fù)載為三相對(duì)稱阻感型，電阻等于10Ω，電感等于20mH。

圖28為補(bǔ)償裝置投入前后的網(wǎng)側(cè)電流，投入前網(wǎng)側(cè)三相電流不平衡，投入后三相電流達(dá)到平衡。

4 結(jié) 論

本文在深入分析MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理的基礎(chǔ)上，提出了相單元平均電壓平衡控制和橋臂內(nèi)部子模塊電容電壓平衡控制策略，并提出了一種帶全橋子模塊的MMC來環(huán)流抑制的方法，同時(shí)，將新型MMC功率拓?fù)浼翱刂撇呗詰?yīng)用在STATCOM中。最后進(jìn)行了系統(tǒng)仿真研究，結(jié)果表明所提方法具有較好的穩(wěn)壓、均壓和環(huán)流抑制能力，所實(shí)現(xiàn)的STATCOM系統(tǒng)具有較好的無功補(bǔ)償和諧波抑制功能。

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（編輯：溫澤宇）