基于模块组合多电平变流器的STATCOM研究

宋忠友，高 晋，王瑞妙，陈 涛，徐瑞林

（国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 401123）

近年来，随着电力系统的快速发展，各种新型FACTS装置不断出现，STATCOM也不断向着高压大功率方向发展。传统的采用低电平数目的电压源变流器，由于控制简单、成本较低得到了大量应用，但是其电平数低，输出电压电流谐波大，增加了滤波器的的设计难度和成本[1-2]。多电平变流器的提出很好地解决了上述问题，通过子模块的级联，使输出电压逼近正弦波，大大降低了谐波；模块化的设计便于扩展和实现冗余控制，可以更灵活地适应不同的电压等级；灵活的控制策略省去了笨重的耦合变压器，降低了系统成本[3]。2002年，MARQUARDT R首次提出模块化多电平变流器(MMC)的概念[4]，因其具有诸多优点成为学者们研究的热点，被视为下一代高压大功率变流器发展的方向。参考文献[5]提出了MMC的基本结构和工作原理，参考文献[6]阐述了MMC在高压直流输电领域中的应用。

本文首先分析了M-STATCOM的结构和工作原理，然后根据无功补偿的要求建立了M-STATCOM的动态数学模型，提出了直接电流控制技术和电容均压策略。在Matlab/Simulink中建了10 kV M-STATCOM仿真模型，仿真结果表明本文所提出的控制策略具有良好的稳态和动态控制效果，达到了预期效果。

1 基于MMC的STATCOM

1.1 M-STATCOM的拓扑结构

M-STATCOM的拓扑结构如图1所示。Ls是耦合电感，Rs是电抗的等效电阻。MMC每相由上下2个桥臂组成，每个桥臂由n个子模块和1个电感构成。子模块是MMC的基本组成单元，由1个电容和2个带有反并联二极管的IGBT组成。

设子模块电容电压为 Vc，输出电压为 Vx。不论桥臂电流的方向如何，输出电压Vx都会在Vc和0两个值之间切换。 当 IGBT S1导通(S2关断)时，Vx=Vc；当IGBT S2导通(S1关断)时，Vx=0。如果两个 IGBT都关断，它们将承受电容电压Vc。每相有n个模块同时工作，其余n个模块被旁路，通过改变上下桥臂子模块的工作状态，就可以使交流侧输出逼近正弦波的交流电压。

图1 M-STATCOM拓扑结构

2 M-STATCOM的控制策略

2.1 M-STATCOM动态模型

由M-STATCOM的等效电路可知：

设电源电压为对称的正弦波，其表达式如下：

在dq0坐标系中：

其中：

根据瞬时无功功率理论[7]，M-STATCOM消耗的有功功率ps和无功功率qs满足：

其中Id、Iq分别是M-STATCOM的有功电流和无功电流。

所以通过控制 Id、Iq就可以分别控制 M-STATCOM与电源交换的有功和无功，即实现了有功和无功的解耦控制。当Id为正时，系统向M-STATCOM输送有功；当Id为负时，M-STATCOM向系统反馈有功。当Iq为正时，MSTATCOM发出超前的无功；当Iq为负时，M-STATCOM发出滞后的无功。

2.2 M-STATCOM均压策略

M-STATCOM与普通STATCOM相比，省去了直流侧的大电容，取而代之的是各个模块都有一个悬浮电容，由于各个模块的开关损耗差异、电容损耗差异以及驱动脉冲微小的差异等原因，会造成各个电容电压之间存在差异，因此，保证各个电容电压都在一定范围内是MMC正常工作的关键。

本文采用基于排序的电容均压算法。在每一个PWM周期内，测量所有的模块电容电压并按照从大到小的顺序进行排列，然后根据桥臂电流方向和应该导通的模块数，决定要投入的模块。具体方法是：如果桥臂电流为正，则触发导通电容电压最低的k个模块，其余的模块关闭；如果桥臂电流为负，则导通电容电压最高的s个模块，其余的模块关闭。如图2所示，假设上桥臂导通的模块数等于2，下桥臂导通的模块数等于3，此时上下桥臂的电流方向分别为 iz1（t）＞0， iz1（t）＜0。 根据排序算法的原理可知，此时上桥臂的模块SM=3和SM=5应该投入，下桥臂的模块SM=7、SM=8和SM=9应该投入。通过均压算法，达到了电容均压的目的。

图2 电容均压策略示意图

2.3 M-STATCOM直接电流控制策略

变流器电流控制技术可分为间接电流控制和直接电流控制。虽然间接电流控制不需要交流电流传感器构成电流闭环控制，但是其动态响应慢而且对参数敏感[8-10]。直接电流控制由于采用网侧电流闭环控制，使变流器网侧动态、静态性能得到了提高，同时使网侧电流控制对系统参数不敏感，增强了电流控制系统的鲁棒性。为了提高M-STATCOM的响应速度，本文采用固定开关频率PWM直接电流控制技术，其原理如图3所示。UT为三角载波幅值，i为M-STATCOM的输出电流。

图3 STATCOM直接电流控制框图

3 仿真及结果分析

为了验证本文提出的M-STATCOM控制策略的正确性，在Matlab/Simulink中搭建了10 kV仿真模型，系统用等值电源表示。仿真参数如下：电源电压10 kV，基准容量 100 MVA，电源阻抗 X/R=7，频率为 50 Hz；连接电感Ls=10 mH；MMC每相28个模块，上、下桥臂各 14个；限流电感L=2 mH，模块电容C=4 700μF，电容电压设定为1 500 V。为了验证M-STATCOM的动态补偿效果，负载为可变负载，负载有功功率恒为6 MW，无功功率在0.1 s时由6 MW突变为-3 MW。

图4(a)、图 4(b)分别为 M-STATCOM补偿前和补偿后的电源侧电压电流波形。可见，M-STATCOM投入前，由于负载从感性变为容性，电源侧电压由偏低变为偏高，电源侧电流由滞后电压变为超前电压；M-STATCOM投入后，由于补偿了负载无功电流，电源侧电压始终保持在正常值范围内，电源侧电流的相位始终和电压相位相同。

图4 电源侧电压电流

图5为M-STATCOM交流侧输出电压电流波形，0.1 s之前M-STATCOM工作在容性工况，输出电压有效值大于电网电压，输出电流超前电压 90°；0.1 s之后MSTATCOM工作在感性工况，输出电压有效值小于电网电压，输出电流滞后系统电压90°。

图5 M-STATCOM交流侧电压电流

图6为M-STATCOM一个桥臂电容电压波形，由图可见，各个电容电压基本在一条轨迹上，说明本文的均压策略是有效的。

图6 M-STATCOM电容电压

本文首先分析了M-STATCOM的拓扑结构和工作原理，然后建立了M-STATCOM的动态模型，提出了一种电容均压策略，设计了基于直接电流控制策略的MSTATCOM控制系统。数值仿真结果表明，本文提出的控制策略正确且有效。

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