模块化多电平静止无功补偿器控制策略研究

黄睿

(重庆电子工程职业学院应用电子学院，重庆401331)



模块化多电平静止无功补偿器控制策略研究

黄睿*

(重庆电子工程职业学院应用电子学院，重庆401331)

摘要:随着多电平逆变器在电力系统无功功率补偿领域的广泛应用，提出了一种基于模块化多电平(MMC)技术的新型静止无功补偿器(STATCOM)的拓扑结构。该拓扑结构具有模块化程度高、可靠性好、便于维护及容量拓展等特点，是一种极具发展潜力的拓扑结构。首先对MMC-STATCOM的工作原理和数学模型进行了分析，提出了无功功率解耦控制策略以及提出了一种新的控制子模块电容电压平衡的控制算法。仿真和测试结果均表明MMC-STATCOM具有补偿效果好，动态响应速度快等优点，是一种具有工程应用价值的大容量STATCOM主电路拓扑。

关键词:模块化多电平变换器;静止无功补偿器;功率解耦控制;电压平衡控制

无功功率补偿是保证系统安全运行及节能降耗的重要措施。基于自换相交流电路的静止同步补偿器STATCOM(Static Synchronous Compensator，)与传统的无功补偿装置相比具有动态响应速度快、谐波含量低、体积小等优点。随着IGBT、IGCT等自关断功率器件的快速发展，STATCOM已经成为智能电网系统无功补偿不可或缺的重要组成部分，成为了近年来国内外学者研究的热点问题［1－3］。

随着电网电压等级和功率容量的不断增大，以及目前电力电子功率器件耐压水平和容量的限制，多电平变换器技术越来越受到关注。传统的实现高压大容量的做法是采用开关器件串联和并联;但是串联需要解决动态均压问题，并联需要解决动态均流问题，而就目前的技术水平解决这两个问题还没有得到很好的解决，所以功率器件的串并联给实际工程应用造成了一定困难。而多电平变换器可以利用低压小容量功率器件实现高电压，大容量变换。通过子模块的级联，使电压叠加后很好的逼近正弦波，使谐波含量大幅度降低，而且模块化的结构便于扩展和实现冗余控制。多电平变换器可以在不同的功率和电压等级中灵活使用且无需变压器。西门子公司于2001年提出了一种新型多电平换流器拓扑结构—模块化多电平换流器MMC(Modular Multilevel Converter)正是具有上述优点，被视为未来采用多电平技术实现高压大容量发展的重要拓扑结构。由于MMC具有公共的直流母线既可实现AC/DC或者DC/AC功率变换，特别适合高压直流输电(HVDC)领域。MMC-HVDC技术已经成功应用在美国Trans Bay Cable工程中，而我国基于该项技术的上海南汇风电场接入系统工程也正在建设中。但是，将MMC技术应用到FACTS，目前仍处于探索阶段，相关的文献很少，因此有必要对此展开研究［4－6］。

将模块化多电平变换器应用到无功补偿领域需要重点解决两个问题:无功电流检测与补偿以及MMC子模块电容电压平衡控制。本文提出了一种新型的简单有效的无功电流检测补偿方法;同时提出了一种切实、可行的均压控制策略，有效确保各子模块电容电压维持在一个相同电压等级的范围内。

1　基于MMC的STATCOM拓扑结构

1.1电路拓扑结构

如图1所示为MMC-STATCOM拓扑结构，MMC 有6个桥臂构成，其中每个桥臂有若干个相互连接且结构相同的子模块SM(Submodule)与一个电抗器串联构成，上下两个桥臂构成一个相单元。6个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和桥臂电抗值都是相同的。左侧为电网和无功负荷［7］。

图1中左上部分为MMC的的一个子模块，每个子模块有上下两个IGBT组成，D1，D2为反并联二极管。UC为子模块的电容电压，USM和iSM分别是子模块的输出电压和电流。

图1　MMC-STATCOM主电路拓扑结构

1.2MMC数学模型

为了保证直流侧母线电压的恒定，对于任意一相任意时刻必须保证投入的模块数相同且等于n，即上桥臂投入一个模块，下桥臂必须切除一个模块或者上桥臂切除一个模块，下桥臂投入一个模块，否则会引起相间环流和相内模块电容电压大幅度波动［8］。

由MMC拓扑结构可知，在任意时刻，直流侧电压Udc由各相上、下桥臂中处于输出状态的子模块和两电抗器LS共同承担。即满足:

式中: Udc为直流侧母线电压，ipx和inx分别是第x相上、下桥臂电流。其中x = a，b，c。理论上，MMC中每相处于输出状态的子模块个数恒定不变且为个数为该相子模块数目的一半，即为n。若设Mx为x相上桥臂中处于输出状态的子模块数，Px相下桥臂中处于输出状态的子模块数，则满足:

正常运行过程中，MMC三相之间能量分配的不均匀将会产生相间环流，设流过第x相的环流为izx，方向如图所示。由于MMC结构的严格对称，可视为能量在上下桥臂均分，所以可以得出如下方程式:

式中: ipx、inx分别表示第x相上、下桥臂电流，izx表示流过第x相的环流。

对x相列写KVL方程得:

由式(3)可得:

式(4)为MMC输出电压的动态数学模型，通过控制上、下桥臂的子模块的投入状态来输出所需要的三相交流电压。当变流器稳态运行时，忽略直流电压的波动和限流电感上的压降，由其引起的误差通过控制系统闭环环节加以校正。

1.3MMC调制策略

该MMC采用载波移相PWM调制技术，其工作原理是指，每一相的上、下桥臂采用幅值相同相位相反的正弦调制波，对于每个桥臂中的n个子模块，均采用较低开关频率的SPWM，并具有相同的频率频率调制比Kc和幅度调制比m，使它们对应的三角载波依次移开1/n三角载波周期，然后与同一条正弦调制波进行比较，即可产生n组PWM调制波信号，去分别驱动n个子模块，来决定它们是否投入和切除。将投入的各个子模块输出电压相叠加，从而得到MMC的桥臂PWM输出电压波形。

2　无功补偿原理分析

从图1中可以看出MMC经过滤波电感连接到三相交流电网作为STATCOM，来调节电网的无功功率。

MMC-STATCOM的单相等效电路如图2所示，usx表示电网电压，uxo表示MMC的输出电压，ix表示从电网流入MMC的电流，滤波电感的电感值和阻值为L和R。MMC-STATCOM的基本原理就是通过调节MMC输出电压的幅值和相位来调节MMC和电网之间的功率交换。在理想的情况下，滤波电感可视为无阻值的理想电感，子模块电容为理想电容，其他损耗忽略不计，所以MMC不需要从电网吸收能量，此时usx和uxo同相位，所以只改变MMC输出电压的幅值大小就可以对无功功率进行跟踪控制［9－10］。

图2　单相等效模型

然而在实际的系统中，由于滤波电感和子模块电容等内部损耗，必然会导致MMC和电网之间存在有功功率的交换。如果不采取措施将使直流侧电容电压的下降和不平衡，进而会导致整个系统的崩溃。为了弥补MMC内部的损耗，usx和uxo之间必须有相位差α。图3给出了连接点(PCC)出的向量图，电流在ix在usx的投影即为id，与usx垂直的分量为iq。改变相位差α和输出电压uxo的幅值即可改变ix的大小和相位。MMC与电网之间的能量交换也就得到控制［11］。

图3　连接点(PCC)处电压向量图

由图2可列出如下KVL方程:

对式(3)采用等量的PARK变换，其变换矩阵为:

经过式(6)变换后系统d、q模型为:

式中: ud、uq分别为电网相电压在d－q旋转坐标系下的d－q分量，udo、uqo分别为MMC交流输出端相电压在d－q旋转坐标系下的d－q分量，id、iq分别是MMC交流侧三相电流在d－q旋转坐标系下的d－q分量，ω为电网电压角频率，是通过PLL锁相环对电网电压锁相得到的。

从式(7)可以看出，d、q轴电流id、iq受控制量udo、uqo的影响，同时还受到电流交叉耦合相ωLiq、ωLid和电网电压的影响，为了便于控制，消除电流耦合和电网电压扰动对控制的影响，可以将式(7)做如下改动:

式中:

由式(9)可以看出，vd、vq与id、iq呈现的是一阶微分关系，所以可以采用PI控制器来控制id、iq，其PI控制方程式为:

式中:Δud、Δuq作为d、q轴电压耦合的补偿项，对上述非线性微分方程顺利实现了解耦，于是可以得到最终的控制方程为:

上述控制方程中，i*d、i*q分别是三相交流电流在d－q坐标系下的有功和无功电流参考值，KP1、KP2、KI1、KI2为PI。通过控制id和iq即可实现对有功和无功功率的解耦控制如图4所示。

图4　无功功率解耦控制框图

3　电容电压平衡控制

对于MMC-STATCOM而言，如何保障各悬浮、独立的直流电容电压的稳定是其正常工作的基本要求。为此下面要重点分析MMC子模块电容电压平衡控制策略［12］。

为了实现MMC各子模块电容电压的稳定控制，本文提出了一种新型的电容电压平衡控制算法。该算法可以分为两部分:能量均分控制和电压均衡控制。

3.1能量均分控制

能量均分控制就是使各子模块电容电压的平均值跟踪它的参考值，从而控制MMC相间环流的大小使能量均匀的分配到各子模块中。如图5为能量均分控制的控制框图。

图5　能量均分控制框图

平均控制得到的电压调制参考值为:

当v*大于平均值时，上升，结果影响电流内环，迫使izx跟踪。最终目标是为通过控制izx使得子模块平均值跟踪其参考值v*而不受交流侧电流的影响。

3.2电压均衡控制

电压均衡控制的目的就是使MMC各子模块电容电压跟踪其参考值，其控制框图如图6所示。

图6　电压均衡控制框图

对于x相上、下桥臂子模块的电压控制修正量为如下表达式［13］:

当参考电压的值v*大于等于电容电压upxi(unxi)的值时，由于upxi(unxi)值为正，为了使子模块中的电容电压迅速接近参考电压，子模块需要从直流侧吸收电能。如果电流值ipx(inx)为正值，得到的电容电压修正量Δvpxi(Δvnxi)为正，就会控制开关器件来改变子模块的状态，使电容的充电时间延长;当电流值ipx(inx)为负时，得到的电容电压修正量Δvpxi(Δvnxi)为负。此时就会对开关器件进行相应控制，减小电容放电时间。当分析过程类似。

图7　MMC-STATCOM总控制框图

通过前面的分析可以画出MMC-STATCOM整体控制框图如图7所示，由图7可以看出控制策略主要分为两大部分:无功功率解耦控制和电容电压平衡控制。最终得到的各相上、下桥臂的调制信号为:

然后用得到的调制信号分别于相应的三角波比较得到需要的PWM控制信号，从而驱动IGBT的导通或关断。

4　仿真与实验结果分析

4.1仿真验证

在SIMULINK中搭建MMC-STATCOM仿真模型，MMC每相带6个子模块，上、下桥臂各3个，限流电抗器Ls=2 mH，模块电容C= 5 000 μF，电容电压参考值设定为200 V，滤波电感L = 1 mH.电网相电压为110 V，载波频率为5 kH。

MMC子模块电容电压的平衡是MMC-STATCOM正常工作的必要条件，所以首先验证上文提出的电容电压平衡控制策略的有效性和正确性。图8为MMC采取电容电压平衡控制后A相所有子模块的电容电压波形(0.63 s启动电容电压平衡控制策略)，从图8可以看出所有的电容电压维持在200 V左右，且上下桥臂的波形趋势相反，这是由于上、下桥臂子模块投入和切除状态互补造成的。证明了上述电容电压控制策略能够很好的维持电容电压平衡。

图8　MMC A相子模块电容电压波形

如图9所示为MMC A相上下桥臂电流和内部环流，从图9(a)可以看出，0.63 s之前未加电容电压平衡控制，上下桥臂电流发生畸变，含有高次谐波;加入电容电压平衡控制策略之后，上下桥臂电流接近正弦波，谐波含量明显减少。图9(b)为A相内部环流波形，通过对比0.63 s前后可以看出，加入平衡控制策略后，环流幅值大幅度降低。

负载电流分别为感性和容性时，补偿前后的电网电压和电网电流波形如图10所示。由图10可知，补偿前电网电压和电流之间存在相位差，补偿后电网电压和电流相位相同功率因数为1。

图9　MMC A相上、下桥臂电流及环流波形

图10　补偿前后电网电压和电流波形

负载无功电流由感性突变为容性时，MMC输出无功电流的变换曲线如图11所示。从图11中可以看出，MMC可以迅速跟踪上负载的变化并达到稳定，具有较快的动态响应速度。

图11　负载无功电流和MMC输出无功电流曲线

4.2实验验证

为了对本文所提出的电容电压平衡控制策略和无功功率解耦控制算法进行实验验证，设计了一台MMC实验样机，由于受到实验条件的限制，MMC样机每相有4个子模块组成，即n=2，所接负载为感性负载，其中电感L=2 mH，电阻R= 10 Ω。直流侧母线电压为200 V，也就是每个电容电压维持在100 V，采用交流电压源模拟电网电压为40 V(受实验室条件限制) ;桥臂所串联的电感值为2 mH，每个子模块的电容值为550 μF。开关频率为5 kHz。

图12为加入本文所提出的电容电压平衡控制策略后的A相子模块电容电压波形，可以看出电容电压平衡性较好，维持在100 V附近波动。

图12　加入控制时的电容电压实验波形

图13　加入控制前后实验波形图

加入平衡控制前后的的实验波形如图13所示，从上到下依次为上桥臂电流、下桥臂电流、输出电流和环流;从图中可以很明显的看出未加控制时，由于环流谐波导致桥臂电流发生了严重畸变;如图13(a)所示为加入控制之后的实验波形，对比图13(a)和13(b)可知加入控制之后，环流得到了很好的抑制，桥臂电流得到了很好的改善，更加逼近正弦波。

图14为加入无功功率解耦控制前后电网电压和电网电流波形，通过对比图14(a)和14(b)可以看出加入无功功率解耦控制之后，实现了电网电压与电网电流同相位。

图14　加入控制前后电网电压和电流实验波形

5　结语

本文首先分析了MMC-STATCOM的拓扑结构及其数学模型;然后分析了无功补偿的原理并提出了无功功率解耦控制算法; MMC各子模块电容电压平衡是MMC-STATCOM正常工作的必要条件，为此本文提出了一种新的控制电容电压平衡的控制策略。MTALB仿真实验和实验测试结果均表明MMC-STATCOM数学模型的合理性，可以有效的补偿无功功率，并且动态响应较快，子模块电容也很好的实现了均压。MMC-STATCOM在大容量无功补偿及其他FACTS装置应用中将具有广泛前景，是一种具有工程应用价值的STATCOM主电路拓扑。

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黄　睿(1977－)，女，汉族，重庆人，本科，讲师，主要研究方向为电子技术、电路设计。

Coal Mine Monitor System Based on Internet of Things*

LIU Weidong1*，ZHANG Wei1，MENG Xiaojing1，2
(1.School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China; 2.School of Xuhai，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China)

Abstract:To solve the problem of information silos and passive surveillance of traditional coal mine monitor system，this paper presents an intelligent monitoring system based on internet of things.The system mainly consists of terminals of mining personals，environmental detecting equipments，ZigBee router，ZigBee coordinator，server and monitoring center.The communication protocol uses Zigbee protocol and high-level custom protocol，so that the terminals and nods can communicate interoperability.The proposed coal mine monitor system based on internet of things has a simple structure，and it is reliable and affording ease of operation.The proposed system can improve the production efficiency and economic benefit of coal mine，and it is also very important for the modernization revamped of coal mine monitor system.

Key words:Internet of Things，ZigBee，wireless sensor network，monitor system

中图分类号:TM712

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0711－07

收稿日期:2014－06－16修改日期: 2014－07－31

doi:EEACC: 6150P; 720010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.048