MMC-STATCOM在变电站应用中的研究

贺小明 范 岩 鲍尖措

（韶关发电厂，广东 韶关 512132）

近年来，伴随着电力在各行各业的应用越来越广泛，电力系统的用电负荷存在大量无功功率频繁变化的设备，譬如电焊机、轧钢机和整流设备等。如果电网缺少动态无功电压的支持，就会导致电网电压发生剧烈波动，严重时甚至会引起电网电压的大面积崩溃。特别是电网中存在的大量的冲击性负荷，会造成电压波动与闪变、谐波、三相不平衡等典型电能质量问题，还会出现电压突然跌落，瞬时中断等动态电能质量问题，这些对电力系统的安全、稳定运行构成了严重威胁[1-3]。新一代动态无功补偿设备- 静止无功补偿器（ Static Synchronous Compensator，STATCOM）是基于全控型电力电子器件构建而成，具有动态响应随度快，补偿能力强，且自身消耗功率小、不会向电网注入谐波等优点，是对系统进行动态无功补偿和解决电压波动和闪变最有效的方法之一。

STATCOM 的基本原理是利用可关断大功率电力电子器件组成自换相电路，经过电抗器并联在电网上，适当调节电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发生无功功率，从而实现动态无功补偿的目的。但是随着需要补偿的无功功率容量的不断增大，传统的两电平或者三电平变换器拓扑结构已经不能满足要求[4-5]。于是本文采用了一种新的STATCOM 电路拓扑结构-模块化多电平变换器（MMC）。MMC是2002年德国的学者提出来的一种新的多电平拓扑结构，该拓扑结构可以利用低电压等级的开关器件实现高压输出，且具有输出谐波小，易于扩展等优点，成为了国内外专家学者研究的热点。

1 变电站MMC-STATCOM 应用

1.1 工程概况

如图1所示，某220kV 变电站是当地的重要的电压点之一。站内共有一台主变，现有4 回进出线，其中#1 号和#2 号出线为武广高铁的牵引变电站供电。受电气化铁路密集运行的影响，220kV 母线出现了明显的电压波动和闪变以及需要大容量无功补偿。该站采用传统的电容器人工投切和主变分接头调压等措施无法很好的解决上述问题，于是该站采用了新一代动态无功补偿器：MMC-STACOM。

图1 变电站MMC-STATCOM 接线图

1.2 MMC-STATCOM 主电路

如图2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（submodule，SM）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[6]。

图2中右上部分为MMC 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。

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：

图2 MMC-STATCOM 主电路

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。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，即

对x相列写KVL 方程得

由上式可得

上式为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。

2 MMC-STATCOM 控制策略

MMC-STATCOM 开环调试运行、恒无功运行和电压稳定运行3 种运行方式，可以根据运行要求对运行方式进行选择，其中，开环调试方式仅用于运行前的调试，所以本文不做考虑[7-8]。

1）恒无功运行方式：在恒无功运行方式下，装置将输出恒定的无功功率，无功出力参考值可以从额定容性无功功率到额定感性无功功率之间任意设定。

2）电压稳定运行方式：由于日负荷的变动和电网其他因素的影响，系统电压会发生一定的波动，由于STATCOM 装置的自动控制和快速响应功能，因而在一定范围内能够实现对系统电压波动的调节和电压水平的维持。

为了更好的对MMC-STATCOM 进行控制，本文将控制策略分为三级：系统级控制、装置级控制和器件级控制。

2.1 系统级控制策略

系统级控制层是整个MMC-STATCOM 控制系统中控制级别最高，负责接收调度中心的有功、无功类物里量整定值和调节信号作为调度控制指令，通过指令调节环节，产生所需要的无功类物理量参考值，并通过控制总线下发给装置级控制层，同时向调度中心反馈有关运行信息。当STATCOM 处于电压稳定运行方式时，MMC-STATCOM 以系统电压作为控制目标，通过改变自身的无功功率输出使系统电压在稳定在误差允许的范围之内；当STATCOM 处于恒无功运行方式时，采取远方通信接口接收调度中心或者AVC 主控单元的无功指令作为STATCOM 无功参考值。

2.2 装置级控制策略

装置级控制层是MMC-STATCOM 控制系统的核心控制层，是系统级控制层与器件级控制层之间的桥梁。装置级控制层主要负责从系统级控制层接受有功、无功类指令参考值，通过装置级控制层控制得到调制比M和移相角δ下发到器件级控制层，以获得期望的电压、潮流等运行指标。控制策略主要包括直接电流控制和间接电流控制等。

2.3 器件级控制策略

器件级控制层是MMC-STATCOM 控制系统中的最低控制层也叫做执行控制层，主要对MMC 的开关器件进行控制，实现各种指令的具体执行和操作，该层接受装置级控制层传来的控制指令-调制比M和移相角δ，生成桥臂电压参考值，通过调制产生PWM 触发脉冲来控制开关器件的导通与关断，通过子模块电容电压平衡控制策略维持所有子模块电容电压的平衡并采取措施抑制相间环流。控制策略主要包括：桥臂电压参考值的生成，调制策略的选择，电容电压平衡控制，相间环流抑制，故障保护控制等。

图3 MMC-STATCOM 控制框图

3 仿真实验

以上述提到的某变电站数据模型为依据，在电力系统分析综合程序（CPSASP）中建立了MMC-STATCOM 的仿真控制模型，STATCOM 控制部分连接模拟的控制保护装置。该控制保护装置由系统控制模块、装置控制模块、器件控制模块和监视模块等组成。其中系统控制模块主要负责MMC-STATCOM 的系统级控制策略，产生参考无功信号；装置级控制模块主要负责STATCOM 的装置级控制，接受系统级模块的指令，得到需要的调制波；器件控制模块主要负责根据装置级的指令和电容电压平衡、相间环流指令综合后生成PWM 调制信号，用来驱动开关管的导通与关断[9-10]。

3.1 电压稳定运行控制

设定220kV 侧母线电压为主电压控制目标，验证STATCOM 在电压稳定控制模式下的动态响应特性，参照变电站现场试验，以变电站内电抗器和电容器的投切模拟电压的波动，CPSASP 试验中设定STATCOM 输出无功功率限制在（-80，+80）MVA范围内变化。初始状态时220kV 母线电压为额定电压220kV，经过0.2s 后投入220kV 母线上的60Mvar。观察MMC-STATCOM 投入和未投入时母线电压的变化以及STATCOM 的输出特性。

图4（a）为MMC-STATCOM 投入前后220kV母线电压仿真波形图，从图中可以看出，STATCOM投入时，由于电抗器的作用导致220kV 母线电压跌落了大约10%，当STATCOM 投入运行时，由于STATCOM 能够迅速的发出容性无功功率，减少母线电压的跌落，从仿真图中可以看出，母线电压最终稳定在209kV 附近，说明STATCOM 的投入很好的抑制了母线电压的波动。如图4（b）、（c）所示为MMC-STATCOM 的输出无功功率与三相输出电流波形图。根据图4（b）可知，在经过小幅度的超调之后，无功功率经极短的响应时间迅速稳定下来。图4（c）表明投入MMC-STATCOM 三相输出电流波形质量较好、谐波含量低，使用很小的滤波装置即可有效的滤除谐波。

图4 投入电抗器时电压稳定运行控制仿真波形

将 0.2s 时投入的 60Mvar 电抗器改为投入60Mvar 电容器，可得到如图5的仿真波形。如图5（a）所示，为投入STATCOM 时，由于电容器的投入导致了 220kV 母线电压上升了 10%。当MMC-STATCOM 投入后迅速的释放感性无功功率抑制电压的上升，母线电压最终稳定在222kV 附近变化。图5（a）、（b）分别给出了STATCOM 的输出无功功率和三相电流的波形，可见此时STATCOM 的超调略大于抑制感性负荷投切时的超调，这是因为由于电容器的投切时较大的电流变化率导致暂态过程电压变化较大。

图5 投入电容器时电压稳定运行控制仿真波形

3.2 恒无功运行控制

MMC-STATCOM 选择恒无功控制方式，改变STATCOM 的无功参考值，观察装置输出无功功率的准确度及其相应特性。仿真条件为：220kV 母线电压为额定的电压220kV。STATCOM 输出无功功率限制在（-80，80）MV 范围内。0.2s 时无功参考值由+30Mvar 突变为-30Mvar。

如图6（a）所示为STATCOM 输出的有功和无功功率波形图，从图中可以看出STATCOM 能够快速跟踪无功变化，准确的输出相应的无功功率，具有很好的动态响应特性。图6（b）为STATCOM 的三相输出电流波形，从图中可知经过短暂的波动之后，三相输出电流迅速处于稳定状态。图6（c）表明MMC-STATCOM 输出无功的迅速变化，对母线电压造成的影响较小，可以忽略不计。

图6 恒无功功率控制仿真波形

4 结论

本文根据某变电站的实际运行情况，研究和制定了基于模块化多电平变换器的STATCOM 接入系统的运行控制策略。根据该变电站的实际参数在PSASP 软件中搭建了STATCOM 装置的控制模型。PSASP 仿真分别验证了MMC-STATCOM 在恒电压控制运行方式和恒无功控制运行方式下的动态响应特性。仿真结果表明，MMC-STATCOM 不仅能有效的解决冲击性负荷对母线电压造成的影响，保证母线电压维持在正常水平，提高了电网电压质量，而且能自动跟踪系统无功变化情况，动态、快速、连续调节无功输出。

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