考虑电能质量优化的模块化固态变压器及控制策略研究

杨红品， 袁 至， 王维庆， 何 山， 刘丽莉

（新疆大学 可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心， 新疆 乌鲁木齐 830047）

0 引言

风电、 光伏等可再生能源接入配电网需要使用大量电力电子器件， 这导致大量谐波注入电力系统以及电网电流出现三相不平衡[1]，[2]，同时配电网中由于短路故障、 负荷不对称等造成电网电压三相不平衡，导致电流质量进一步恶化[3]。 目前，常见电能质量治理手段是采用DVR，APF，UPQC等附加装置[4]～[6]， 但这些设备都基于补偿原理实现，治理存在滞后性[7]，也增加了投入成本。 新型智能化的固态变压器，集电气隔离、电压变换、潮流控制、无功补偿等功能于一体[8]，具备隔离多种故障的能力， 被认为是优化配电网电能质量行之有效的技术手段。

近年， 固态变压器因其具备隔离多种故障的能力而备受关注[8]。 文献[9]提出一种固态变压器优化微网电压质量的控制策略， 可有效抑制谐波负荷。 文献[10]～[12]中单相级联H 桥型固态变压器的输出级采用主从逆变器控制方式， 以提升带不平衡负载与非线性负载运行的能力， 有效隔离了输出侧与输入侧之间的电能质量问题。 文献[13]，[14]研究了三相级联H 桥型固态变压器，可有效抑制电压三相不平衡。文献[15]研究了级联H 桥型固态变压器输入侧电压暂降时，输出侧仍能保持良好的电能质量。文献[16]提出用级联H 桥型固态变压器治理配电网电能质量的方法，可有效抑制网侧电压暂降、突升，隔离谐波污染等电能质量问题。 文献[17]将典型AC/DC/AC 拓扑的固态变压器用于交直流混合微网，有效隔离了网侧谐波、电压三相不平衡、电压暂降对输出侧电能质量的影响，但未对网侧电流质量进行优化， 且该拓扑实际耐压能力有限。在拓扑结构方面，现有研究的固态变压器大多基于级联H 桥型，该类型的固态变压器无公共中高压直流母线， 输出直流电压中存在低频波动， 必须增加滤波装置才能提升直流电压质量。此外，使用大量的高频变压器导致功率密度降低[18]。文献[18]首次提出基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的模块化固态变压器拓扑， 不仅所需滤波装置与高频变压器数量少，而且具备中、低压直流母线，在配电网中颇具优势。 文献[19]验证了基于MMC 的固态变压器对网侧电压突变与三相不平衡的隔离能力， 但研究未涉及网侧谐波治理以及未对电流质量进行优化。

本文采用基于MMC 的模块化固态变压器对三相不平衡与谐波进行治理， 考虑到传统方式分离正、 负序分量需要进行复杂的计算以及锁相环所引入的延迟， 提出一种基于改进瞬时对称分量法电流分序控制（Instantaneous Symmetrical Component-Current Sequence Control，ISC-CSC） 的输入级控制策略，在MATLAB/simulink 中建立系统模型， 对网侧电压不平衡、 谐波污染进行仿真测试。与传统控制方式相比，所提方案的仿真结果提升了网侧电流质量与直流母线电压质量， 同时能有效抑制功率中的二倍频波动，验证了所提ISCCSC 方式控制模块化固态变压器优化电能质量问题的优越性。

1 系统拓扑架构

本文所研究的模块化固态变压器由输入级、隔离级、输出级3 部分构成，如图1 所示。

图1 模块化固态变压器拓扑结构与系统架构Fig.1 Circuit topology of modular solid-state transformer and system architecture

输入级通过MMC 将中压交流转换为中压直流向后两级供电， 由于MMC 的各子模块的连接方式为串联结构， 便于向不同电压等级拓展，还可以通过设置无功参考量，控制网侧按给定功率因数运行。 隔离级的多个DC-DC 变换器通过输入串联输出并联 （Input Series Output Parallel，ISOP）[20]的连接方式实现了电气隔离和电压变换。MMC 输出的10 kV 中压直流首先被各DC-DC 变换器的输入侧均分， 然后通过各个DC-DC 变换器内部的单相全控桥逆变器被调制成750 V 低压直流母线，分布式风电、光伏等可再生能源经此直流母线并网可节约大量设备，且不用考虑交流并网时的同步问题。

输出级交流部分由三相逆变器与LC 滤波电路组成，将隔离级输出的低压直流逆变为稳定的380 V 工频交流，向低压负荷供电；直流部分为双向Buck-Boost 变换电路，用于降低750 V 直流电压向400 V 低压直流负载供电。

2 控制策略设计

2.1 输入级控制策略设计

图2 为模块化固态变压器的输入级等效电路。 每个桥臂上的所有半桥子模块可以等效为一个工频电压源。

图2 输入级等效电路Fig.2 Equivalent circuit of input stage

其中：uK，iK（K=a，b，c）分别为电网三相电压和电流；uKp，uKn和iKp，iKn分别为MMC 各相上、下桥臂电压和电流；La为桥臂电感；Ls为网侧滤波电感；Rs为网侧电阻；Udc为MMC 输出的直流电压。

2.1.2 输入级控制策略

输入级输出直流电压质量直接决定了后两级的电能质量。传统的输入级采用直流电压外环、电网电流内环控制，为减少电流dq 轴间的动态相互影响和提升快速响应能力， 电流内环采用前馈解耦控制。 但这种控制未考虑系统发生三相不对称故障时的运行情况， 当系统电压出现三相不平衡时， 负序分量导致直流电压出现二倍频分量以及输入电流突增，其增幅取决于三相电压不平衡度，若是接地故障导致的电压三相不平衡， 则电流幅值可能会突增数倍，甚至危及开关器件安全[23]，[24]。考虑到网侧电压三相不平衡运行情况下传统双环控制方式的不足，本文提出一种ISC-CSC 方式的

由于式中电流d，q 轴分量之间存在耦合项，因此，本文采用PI 控制器对其进行解耦，输出控制变量为

式中：Kpc，Kic分别为电流内环的比例、积分系数。

MMC 采用基于载波移相调制技术（Carrier Phase Shift Pulse Width Modulation，CPS-PWM）[25]的电容电压均衡控制， 输入级控制如图3 所示。

图3 输入级控制策略Fig.3 Input stage control strategy

为抑制不平衡时系统负序电流对电力电子器件的影响，设置负序电流的d，q 轴参考值为0，当系统电压未出现三相不平衡时，负序电流环控制无作用，此时仍为传统控制，若出现电压三相不平衡，则负序电流环迅速投入控制。 谐波治理原理如图4 所示。

图4 谐波分析原理图Fig.4 Schematic diagram of harmonic analysis

当系统受谐波污染时，网侧电流由基波与谐波成分构成，电流可以表示为

由于谐波与基波频率不等， 导致叠加后不同时刻的三相电流相量的幅值不再是稳定值， 出现三相电流不对称，即当电流受到低次谐波污染时，相当于不平衡工况的一种特殊方式。此时，对其进行不平衡控制即可实现谐波治理，谐波幅值越大，则治理效果越明显。

2.2 隔离级控制策略

隔离级一次侧H 桥采用占空比为50%的互补触发脉冲开环控制， 考虑到隔离级的各个高频变压器可能存在参数不匹配、 并联的直流电压不相等引起的功率分配不均衡，而产生环流，隔离级二次侧H 桥采用双环控制策略，如图5 所示。

图5 隔离级控制策略Fig.5 Isolation stage control strategy

2.3 输出级控制策略

模块化固态变压器的输出级交流端口由三相逆变器和LC 滤波电路构成，本文采用三相全桥逆变器输出电压和滤波电感电流相结合的双环解耦控制，有较好的限流能力和动态响应性能[26]，[27]。 同时，为了提高抗负载扰动的能力，将负载电压uL电流iL的d，q 轴分量前馈补偿到控制系统中， 实现了负载扰动时电压电流快速调整。 双闭环控制器均采用PI 解耦，输出级整体控制如图6 所示。

图6 输出级控制策略Fig.6 Output stage control strategy

3 仿真和结果分析

针对配电网中的三相不平衡、非全相运行、谐波污染等电能质量问题， 基于MATLAB/simulink搭建了图1 的系统仿真模型， 分析模块化固态变压器对各指标改善的效果。 设置网侧交流电压有效值为5 kV，中压直流母线电压参考值为10 kV，低压直流母线电压为750 V，交流输出电压为380 V，直流输出电压为400 V，MMC 半桥子模块数量为10，其余仿真参数如表1 所示。

表1 主要仿真参数Table 1 Main simulation parameters

3.1 网侧电压不平衡试验

为验证在网侧电压三相不平衡工况下， 本文所提ISC-CSC 控制的模块化固态变压器对电能质量的优化效果，为了不失一般性，以单相瞬时接地故障造成的网侧电压三相不平衡为例进行分析。 0.25 s 时网侧a 相发生电阻性接地，接地电阻为4 Ω，网侧电压出现三相不平衡，故障相电压幅值跌落至稳态值的89%， 由于中性点直接接地，非故障相电压仍为稳态值，0.3 s 时故障切除；0.35 s 时a 相经0.5 Ω 电阻接地，故障相电压幅值跌落至稳态值的50%，0.4 s 时恢复正常运行状态；0.45 s 时网侧a 相经0.01 Ω 电阻接地， 故障相电压幅值跌落至稳态值的2%，0.5 s 时故障切除，整个过程中网侧电压变化波形如图7 所示。传统PI 控制的仿真波形[19]如图8 所示。 本文所提策略的仿真波形如图9 所示。

图7 网侧电压变化波形Fig.7 Voltage variation waveform at grid side

图8 传统控制仿真波形Fig.8 Simulation waveform of traditional control

图9 ISC-CSC 仿真波形Fig.9 Simulation waveform of ISC-CSC

由图8 可知，当输入侧发生单相接地故障时，网侧电压出现三相不平衡，由于传统PI 控制未对负序电流进行抑制，电流出现严重的三相不平衡，尤其在0.45～0.5 s 时，a 相经0.01 Ω 电阻接地，此时电流的幅值与相位均存在较为严重的三相不平衡故障， 造成电流迅速上升， 必将增加损耗与发热，这可能致使输入级的IGBT 烧损，同时，三相不平衡电流会增加电网线路损耗，降低电能质量。在瞬时接地故障导致的电压三相不平衡工况下，本文控制策略下电流仍可维持三相平衡， 故障切除后电流迅速恢复稳态值， 有效解决了瞬时单相接地故障导致的不平衡问题。 网侧电压三相不平衡时， 中压直流母线与功率波形中均出现二倍频波动。 而在本文ISC-CSC 方式下，电流三相不平衡得到了有效抑制， 消除了中压直流母线以及降低了功率波形中的二倍频分量。 由于固态变压器中间直流环节的解耦作用， 实现了故障在输入级与输出级之间的隔离。

3.2 网侧谐波治理试验

图10 为网侧谐波污染时的仿真工况，0.25 s时网侧电压中注入幅值为0.1 p.u.、相位为-20°的5次正序谐波分量，0.3 s 消除谐波，0.35 s 时注入幅值为0.1 p.u.、 相位为30°的7 次正序谐波分量，0.4 s 消除谐波，0.45 s 时注入幅值为0.2 p.u.、相位为30 °的5 次正序谐波分量与幅值为0.15 p.u.、相位为30°的7 次负序谐波，持续时间0.05 s。 与图11 的传统PI 控制比较，本文ISC-CSC 方式控制的模块化固态变压器， 对电能质量的优化效果如图12 所示。

图10 输入电压波形Fig.10 Input voltage waveform on grid side

图11 传统控制仿真波形Fig.11 Simulation waveform of traditional control

图12 ISC-CSC 仿真波形Fig.12 Simulation waveform of ISC-CSC

对比图11（a）与图12（a）可知：在0.25 s 时电压中注入5 次谐波， 经FFT 分析， 电压THD 为9.12%，此时在传统控制下的电流出现谐波污染，THD 为51.1%，而在本文控制方式下的电流仍保持较高的质量，THD 仅为5.18%；0.35 s 时电压中注入7 次谐波，电压THD 为9.13%，传统PI 控制下电流THD 为52.56%， 而在本文ISC-CSC 控制下电流THD 仅为4.91%；0.45 s 时电压谐波污染增 加， 同 时 注 入5，7 次 谐 波， 电 压THD 为22.78%， 此时, 传统控制下电流谐波污染严重，THD 高达168.62%，而本文ISC-CSC 方式下THD仅为10.44%， 有效降低了电流谐波。 对比图11（b），（c）与图12（b），（c）可知，在电网谐波污染时，本文ISC-CSC 方式下的直流电压波动略小于传统控制， 功率波动幅度则远小于传统控制。 此外，由于直流母线电压被控制在允许的范围内，此时输出交直流配电保持良好的供电质量。

在整个仿真过程中， 两种控制方式下的输出侧低压交流负载端口与直流负载端口均保持较好的电能质量， 这是由固态变压器本身的特性所决定的。经过中间直流环节解耦，即可实现输入与输出端的故障隔离， 但在模块化固态变压器的传统控制方式下的电能质量优化， 仅考虑到自身优势决定的三相不平衡故障、谐波污染问题的隔离，并未真正涉及到对配电网电能质量的治理。 而在本文的ISC-CSC 方式下， 不仅可以实现故障隔离，同时可以对配电网电能质量进行治理， 在电压三相不平衡、谐波污染工况下提升了网侧电流质量，对中压直流母线电压质量也有一定提升。

4 结论

本文提出了一种ISC-CSC 输入级控制策略，并建立MATLAB/simulink 模型进行仿真测试，通过与固态变压器的传统控制方式进行比较， 得出以下结论。

①所提方案不仅能隔离网侧电压三相不平衡与谐波污染对负载侧的影响， 同时也具备较强的治理能力， 与传统控制方式下的模块化固态变压器相比较，ISC-CSC 策略降低了网侧电流三相不平衡度与电流总谐波畸变率。 ②当网侧电压发生三相不平衡与谐波污染时， 所提控制方式能消除模块化固态变压器直流母线电压中的二倍频分量，降低功率中的二倍频分量波动幅度。