基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置

王　靚，任洪強(qiáng)，陳國宇，王寶安

（1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州225009；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置

王靚1，任洪強(qiáng)2，陳國宇2，王寶安2

（1.揚(yáng)州供電公司，江蘇揚(yáng)州225009；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096）

針對傳統(tǒng)三相四線制三相半橋電壓型脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流器在補(bǔ)償無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流方面，其輸出電壓電平數(shù)受到限制，導(dǎo)致最終的補(bǔ)償效果不夠理想；星型鏈?zhǔn)郊壜?lián)H橋多電平雖然能夠提高換流器的輸出電壓的電平數(shù)，但是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流器對基波負(fù)序電流的補(bǔ)償能力有限；三角形鏈?zhǔn)郊壜?lián)H橋多電平雖然能夠提高對基波負(fù)序的補(bǔ)償能力，但是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換流器不能應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)。為此，提出了一種基于模塊化多電平換流器（MMC）的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償方案。MMC以其模塊化的特點(diǎn)，理論上其輸出電壓電平數(shù)可以擴(kuò)展到任意值，達(dá)到優(yōu)化補(bǔ)償效果的目的，并且其可用于三相四線制系統(tǒng)的電能質(zhì)量補(bǔ)償。通過PSCAD/EMTDC平臺搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明：利用MMC可以對三相四線制系統(tǒng)中的無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償效果良好。

模塊化多電平換流器；電能質(zhì)量補(bǔ)償；三相四線制系統(tǒng)；直流側(cè)電容穩(wěn)壓與均壓

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中大量非線性負(fù)載和電力電子裝置的普遍使用，使得大量的諧波電流和無功電流注入電網(wǎng)，可能引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使得諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備毀壞［1，2］。目前我國的供電系統(tǒng)絕大部分都采用三相四線制系統(tǒng)即存在中線，因而三相電流之和不為零，各種單相負(fù)載的接入勢必會導(dǎo)致三相四線制系統(tǒng)的不對稱運(yùn)行［3］。

針對三相四線制系統(tǒng)存在無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流分量的情況，大量文獻(xiàn)對其進(jìn)行分析并提出了相應(yīng)的解決方案。文獻(xiàn)［4］介紹了一種基于級聯(lián)H橋換流器的諧波抑制和無功補(bǔ)償一體化裝置的控制與調(diào)制，其將有源濾波器（APF）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）功能結(jié)合起來，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償和諧波抑制，但是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不能應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)，且其對補(bǔ)償負(fù)載的不平衡電流能力有限。文獻(xiàn)［5］針對不對稱三相四線制系統(tǒng)中零序電流的補(bǔ)償，提出采用三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器來濾除其中的零序電流，提出了一種不經(jīng)過坐標(biāo)變換的滯環(huán)控制法，但是該文獻(xiàn)所述換流器的輸出電壓的電平數(shù)受到限制，導(dǎo)致其最終的補(bǔ)償效果并不理想。文獻(xiàn)［6］對應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)的模塊化多電平換流器（MMC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了MMC應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)綜合補(bǔ)償時(shí)的指令電流的提取方法，但該控制方法局限于三相三線制系統(tǒng)。所以研究基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償對三相四線制系統(tǒng)中存在的無功、諧波、基波負(fù)序、和零序電流進(jìn)行補(bǔ)償有著重要意義［7］。文中將MMC應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)的電能質(zhì)量補(bǔ)償中，對其電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，仿真驗(yàn)證得到了較好的補(bǔ)償效果，證明了MMC用于三相四線制系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)挠行约皟?yōu)越性。

1　主電路拓?fù)渑c工作原理

1.1主電路拓?fù)?/p>

基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。MMC換流器共有6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊（SM）和一個(gè)橋臂電抗器Larm串聯(lián)組成，三相四線制系統(tǒng)的中性線連接到MMC換流器直流側(cè)電容C1和C2的中點(diǎn)，ZA，ZB，ZC分別表示A、B、C相的系統(tǒng)阻抗。

圖1基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC換流器子模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示，子模塊由1個(gè)電容和2個(gè)帶有反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成。設(shè)子模塊的電容電壓為Vc，輸出電壓為Vx。無論橋臂電流的方向如何，子模塊輸出電壓Vx都在Vc和0之間切換。當(dāng)T2導(dǎo)通，T1關(guān)斷時(shí)，Vx= 0；當(dāng)T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷時(shí)，Vx=Vc。每相都有N個(gè)模塊被旁路，通過改變上下橋臂子模塊的工作狀態(tài)，就可以使MMC換流器交流側(cè)輸出預(yù)期的交流電壓。

圖2 MMC換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2工作原理

基于MMC換流器的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償工作原理是首先檢測補(bǔ)償對象的電流，分離出其中的無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流，控制MMC換流器產(chǎn)生與上述參考電流大小相等、極性相反的補(bǔ)償電流，于是達(dá)到消除電網(wǎng)中的無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流的目的。若參考電流irefz（z=a，b，c）中含有零序電流，則基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)的輸出電流icomz（z=a，b，c）將流過中性線，因而MMC換流器每相輸出電流都會流過電容C1或C2，然后再返回中性線，且該電流的流向是雙向的。

2　基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的控制策略

基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的控制策略主要包括指令電流計(jì)算、電流跟蹤控制、直流電壓控制和調(diào)制策略，整體控制如圖3所示。首先根據(jù)負(fù)載電流、直流側(cè)電容電壓和直流側(cè)參考電壓計(jì)算出三相指令電流；然后將三相指令電流與三相逆變器出口電流經(jīng)過比例積分（PI）控制器，得到指令電壓，最后將得到的指令電壓再加上子模塊穩(wěn)壓及均壓指令送給脈寬調(diào)制（PWM）產(chǎn)生電路產(chǎn)生IGBT驅(qū)動信號。

圖3基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的整體控制

2.1指令電流計(jì)算

MMC指令電流檢測內(nèi)容主要包括無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流。文中設(shè)計(jì)的三相四線制MMC換流器的檢測系統(tǒng)原理如圖4所示。檢測系統(tǒng)以id-iq檢測方法為基礎(chǔ)，取三相負(fù)載電流信號為iLA，iLB，iLC，由于零序電流分量i0=iLA+iLB+iLC，因此該三相負(fù)載電流分別減去1/3i0即得不含零序的電流值，再經(jīng)過dq變換，轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)有功電流和無功電流：

圖4 MMC換流器指令電流檢測原理

將得到的有功電流分量經(jīng)過低通濾波器得到有功直流分量，最后將其進(jìn)行反變換得出基波正序分量，再與負(fù)載電流相減得出除基波正序分量以外的無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流的總和。

基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)的綜合補(bǔ)償相比于目前應(yīng)用在三相三線制的系統(tǒng)來說，必須考慮MMC直流側(cè)上下電容總的穩(wěn)壓和均壓，而MMC換流器直流側(cè)總電壓的穩(wěn)壓控制策略采用有功分量注入的方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，其控制如圖5所示。

圖5 MMC換流器直流側(cè)總電壓穩(wěn)壓的控制

另外，考慮到實(shí)際電容的容值和功率損耗的不同，需采取均壓策略對該MMC換流器的直流側(cè)2個(gè)電容的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證兩者的電壓相同。文中采取的策略是取2個(gè)電容電壓之和的瞬時(shí)值Udcsum的一半與其中的某一個(gè)電容電壓瞬時(shí)值Udcup或Udcdown作差，然后將差值信號經(jīng)PI控制器得到控制信號，再將該控制信號以零序分量的形式注入到三相調(diào)制波中，即可使得直流側(cè)2個(gè)電容電壓保持相同，且為指令電壓的一半。其控制如圖6所示。最后將上述的指令電流進(jìn)行合成，得到MMC換流器的指令電流，如圖7所示。

圖6 MMC換流器直流側(cè)電容均壓的控制

圖7 MMC換流器的指令電流合成

2.2 MMC子模塊直流電壓穩(wěn)壓與均壓策略

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，子模塊中的電容在不斷地充電與放電。若不加以控制，子模塊電容電壓偏離較大，影響系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。文中選擇基于分級控制的均壓策略，該策略將子模塊電容均壓分為相間電壓均衡控制和各個(gè)子模塊電容電壓均衡控制。

（1）相間電容電壓均衡控制。該控制的作用是保證每個(gè)相單元中所有子模塊電容電壓的平均值跟蹤其額定電壓值，從而保證能量在三相單元中均勻分配。控制結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8相間電容均壓控制

（2）子模塊電容電壓均衡控制。該控制的目的是使每個(gè)橋臂上所有子模塊的電容電壓跟隨其參考值。其控制如圖9所示。

圖9子模塊電容電壓均衡控制

2.3 MMC的調(diào)制策略

采用前節(jié)所述的指令電流檢測方法，檢測出需要補(bǔ)償?shù)碾娏鳎缓髮⒀a(bǔ)償電流與MMC換流器出口電流作差，并將差值信號通過PI控制器，加上子模塊穩(wěn)壓和均壓指令得到每個(gè)子模塊的最終指令電壓，再與載波三角波進(jìn)行對比得到開關(guān)控制信號。文中采用的調(diào)制策略是載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（CPSSPWM）［8］。在MMC中，為保證每相每時(shí)刻都有N個(gè)子模塊導(dǎo)通，上、下橋臂的調(diào)制波相位差為π，每個(gè)橋臂內(nèi)相鄰模塊的載波依次移相360°/N，對子模塊進(jìn)行調(diào)制，通過對每相子模塊輸出的電壓疊加得到多電平輸出波形。為了使得MMC每相輸出2N+1電平，當(dāng)每個(gè)橋臂子模塊的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，上、下橋臂的每個(gè)子模塊之間相位依次相差2π/N，并且上、下橋臂對應(yīng)的子模塊的載波相位相差π/N；當(dāng)每個(gè)橋臂子模塊的個(gè)數(shù)為偶數(shù)時(shí)，上、下橋臂的每個(gè)子模塊之間相位依次相差2π/N，上、下橋臂對應(yīng)的子模塊的載波無相位差。通過該方法可以保證MMC換流器的輸出電壓電平數(shù)的增多，從而改善MMC逆變器的補(bǔ)償效果。

3　仿真實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)參數(shù)：MMC每個(gè)橋臂由4個(gè)子模塊組成，直流側(cè)電容額定電壓為720 V，直流側(cè)上、下電容容值分別為10-2F和2×10-2F，子模塊直流側(cè)額定電壓為180 V，子模塊直流側(cè)電容容值為6×10-3F，橋臂連接電感L為2×10-3H，系統(tǒng)電阻為10-2Ω，系統(tǒng)電感為10-5H，主電路開關(guān)為理想開關(guān)與二極管反向并聯(lián)，其開關(guān)頻率為2×103Hz。

負(fù)載參數(shù)：A、B相之間并有25 Ω的電阻，C相和N之間并聯(lián)了25 Ω的電阻，同時(shí)在A、B、C三相接有三相整流橋，其直流側(cè)由25 Ω的電阻和1.2 mF的電容并聯(lián)然后再與6×10-4H的電抗器相串聯(lián)而成。

圖10為采用2n+1調(diào)制方式A相輸出相電壓波形，從中可以看出A相輸出相電壓為9電平，電平數(shù)相對于三相半橋PWM整流器提高了很多。

圖10 A相輸出相電壓波形

圖11為基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)A相電壓、A相負(fù)載電流波形。可見，基于MMC換流器的三相四線制系統(tǒng)投入前，由于負(fù)載中有整流橋、電容、電感和電阻等因素的影響，導(dǎo)致其A相網(wǎng)側(cè)電壓與A相負(fù)載電流波形的相位有一定的偏移，且其功率因數(shù)為0.895 7。另外，由于整流橋引入，導(dǎo)致A相負(fù)載電流含有諧波分量，其總諧波畸變率（THD）為47.217%。

圖12為A、B、C三相負(fù)載電流，從圖中可以看出，三相負(fù)載電流不對稱，其不平衡度為15.425 6%。可以得出，由于A、B相之間和C相、N之間均并有電阻導(dǎo)致三相負(fù)載中含有一定的不平衡電流。

圖13為補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)A相電壓和A相電流，從

圖中可以看出，A相電壓和A相電流基本同相位，其功率因數(shù)為0.986 2，并且A相網(wǎng)側(cè)電流逼近正弦波形，其THD為4.620 9%。

圖11三相四線制系統(tǒng)補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)A相電壓和A相負(fù)載電流波形

圖12 A、B、C三相負(fù)載電流

圖13補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)A相電壓和A相電流

圖14為補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)三相電流波形，從圖中可以看出，三相網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦波，并且網(wǎng)側(cè)三相電流波形是對稱的三相電流波形，其不平衡度為3.054 8%。

圖14補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)三相電流波形

圖15為MMC換流器直流側(cè)上下2個(gè)電容的電壓波形，從中可以看出，二者的電壓波形幾乎相同，二者的電壓穩(wěn)定在360 V左右。所以基于零序分量注入的方法，可以實(shí)現(xiàn)了MMC換流器直流側(cè)電容均壓的目的。

圖15 MMC換流器直流側(cè)上下2個(gè)電容的電壓波形

4　結(jié)束語

針對基于MMC的三相四線制電能質(zhì)量補(bǔ)償進(jìn)行研究，將MMC換流器從三相三線運(yùn)用到三相四線制系統(tǒng)中，解決了傳統(tǒng)三相四線制三相半橋PWM整流器輸出電平數(shù)較少，導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流波形差（特別是當(dāng)電流較小時(shí)）的問題。針對MMC直流側(cè)上、下電容因參數(shù)的不同，可能導(dǎo)致其中某一電容兩端電壓過高的問題，采用了零序分量注入的方法，保證MMC直流側(cè)上、下電容電壓均衡，避免了其中某一個(gè)電容因?yàn)殡妷哼^大，造成故障。還給出負(fù)載電流中的無功、諧波、基波負(fù)序和零序電流的提取方法并進(jìn)行了分析，同時(shí)給出了具體的控制框圖。

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A Compensation Device of Power Quality in Three-phase Four-wire System Based on Modular Multi-level Inverter

WANG Liang1，REN Hongqiang2，CHEN Guoyu2，WANG Baoan2
（1.Yangzhou Power Supply Company，Yangzhou 225009，China；2.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The traditional three-phase four-wire three-phase half-bridge PWM voltage rectifier is widely used in compensating reactive power，harmonic，fundamental negative and zero sequence current.However，it has many problems:the number of its output level is limited，which may affect the eventual effect of compensation；cascaded H-bridge with star structure can increase the number of its output voltage level，but its ability to compensate the fundamental negative sequence current is limited；Cascade H with triangle structure can increase the ability to compensate fundamental negative sequence current，but it cannot be applied in the three-phase four-wire system.This paper develops a compensation device of power quality in the three-phase four-wire system based on modular multi-level inverter.In theory，the number of output voltage level of modular multi-level inverter can be extended to any value due to the modular nature.This character can optimize the compensation effect and let modular multi-level inverter suitable for the three-phase four-wire system.The simulation models of modular multi-level inverter are built in PSCAD/EMTDC platform.The simulation results show that modular multi-level inverter can compensate reactive power，harmonic，fundamental negative and zero sequence current for the three-phase four-wire system. Key words：modular multi-level converter；power quality comprehensive compensation；three-phase four-wire system；DC capacitor voltage's uniformity

TM761

A

1009-0665（2016）01-0057-04

2015-09-01；

2015-10-13
國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目（J2015084）

王靚（1986），男，江蘇揚(yáng)州人，工程師，從事無功電壓電能質(zhì)量管理等方面工作；

任洪強(qiáng)（1990），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

陳國宇（1990），男，安徽滁州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；

王寶安（1978），男，江蘇揚(yáng)州人，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。