基于MMC橋臂電流的STATCOM不平衡補償控制方法*

李婧, 袁旭峰, 袁曉敏, 劉安茳

(貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025)

0 引 言

電能質量日益重要，STATCOM因其可以從容性到感性整個范圍內進行連續快速的無功補償，且低壓條件下仍能有效發出無功，得到了電力工業界的廣泛關注[1-2]。當其用于配電網領域中，與輸電系統相比，治理電網電壓不對稱及諧波等問題的概率大大增加。STATCOM控制器一般在電網電壓平衡狀態下設計，當電網電壓由于三相負載不對稱會出現負序和諧波分量，造成STATCOM 裝置過流和直流側電壓波動，嚴重時裝置要退出運行[3-4]。隨著電力系統不斷擴大，對補償裝置STATCOM的容量和電壓等級等要求越來越高，MMC作為一種新型電壓源換流器[5-7]具有模塊化設計、易于擴展及輸出諧波低等優點被認為用于電能質量治理領域中具有很好的應用前景。因此，研究MMC-STATCOM 在補償不平衡負載下的控制策略具有重要意義。

三相負載不平衡時， MMC-STATCOM同時發出無功電流和負序電流以保證PCC電壓的對稱和支撐。交流側電流參考值通常基于不平衡負載提取并采用dq坐標下正、負序兩套雙環分別跟蹤無功電流和負序電流[8]，其綜合補償使MMC-STATCOM內部產生不平衡電流，造成子模塊電容電壓二倍頻波動，需增加額外的環流抑制器[9]。針對繁瑣旋轉坐標下的正負序雙環控制，文獻[10]提出了一種在交流系統不對稱情況下基于復數濾波器[11]的無鎖相環控制策略，解決了鎖相環[12]和旋轉坐標變換所帶來的誤差和延時，然而頻率的偏移和電網電壓嚴重畸變會產生一定誤差。文獻[13]在αβ坐標下提出一種MMC直接功率補償控制策略，不需對交流電流進行正負分離，但對功率控制器線性化處理忽略了耦合因數。針對MMC環流抑制器常規方法分別控制其不同分量所帶來的復雜性，文獻[14]用PIR控制器實現對環流所有分量的同時控制，避免了分離環流不同分量所帶的麻煩，但認為三相環流直流分量彼此相等，不適合MMC-STATCOM綜合補償時對環流的抑制；文獻[15]用PI和VPI控制器實現對環流所有分量同時控制，考慮了電網電壓不平衡MMC三相環流直流量不一定相等。但對MMC外特性和內特性分別給予控制，使整體控制結構變得復雜。針對這一問題，提出了一種基于MMC橋臂電流并采用準PR控制器將MMC-STATCOM交流側和內部環流同時控制的方法，無需環流抑制器，無須正負序分量分離和旋轉坐標變化，沒有受參數影響的耦合項，減少了調節參數，因此整體控制結構大大簡化，響應速度快，控制也更易實現。仿真和實驗結果驗證了本文提出的MMC-STATCOM不平衡控制策略的正確性和可行性。

1 MMC-STATCOM數學模型

三相MMC-STATCOM電路如圖1所示，其子模塊采用半橋結構，T1和T2互補導通對應子模塊端口電壓+Uc或0，通過調節MMC上，下橋臂子模塊投入個數，以實現其交流側電壓的輸出。usj和isj(j=a,b,c,下同)分別為交流側相電壓和相電流；upccj為PCC電壓值；ucj和icj分別為MMC-STATCOM輸出電壓和電流；ujp和ujn分別為j相MMC上、下橋臂的子模塊投入電壓總和;ijp和ijn為j相上、下橋臂電流；udc為直流側電壓；iLj為負載電流。

根據圖1 MMC電路結構及基爾霍夫定律，可推導在abc三相坐標系下MMC-STATCOM交流側和直流側動態數學方程為[16]：

(1)

(2)

圖1 三相MMC-STATCOM拓撲結構

(3)

環流在MMC橋臂等效損耗電阻和電抗上產生的電壓降稱為不平衡壓降，表示為：

(4)

式(1)與式(4)相減聯立式(3)可得MMC上橋臂電壓:

(5)

式(1)與式(4)相加聯立式(3)可得MMC下橋臂電壓：

(6)

由此可得MMC-STATCOM上、下橋臂電壓:

(7)

2 MMC-STATCOM綜合補償原理

文獻[17]分析了MMC-STATCOM 補償無功功率原理，通過控制MMC-STATCOM輸出電壓的相角和幅值來實現MMC-STATCOM與電網側有功和無功的交換，補償無功保證單位功率因數輸出。當MMC-STATCOM工作于三相不平衡即補償不對稱負載時，需同時補償由不平衡負載產生的負序電流維持PCC電壓穩定，抑制三電網電壓三相不平衡。

假設MMC-STATCOM輸出電流包括無功電流分量和負序電流分量，輸出電壓ucj只含有正序分量，且無功電流超前電壓90ο。

(8)

由式(8)可得綜合補償電流引起的j相交流側瞬時功率為：

(9)

由式(9)可知綜合補償電流引起電網向MMC-STATCOM的j相注入的有功功率為：

(10)

由此可得各相有功功率的注入有差異，但三相有功功率之和為零，總有一相(或兩相)輸出有功功率，另外兩相(或一相)吸收有功功率，因此并不會改變MMC-STATCOM與電網間總的有功功率交換。MMC上、下橋臂之間形成回路可實現任意兩相之間有功功率的交換，因此MMC-STATCOM可以進行綜合補償。

3 MMC-STATCOM控制系統設計

3.1 橋臂電流參考值提取

(11)

最后將基于dq坐標下的正負序電流參考值轉化為三相靜止坐標下MMC交流側電流的參考值，即：

(12)

(13)

MMC-STATCOM交流側電流參考值完整提取過程如圖2所示。

圖2 交流側電流參考值提取框圖

(14)

3.2 基于MMC橋臂電流的準PR控制器

采用準PR控制器控制MMC橋臂中的交流量，由式(14)可知MMC-STATCOM補償不平衡負載時的橋臂電流參考值包含基頻分量和二倍頻分量，而流過MMC-STATCOM上、下橋臂電流除了有基頻和二倍頻分量，還包括直流分量，因此首先通過陷波器獲取橋臂電流中的交流分量。然后將準PR控制器諧振頻率設定為基頻R1和二倍頻R2分別用來控制橋臂電流的基頻分量和二倍頻分量。結合式(7)可得MMC-STATCOM的j相上、下橋臂電壓的參考值為：

(15)

圖3為MMC-STATCOM基于橋臂電流的準PR控制器框圖，結合子模塊電容電壓平衡策略通過載波移相調制策略得到MMC三相上、下橋臂子模塊的開關信號Sapk、Sank、Sbpk、Sbnk、Scpk和Scnk(k為MMC-STATCCOM第j相子模塊個數)，驅動MMC子模塊上、下開關管的導通和關斷獲得期望的電壓輸出，實現與電網有功和無功的交換，并且其整體控制策略被大大簡化。

圖3 統一電流控制器

4 仿真結果與分析

為驗證所提出的統一電流控制器有效性和合理性，在 PSCAD /EMTDC 軟件中搭建如圖 1所示的三相五電平MMC-STATCOM仿真模型，相應仿真參數如表1所示。圖2為仿真中所提取交流側電流參考值，內部二倍頻環流參考值為零，式(14)為MMC-STATCOM上、下橋臂電流參考值。圖3為仿真中所用的控制策略，其中移相載波調制和子模塊電容電壓均衡策略參考文獻[18]。

圖4(a)為MMC-STATCOM輸出電流波形，從圖中可以看出0.5 s時刻 MMC-STATCOM接入系統后輸出電流包含無功電流和負序電流以補償三相不平衡負載，且響應速度較快；圖4(b)為電網電壓波形，在補償之前負載的不平衡導致電網電壓跌落且存在不平衡現象,其不平衡度為20.5%，0.5 s補償之后 電網電壓上升且負序分量得到很好抑制，電網電壓保持平衡狀態，不平衡度控制在1%范圍內。圖4(c)為三相電網電流波形，0.5 s之前電網電流含有無功分量和負序分量，0.5 s之后電網電流只有正序分量，電流幅值減少且保持對稱，由未補償前最大值有效值0.318 kA降到0.212 kA，有利于減少傳輸線路上的有功損耗。圖4(d)中以a相為例為電網電壓和電網電流(幅值擴大10倍)的相位關系，可以看出0.5 s MMC-STATCOM提供無功電流和負序電流補償后，系統功率因數明顯改善，電網電壓和電流的相位基本一致。

表1 仿真參數

圖4 MMC-STATCOM綜合補償仿真結果

圖5為MMC-STATCOM接入系統后采用統一電流控制策略其內部環流控制效果圖，由圖可看出環流的二倍頻波動得到很好的抑制，且其b,c相環流直流量(均為7.5 A)與a相環流直流分量方向相反(-15 A)，三相環流之和為零，驗證了式(10)通過瞬時功率推論MMC-STATCOM補償不平衡負載時總有一相(或兩相)輸出有功功率，另外兩相(或一相)吸收有功功率，說明MMC-STATCOM補償不平衡負載的可行性。

圖5 MMC-STATCOM三相內部環流

5 結束語

研究了一種可以改善/解決電網電壓不平衡現象的新型補償裝置MMC-STATCOM，首先分析該結構綜合補償的原理，然后介紹以不平衡負載電流作為MMC-STATCOM交流側電流參考值時的提取方法，提出一種基于MMC橋臂電流的統一電流控制器。統一電流控制器用于STATCOM無功和負序電流的綜合補償，將MMC-STATCOM交流側電流和內部環流采用準PR控制器同時控制，簡化了整體控制結構，并且綜合補償效果明顯內部環流二倍頻分量也得到很好抑制。最后通過仿真驗證了該方法的有效性和可靠性，為研究實際裝置打下基礎。