基于ZigBee與混沌加密的智慧實驗室系統設計

康守強 王金龍 王玉靜 梁亞琦 鄭勢

摘 要：針對常規半橋型模塊化多電平換流器對三相相間環流抑制能力不足的問題，采用了一種新型功率拓撲結構，在每個橋臂上增加一個H橋單元來抑制環流，避免了復雜的坐標變換和解耦控制，實現了環流的有效抑制;同時，針對子模塊電容電壓不平衡的問題，采用了電容電壓分級式均壓控制策略，實現了電容電壓的穩定;然后，將模塊化多電平換流器相關控制策略應用在高壓大功率靜止同步補償器中;最后在Matlab/Simulink中搭建了包含6個半橋子模塊和1個H橋單元的MMC-STATCOM仿真模型，結果證明了所述的新型功率拓撲的有效性及控制策略的可行性。

關鍵詞：模塊化多電平換流器; 靜止無功發生器; 電壓平衡; 環流抑制

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.013

中圖分類號： TM46

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）04-0070-11

Abstract：Capacitor voltage control and circulation current suppression are of great importance in the research of MMC topology. To solve the problem of the normal half bridge MMC having no enough ability to control circulation current around three-phase， we propose a novel MMC topology. Each arm of the novel topology adds a H bridge to suppress circulating current， simultaneously avoid the complex coordinate transformation and decoupling control， realize the effective inhibition of the circulating current. At the same time， the problem of the capacitance voltage imbalance of the submodule is solved by the capacitive voltage graded equalization control strategy and the stability of capacitors voltage is realized.Then， the MMC control strategy is used in high voltage and high power static synchronous compensator occasions. Finally， the model of MMC-STATCOM with six half-bridge modules and one H bridge module is realized by Matlab/Simulink. The simulation results demonstrate that the novel topology is effective and the control strategy is reasonable.

Keywords：modular multilevel converter; static synchronous compensator; voltage balance; circulation inhibition

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，各種電力換流器及非線性負載的大量應用，在電網中產生了大量的無功及諧波[1]。為了改善電網的供電質量，采用無功補償裝置來提高功率因數和抑制諧波是一種很好的辦法[2]。

迄今為止，換流器大多采用傳統的兩電平或三電平的拓撲結構。但是，在高壓大功率場合時，為了滿足容量的需求，經常采用器件的串并聯結構，這種結構要求同一橋臂的開關器件同時導通和關斷，而開關器件的均壓與均流控制是一個難點。同時，這種拓撲輸出電平數少，諧波含量大。

多電平的拓撲結構在高壓大功率領域有獨特的優勢，因此得到廣泛的關注與深入的研究[3]。常見的多電平拓撲主要有飛跨電容型、二極管箝位型和H橋級聯型等三種[4]。飛跨電容型和二極管箝位型拓撲隨著輸出電平數的增加，所需的開關器件和箝位電容數量迅速增加，實現更多電平的變換電路變得困難，而且需要電容電壓均衡控制，不易普及[5]。至于H橋級聯拓撲結構，由于無公共的直流母線，橋臂間不能傳遞有功能量，因此各個模塊間的電容電壓平衡難以實現[6]。

針對以上功率拓撲的缺點，德國學者提出了模塊化多電平換流器（MMC）的拓撲結構[7]。該結構具有公共直流母線，相間能量能夠相互流動，在電網畸變時能夠實現無功功率、諧波以及不平衡的綜合補償，因此得到了廣泛的關注。

目前，對MMC的研究工作主要是主電路功率拓撲結構和電壓平衡控制策略方面。橋臂間的環流會對系統的整體性能和電壓平衡產生影響，然而目前針對MMC環流方面的研究工作還不夠深入。

針對三相間的環流問題，文[8]指出了環流中存在二倍頻負序分量，但沒有給出具體的解決辦法;文[9]提出了通過增加橋臂電感，來實現對環流的抑制，但橋臂電感的增大會導致系統體積和成本的增加;文[10]提出通過控制上、下橋臂電容電壓差值來抑制環流，但該方法需要采集所有功率單元的直流側電容電壓，實現起來較為復雜且抑制效果一般;文[11]提出一種基于二倍頻負序旋轉坐標系下的環流解耦控制方法，該方法增加了MMC控制系統的運算量，且無法推廣到四線制及以上系統中;文[12]采用了子模塊均壓控制方法，但該方法不能完全消除電容電壓的波動，且對環流的抑制效果并不明顯。

針對MMC的調制策略，文[13-14]釆用空間矢量調制技術，由于空間矢量數與電平數呈立方關系，因此，在電平數高的場合中運算將會非常復雜;文[15]采用特定次諧波消去法，利用階梯波來逼近正弦波，但是在計算過程中需要求解高階非線性超越方程組，計算起來非常復雜;文[16]提出了一種最近電平逼近的調制方法，但在電平數較低時會產生大量的諧波。

本文結合MMC自身的特點，通過對該功率拓撲結構和工作原理的分析，采用載波相移調制技術，該技術動態調節能力強，在較低開關頻率下也具有良好的抑制諧波能力;其次，為了抑制環流，提出了一種在傳統MMC的基礎上增加H橋模塊的新型拓撲結構;最后，將本文所提出的控制策略應用在高壓、大功率STATCOM系統中，并通過系統仿真驗證。

1 模塊化多電平變換器（MMC）

1.1 傳統MMC拓撲結構分析

1.2 子模塊（SM）工作原理

圖1中SM表示MMC拓撲結構的子模塊，是組成MMC的基本單元，它是由兩個功率開關管T1、T2組成的半橋子模塊單元，直流側為一個大電容C。其中：ism表示流入/流出SM模塊橋臂電流;usm表示SM模塊輸出的電壓;Vd表示SM模塊直流側電壓。根據SM子模塊不同的工作狀態，可輸出0和Vd。若用S1和S2表示T1（D1）和T2（D2）的開關狀態，則子模塊的橋臂電流ism方向與輸出電壓usm狀態如表1所示。

1.3 模塊化多電平換流器調制技術

載波相移調制技術（CPS-SPWM）基本原理為：同一橋臂共用一個調制波，每相上、下橋臂的調制波相位相反，保證了換流器每相在任意時刻投入的子模塊數均是n。三角載波根據一定規律移相一定的角度與調制波比較，發出一組PWM后控制換流器子模塊投切狀態，子模塊輸出的電壓疊加得到多電平電壓輸出。

載波相移調制技術的應用使得換流器的直流母線電壓等于一相2n個子模塊輸出電壓之和，單個子模塊只需承受1/n直流母線電壓;輸出的相電壓是（n+1）電平，線電壓是（2n+1）電平，整個系統等效開關頻率為載波的2n倍。

1.4 子模塊電容均壓控制

模塊化多電平換流器（MMC）正常運行的必要條件是要有一個穩定的直流側電壓[17]。

本文采用微調修正MMC調制波的分級式電容電壓平衡控制方法進行子模塊電容均壓控制，主要為相單元平均電壓平衡控制和橋臂內部子模塊電容電壓平衡控制。

1）相單元平均電壓平衡控制

圖3（a）為相單元平均電壓平衡控制框圖，電壓外環使每相子模塊電容電壓平均值U-c跟隨給定指令Uref。電流內環的給定i*j，cir由電壓外環PI調節得來。電流內環是為了抑制相間環流，也采用PI調節器，其輸出是平均電壓平衡控制信uAj。圖中U-c和icir由以下列兩式得到

1.5 基于新型拓撲的環流抑制控制策略

本文提出的新型拓撲結構是在原MMC系統的基礎上，每相上、下橋臂各加入一個H橋單元，如圖4所示。

新型MMC系統的整體控制結構如圖6所示，其中控制器1控制MMC的功率模塊部分，在控制系統輸出的無功補償電流的同時，也控制著功率模塊的電容電壓，使其保持平衡。控制器2控制全橋模塊部分，在輸出電壓中插入合適的電壓便能抑制環流。

由圖7可知，環流與環流的指令信號icir，ref比較，經比例調節之后均分成2份，分別加在該相上、下橋臂全橋模塊的調制信號上。

控制器2還要保持全橋模塊電容電壓的平衡。全橋子模塊的電容電壓值與指令信號VH，ref作差，經PI調節后乘以橋臂電流的符號函數。最后，將得到的全橋子模塊調制信號Vr，ref（r=P，N）與三角載波比較后生成驅動信號，控制全橋子模塊的電容充放電，實現了電容電壓的平衡控制。

新型拓撲每個橋臂只增加一個H橋模塊即可容易實現環流抑制的目的，避免了復雜的坐標變換和解耦控制。實際工程中每個橋臂中子模塊數目達到數十甚至數百個，增加一個H橋模塊從經濟角度來看微不足道，卻能使系統的控制變得簡單，環流抑制的效果得到提高，使得系統更為可靠。

2 基于MMC的STATCOM控制策略

在對MMC關鍵技術深入分析的基礎上，對基于MMC的STATCOM控制策略進行研究。

2.1 ip-iq電流檢測法

無功與諧波電流檢測的性能直接影響著STATCOM補償的效果[18]，因此，本文采用基于瞬時無功功率理論的ip-iq電流檢測法。基于瞬時無功理論的ip-iq電流檢測法，能快速準確地檢測出電網中的無功和諧波電流的大小。檢測過程如圖8所示。

2.2 前饋解耦的電壓電流雙閉環控制

STATCOM輸出的有功電流id和無功電流iq通過電感L耦合在一起，當輸出電壓變化時輸出電流也跟著變化，不容易實現雙閉環控制。通過引入電壓前饋解耦控制，能夠優化控制，系統的動靜態性能會更好[19]。

將dq坐標系下的反饋電流與給定電流比較，通過PI控制器得到中間變量y1、y2，從而在dq坐標系下實現解耦。圖10為基于前饋解耦的雙閉環STATCOM系統結構框圖，可以看出，系統由電壓外環和電流內環構成。電壓外環使直流側電容電壓跟隨指令信號Uref，通過電壓PI調節器，其輸出i*d當作有功電流的給定值;而無功電流給定值i*q是負載電流經abc/dq變換再取反得到的;將換流器輸出的補償電流ia、ib、ic經abc/dq變換得到id和iq，和i*d、i*q作差，經電流環PI調節，得到中間變量y1、y2，再根據式（18）得到期望的輸出電壓u*cd、u*cq;對u*cd、u*cq進行dq/abc變換得到靜止坐標系下的三相調制信號，與相移三角載波比較生成子模塊驅動信號，從而控制MMC換流器輸出電壓的幅值和相位，實現無功補償。

2.3 電網不平衡時電流檢測方法

當三相不對稱時，采用延遲法對輸入電壓正負序分離，分別獲得正負序電壓分量，鎖相環跟隨a相正序電壓分量的相位，檢測負載電流中的無功電流[20]。電網不平衡時的電流檢測見圖11，最終得到正序有功分量i+d、無功分量i+q，負序有功分量id-、無功分量iq-。

2.4 基于新型拓撲的STATCOM系統總控制策略

控制器1為無功補償控制器，是電容均壓控制與基于前饋解耦的電壓電流雙閉環控制結合得到的;控制器2為基于全橋模塊的環流抑制控制器。綜合控制器1和控制器2，可得MMC-STATCOM總控制策略，如圖12所示。

3 系統的仿真及實驗分析

3.1 系統的仿真模型

在對基于MMC的STATCOM的電容電壓平衡控制、換流抑制、電壓前饋解耦控制等關鍵技術進行深入分析的基礎上，進行了仿真研究。下面詳細介紹系統的各組成部分：

無功與諧波電流檢測模塊如圖13所示。

3.2 仿真結果分析

基于Matlab/Simulink仿真參數如表2所示。

3.2.1 系統補償性能分析

1）無功補償分析

圖19為三相對稱阻感負載時的電壓、電流波形，電阻值為30Ω，電感值為45mH。為了方便分析，將電流放大10倍，由圖19可以看出：補償前，電網電流滯后于電壓;補償后， 電網電壓、電流同相位，可見基于MMC的STATCOM系統具有較好的無功補償效果。

2）諧波抑制分析

負載為三相整流阻感負載，其中R=100Ω，L=10mH，仍以a相為例對系統諧波抑制的能力進行分析。圖20（a）、圖20（b）分別為補償前后的a相電流波形，補償前后a相電流的頻譜分別為圖21、圖22所示。

3）系統動態性能分析

對系統動態性能進行了仿真研究，如圖23所示。在0.04s時刻之前，STATCOM補償裝置處于切斷狀態，此時a相電流滯后電網電壓;在t=0.04s時投入STATCOM，電壓、電流在0.05s之前就同相位了。可見，本文所設計的STATCOM能夠快速補償無功，動態性能較好。

3.2.3 系統輸出電壓仿真分析

a相輸出電壓如圖26（a）所示，可見基于新型拓撲的STATCOM與基于傳統拓撲的STATCOM的輸出電壓均為13電平，驗證了全橋模塊對系統的輸出電壓無影響。圖26（b）為a相輸出電壓的頻譜圖，可以看出其THD僅為8.07%，諧波成分較低。

3.2.4 環流抑制仿真分析

對本文提出MMC環流抑制控制策略進行仿真研究，如圖27所示。圖27（a）為環流抑制前的三相環流波形，可見，主要成分是二倍頻負序交流量，環流在0.04s后達到穩態，幅值約為8.3A。圖27（b）為環流抑制后的三相環流波形，可以看出，環流抑制效果明顯，環流的幅值從8.3A減小到0.5A以內。

對比可知，基于新型功率拓撲的環流抑制策略對環流有較好的抑制效果。

3.2.5 電網不平衡時補償性能

電網三相電壓分別設為usa=2150sin（ωt），usb=2450sin（ωt-2π/3），usc=2750sin（ωt+2π/3），負載為三相對稱阻感型，電阻等于10Ω，電感等于20mH。

圖28為補償裝置投入前后的網側電流，投入前網側三相電流不平衡，投入后三相電流達到平衡。

4 結 論

本文在深入分析MMC拓撲結構、工作原理的基礎上，提出了相單元平均電壓平衡控制和橋臂內部子模塊電容電壓平衡控制策略，并提出了一種帶全橋子模塊的MMC來環流抑制的方法，同時，將新型MMC功率拓撲及控制策略應用在STATCOM中。最后進行了系統仿真研究，結果表明所提方法具有較好的穩壓、均壓和環流抑制能力，所實現的STATCOM系統具有較好的無功補償和諧波抑制功能。

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（編輯：溫澤宇）