基于改進MMC的靜止無功發生器

朱亮亮，陳潔，王小軍，段生強，鄭凱凱，楊國

(1.新疆大學電氣工程學院教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，烏魯木齊 830046；2. 國網新疆克州供電公司，新疆 克孜勒蘇柯爾克孜自治州 845350)

0 引言

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)通過將若干個子模塊級聯實現低壓開關器件在高壓等級的使用，在實際應用中，還可以根據需求對級聯模塊的數量進行改變以適應不同電壓等級，在改善電網的電能質量以及提高系統動靜態穩定性的過程中具有獨特優勢。其中，級聯H橋結構在中高壓無功補償現場應用廣泛[1]，但由于大量使用功率開關器件，導致成本偏高；傳統半橋MMC結構也存在同樣的問題。

目前關于MMC在STATCOM的應用，研究的方向主要集中在直流側電壓均衡控制，無功補償控制及環流分析等方面。文獻[2]通過對相與相、傳統MMC上橋臂與下橋臂、子模塊與子模塊之間的能量轉換機理進行了深入分析，并探討了影響電壓平衡的因素，在原有的三級能量平衡控制策略的基礎上增加了環流抑制部分，實現了電容電壓的平衡控制。文獻[3]詳細分析了公共耦合點(point of common coupling, PCC)電壓調節原理，提出的下垂調節方法可不受電流內環控制性能的影響，PCC電壓可在一定范圍內波動。文獻[4]分析了MMC環流形成機理，并列出了環流、橋臂電流和公共直流側電流的數學關系，在此基礎上提出了通用的環流抑制策略。

本文提出了一種改進的MMC拓撲，僅使用傳統MMC的下半橋臂，并在級聯模塊上層增加一組H橋，該結構在大量級聯時可降低IGBT使用數量，在使用相同數量的開關器件時產生的電平數較級聯H橋更多，控制方法簡單。對電路結構進行了分析，通過仿真驗證了該結構在無功補償中應用的可行性。

1 新型級聯靜止無功發生器的拓撲結構

對傳統半橋MMC電路[2 - 5]進行分析后，發現可對傳統半橋MMC電路進行優化，僅使用傳統MMC下半橋臂的結構，并在上層增加H橋結構，在不影響輸出的情況下，可以減少近一半的開關器件數量。同時沒有了上下橋臂之間的環流回路，因此控制策略也會有所不同。

下橋臂的級聯半橋模塊可通過開斷IGBT實現由恒定直流向饅頭波的變換。在級聯模塊的上層增加H橋結構，可以實現DC/AC變換，由于級聯結構多應用在中高壓場景，因此選擇由含門級可關斷晶閘管(gate turn-off thyristor, GTO)組成H橋電路，新型級聯靜止無功發生器的拓撲結構如圖2所示，可根據實際情況對子模塊進行擴容。

圖1 傳統MMC結構Fig.1 Traditional MMC structure

圖2 改進MMC-STATCOM的拓撲結構Fig.2 Improved MMC-STATCOM topology

假定直流側電容電壓相等，即Ud1=Ud2=…=Udn=E，對應的半橋模塊輸出電壓為U1、U2等，Ui可通過半橋結構的開關函數Mi來表示。

(1)

Ui=Mi×Udi

(2)

則：

(3)

式中Us為半橋級聯模塊的輸出電壓。

同理，A相模塊輸出電壓Ua可通過H橋結構的開關函數K來表示。

則有：Ua=K×Us。 此時可得到輸入電壓與輸出電壓的關系如式(4)所示。

(4)

針對多電平結構拓撲分析，比較多電平變換器使用器件的數量[6]，本次對比選用較為常見的級聯H橋，傳統半橋MMC和改進MMC-STATCOM進行比較，各方案元器件使用數量對比如表1所示。

表1 各方案元器件使用數量對比表Tab.1 Comparison of the number of devices used in each program

由表1可知，在產生相同電平數的情況下，本文所提方案能夠節約功率開關器件數量，因電力電子器件價格較高，因此節約功率開關器件，可節約成本。

為了使研究更具實際意義，給出級聯H橋與改進MMC-STATCOM在各電壓等級下的詳細對比。為方便對比，選用耐壓值相同的開關器件進行對比，結果如表2所示。由表2可以看出，隨著電壓等級的增加，改進MMC-STATCOM使用的開關元件相對級聯H橋結構越來越少。可見中高壓場景中改進MMC-STATCOM具有較大實用價值。

表2 級聯H橋與改進MMC結構對比表Tab.2 Comparison table of cascaded H bridge and improved MMC structure

2 改進MMC-STATCOM的調制與控制策略

改進MMC-STATCOM與傳統MMC半橋的結構相似，對該結構的模態分析等工作已有較多研究，本文在此不再贅述，接下來將直接對調制與控制策略進行敘述。

2.1 載波移相調制

載波移相正弦脈寬調制(carrier phase shifted sinusoidal pulse width modulation, CPS-SPWM)是在正弦脈寬調制的基礎上發展來的[7 - 9,14]，通過將載波互相錯位相應的角度，從而得到多電平的輸出電壓。

具體來看，在具有N個子模塊級聯的改進MMC-STATCOM結構中，每個子模塊對應的載波錯位π/N°，本結構只有傳統半橋MMC的下橋臂，因此，調制波需要取絕對值，級聯模塊輸出的電壓為饅頭波，電平數為N+1，經H橋結構后，輸出電平數為2N+1。

載波移相調制過程圖見附錄A圖A1，如圖A1所示為N=5時，A相的載波移相調制過程。其中Vref為調制波；V1，V2，V3，V4，V5為對應子模塊的輸出電壓；Vs為級聯半橋模塊輸出電壓；Va為H橋模塊輸出電壓。由圖中可以看出，級聯子模塊輸出為電壓為六電平饅頭波，經H橋變換后，可得到原始調制波對應的11電平電壓。

2.2 控制策略

改進MMC-STATCOM結構與傳統半橋MMC結構雖然有所不同，但改進MMC-STATCOM的控制策略方面仍然可以借鑒傳統半橋MMC結構的控制策略[4,7 - 9]。本文主要敘述改進MMC-SATCOM的直流側控制策略，其余模塊在本文中不再贅述。采用電流直接控制策略，以電流環為內環，直流側電容電壓為外環，直流側電容電壓平衡采用3層控制。第1層為電壓全局控制，通過計算與電網有功功率進行交換，維持全局直流側平均電壓恒定；第2層為相間電容電壓控制，可使三相中每一相得直流側電壓之和與其他兩相均相等；第3層為相間電容電壓控制。

2.2.1 直流側電壓全局控制策略

直流側電壓全局控制是通過與電網進行有功功率交換，保證改進MMC-STATCOM的整體有功功率恒定，進而使直流側平均電壓不變。該方法的實現過程是通過對所有半橋子模塊的直流側電壓求平均后與指令值做差，經PI控制器后送入電流閉環，從而實現對改進MMC-STATCOM從電網吸收有功功率的控制。

圖3 全局電壓控制Fig.3 Global voltage control

2.2.2 相間電容電壓平衡控制

全局電壓達到指令值后，由于每相之間存在的損耗不同，因此相與相之間仍然存在偏差[6 - 8]，因此還需采取相間電容電壓平衡控制。由于基波零序電壓與基波正序電流作用可產生不同的三相平均功率，所以可用于平衡相間直流側電壓。

設系統負載電流中不含基波負序成分，裝置的零序電壓與負載電流分別為：

Uz=Uz×sin(ωt+θz)

(5)

式中：Uz為零序電壓；θz為零序相位角。

(6)

式中：Ip為流入MMC-STATCOM的正序分量的幅值；φp為流入MMC-STATCOM的正序分量的相位。

則正序電流與基波零序電壓作用，產生的平均功率被改進MMC-STATCOM吸收，功率為：

(7)

對式(7)進行求解，可得到改進MMC-STATCOM產生的零序電壓的幅值和相位，如式(8)—(9)所示。

(8)

(9)

將零序電壓疊加至每一相的調制電壓中，便可以起到修正指令電壓的作用，控制框圖如圖4所示。

圖4 相間電容電壓控制框圖Fig.4 Block diagram of phase-to-phase capacitor voltage control

圖4中，Uda_ave、Udb_ave分別為A、B相半橋子模塊直流側電壓的平均值，Ud_ave為所有半橋子模塊直流側電壓的平均值，Usabc為電網電壓，Ip、ψp為改進MMC-STATCOM輸出電流的正序分量幅值與相位，Utabc為相間電容電壓控制輸出的參考電壓，將該部分疊加至對應的調制電壓中，便能實現有功功率的平衡，即可保證各相直流側電壓平衡。

2.2.3 相內電容電壓控制

由于各子模塊間的損耗也不同等問題，會造成相內各電容電壓不平衡，本文通過改變有功功率對電容電壓進行調整[5,6,10 - 11]，采用有功功率矢量控制算法選定開關狀態后，根據各模塊中電容電壓大小進行選擇，相內電壓平衡控制框圖如圖5所示。

圖5 相內電容電壓控制圖Fig.5 Control diagram of capacitor voltage in phase

圖5中Ua_ave為A相各子模塊電容電壓的平均值，UAn為A相第n個子模塊電容電壓，IA為A相電流，Uta為經過解耦控制與相間電壓控制疊加的調制波電壓，將二者疊加后可保證相內各子模塊電容電壓平衡。

以A相為例，若子模塊電壓小于電容電壓平均值，則二者做差大于0，A相電流方向定義流入為大于0，則此時產生的有功電壓矢量為正，當有功電壓矢量為正，則調制波變大，此時電容放電時間變短；相反，若電壓差小于0，有功矢量為負，則電容放電時間變長。

由以上各部分，可組成改進MMC-STATCOM的完整控制策略[12 - 15]，控制框圖見附錄圖A2。

4 仿真驗證

為進一步分析改進MMC-STATCOM在無功補償下的電路結構與控制策略的有效性，在Simulink中搭建了中壓仿真模型，系統工作在容性工況；為驗證將控制策略應用在改進MMC-STATCOM拓撲下的有效性，并與傳統級聯H橋結構進行對比，并進行了仿真分析。

通過仿真驗證直流側電容均壓控制的有效性。將同樣的控制策略分別應用在級聯H橋與改進MMC-STATCOM上，對比使用的開關器件數量及輸出電流的諧波含量，驗證改進MMC-STATCOM的經濟性。通過無功電流指令值與實際補償電流無功分量進行對比，在0.1 s負載動作，驗證補償效果。電路參數如表3所示。

表3 系統仿真參數Tab.3 System simulation parameters

相內電容電壓和相間電容電壓分別如圖6—7所示。由圖6—7可知，在本文所提調制及控制策略下，改進MMC-STATCOM結構的直流側電容電壓能夠實現平衡，負載在0.1 s動作時，電容電壓也能再次平衡，驗證了本文所提調制及控制策略的有效性。

圖6 相內電容電壓Fig.6 Capacitor voltage within a phase

圖7 相間電容電壓Fig.7 Capacitor voltage between phases

級聯H橋與改進MMC-STATCOM使用相同的控制方式，補償電流的諧波含量如圖8—9所示。

圖8 級聯H橋補償電流諧波分析Fig.8 Harmonic wave analysis of cascaded H-bridge compensation current

圖9 改進MMC-STATCOM補償電流諧波分析Fig.9 Harmonic analysis of improved MMC-STATCOM compensation current

通過諧波分析發現，改進MMC-STATCOM補償電流諧波含量相對較低，二者的總諧波畸變(Total harmonic distortion, THD)均小于2%。此時兩種結構均使用了5個級聯模塊，其中級聯H橋結構使用了60個開關器件，而改進MMC-STATCOM結構僅使用了42個開關器件。因此，在補償效果相似的情況下，使用改進MMC-STATCOM更加節省開關器件的數量。

圖10 改進MMC-STATCOM輸出電壓電流波形Fig.10 Output voltage and current waveform of improved MMC-STATCOM

圖11 無功電流指令值及補償電流無功分量Fig.11 Reactive current command value and compensation current reactive component

由圖11可以看出，輸出電壓波形為11電平，且可以發出補償電流，驗證了本文所提結構在無功補償場景中的有效性。

5 結語

通過分析級聯半橋MMC的拓撲結構，本文提出了改進的MMC-STATCOM電路拓撲結構，并給出了相應的調制與控制策略，通過仿真驗證了所提控制方案的有效性。與級聯H橋進行對比，改進MMC-STATCOM可以極大地減少開關器件的使用數量；最后通過對比無功電流指令值與補償電流的無功分量，可知本文所提無功補償系統的動態性能較好，可應用于無功補償場景中。