適用于中高壓配電網(wǎng)的MMC-SST型電能質(zhì)量綜合治理方法

韓繼業(yè)，李 勇，段義隆，羅隆福，曹一家

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

適用于中高壓配電網(wǎng)的MMC-SST型電能質(zhì)量綜合治理方法

韓繼業(yè)，李 勇，段義隆，羅隆福，曹一家

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

本文提出了一種采用模塊化多電平變流器的固態(tài)變壓器，并將其應(yīng)用于中高壓配電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合治理。首先，分析了模塊化多電平變流器的固態(tài)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性；其次，設(shè)計(jì)了其輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)的控制策略；最后，構(gòu)建了相應(yīng)的Matlab/Simulink系統(tǒng)仿真模型。結(jié)果表明，在網(wǎng)側(cè)電壓瞬變、網(wǎng)側(cè)電壓不平衡、負(fù)載瞬變、諧波污染等工況下，模塊化多電平變流器的固態(tài)變壓器能始終保持交、直流側(cè)的電壓穩(wěn)定，輸入側(cè)功率因數(shù)為1，且具有電壓及電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效解決中高壓配電網(wǎng)存在的電能質(zhì)量問(wèn)題。

模塊化多電平變流器；固態(tài)變壓器；控制策略；電能質(zhì)量；配電網(wǎng)

Abstract:A modular multilevel converter based solid state transformer（MMC-SST）is proposed，and it is applied to comprehensively manage the power quality in medium-and high-voltage distribution network.Firstly，the topology and operation characteristics of MMC-SST are analyzed.Secondly，the control strategies at the input，isolation and output stages are designed，separately.Finally，a simulation model of this system is established by using Matlab/Simulink．The results show that in the typical cases including transient and unbalanced voltage on grid side，load changes and har?monic pollution，the proposed system has the ability to maintain the stability of DC and AC voltages and to operate with the unity power factor on the input side．Besides，the features such as fast voltage and current response，as well as the robustness to load variation，can also be maintained，which can effectively solve the power quality problems in the me?dium-and high-voltage distribution network.

Key words:modular multilevel converter（MMC）；solid state transformer（SST）；control strategy；power quality；dis?tribution network

隨著大量新能源發(fā)電接入配電網(wǎng)，在緩解供電短缺的同時(shí)也帶來(lái)了電源容量小、分布廣、電源電壓或頻率具有較大的波動(dòng)性等問(wèn)題。隨著非線性負(fù)荷迅速增長(zhǎng)，大量諧波注入配電網(wǎng)，給大量敏感性負(fù)荷的正常工作帶來(lái)極大影響。與此同時(shí)，配電網(wǎng)中諸如電壓跌落、上升、三相不平衡、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題也嚴(yán)重影響了電力設(shè)備的正常工作和安全運(yùn)行[1]。集電氣隔離、電壓變換及電能質(zhì)量治理等多功能于一體的固態(tài)變壓器SST（solid state transformer）近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是解決配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段[2-3]。

目前，SST類型主要分為傳統(tǒng)電壓源變流器型SST和H橋級(jí)聯(lián)型多電平型SST[4-6]。為了將兩電平電壓源型變流器VSC（voltage source converter）用于中壓和高壓SST，通常需要將大量的全控型開(kāi)關(guān)器件串/并聯(lián)使用，這就需要解決電力電子器件的均壓/流問(wèn)題，目前來(lái)說(shuō)這還是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。此外，其需要較高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低總諧波含有率THD（total harmonic distortion）或者需要額外安裝濾波裝置，這無(wú)疑會(huì)增大裝置的體積和成本。H橋級(jí)聯(lián)多電平變流器由于沒(méi)有公共直流母線，各相在瞬時(shí)功率交換過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓存在基波二倍頻分量，其直流環(huán)節(jié)的電容電壓中必然存在低頻波動(dòng)。只有在直流電容上增加二倍頻濾波器，才能滿足對(duì)直流輸出電壓有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，其應(yīng)用到SST中需要大量的全控型開(kāi)關(guān)器件和高頻變壓器，而高頻變壓器作為SST中體積和重量占很大比重的無(wú)源器件，其大量使用不利于提高SST的功率密度。

鑒于此，本文提出一種采用模塊化多電平變流器的固態(tài)變壓器MMC-SST（modular multilevel con?verter-solid state transformer），用于綜合解決有源配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題。該SST的高壓側(cè)采用MMC作為并網(wǎng)變流器，可以有效解決全控型開(kāi)關(guān)器件的耐壓?jiǎn)栴}，顯著減少全控型開(kāi)關(guān)器件和高頻變壓器的數(shù)量。同時(shí)，MMC具有公共直流母線，可以提高直流輸出電壓質(zhì)量[7-8]。本文將分析MMCSST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性，并分別對(duì)其輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后建立仿真模型，驗(yàn)證典型工況下MMC-SST對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善效果。

1 MMC-SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC-SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MMC-SST電路拓?fù)銯ig.1 Circuit topology of MMC-SST

其中，輸入級(jí)采用MMC，隔離級(jí)采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)ISOP（input series output parallel）DC-DC變換器，輸出側(cè)采用三相全控逆變器。該MMC-SST具有以下特點(diǎn)。

（1）輸入級(jí)采用MMC作為并網(wǎng)變流器，可以通過(guò)多模塊疊加實(shí)現(xiàn)較高的電壓輸出，以較低的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到較高頻率的等效開(kāi)關(guān)效果，從而有效地降低了諧波含量和開(kāi)關(guān)損耗，使SST可以應(yīng)用于中高壓領(lǐng)域。同時(shí)，通過(guò)控制MMC可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，或根據(jù)電網(wǎng)無(wú)功需求，按照給定的功率因數(shù)運(yùn)行。

（2）隔離級(jí)采用N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC變換單元通過(guò)ISOP的方式組合而成，其中每個(gè)DC-DC變換單元是由1個(gè)單相全橋逆變器、1個(gè)高頻變壓器HFT（high frequency transform）和1個(gè)單相二極管不可控整流器串聯(lián)組成。ISOP隔離型DC-DC變換器的作用是實(shí)現(xiàn)直流電壓變換和電氣隔離。

（3）輸出級(jí)通過(guò)三相全控逆變器、濾波電感Lac、濾波電容Cac與三相負(fù)載相連，其作用是將低壓直流電逆變?yōu)槿喙ゎl交流電，以供用戶使用。

2 控制策略設(shè)計(jì)

MMC-SST由高壓交流側(cè)的MMC、中間ISOP隔離型DC-DC變換器以及低壓輸出側(cè)的三相全控逆變器串聯(lián)連接構(gòu)成，考慮到這3部分是相對(duì)獨(dú)立的，因此可以對(duì)每部分的控制策略分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 高壓側(cè)MMC的控制策略

MMC作為高壓并網(wǎng)變流器，在網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)和閃變、電壓驟降或驟升、網(wǎng)側(cè)電壓不平衡等工況下應(yīng)具備以下能力：①輸入側(cè)電流正弦化且單位功率因數(shù)運(yùn)行；②直流電壓穩(wěn)定且可控；③輸入側(cè)電壓、電流具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。因此，本文采用一種簡(jiǎn)單有效的電壓定向矢量控制策略VOC（voltage oriented control）[9-11]，其控制策略如圖2所示?？刂破鞑捎秒妷?、電流雙閉環(huán)PI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓、電流快速穩(wěn)定控制，為消除dq軸電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的相互影響，電流內(nèi)環(huán)加入了解耦環(huán)節(jié)。電壓外環(huán)的作用是穩(wěn)定直流電壓使其具備快速的響應(yīng)速度和很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。電流內(nèi)環(huán)的作用是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行快速的電流控制，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。此外，本文采用基于載波移相技術(shù)的電容電壓平衡控制策略[12]，以實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)MMC相間均壓和子模塊均壓控制。

圖2 高壓側(cè)MMC的控制策略Fig.2 MMC control strategy on high-voltage side

2.2 ISOP隔離型DC-DC變換器控制策略

ISOP隔離型DC-DC變換器作為隔離級(jí)，具有很好的隔離效果，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)、電壓不平衡工況下對(duì)負(fù)載側(cè)敏感負(fù)荷的正常工作不會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)在負(fù)載側(cè)出現(xiàn)負(fù)荷突變及諧波電流的工況下不會(huì)對(duì)網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生影響。因此，控制ISOP隔離型DC-DC變換器低壓側(cè)在任何工況下都輸出恒定的直流電壓。由于隔離級(jí)采用N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的DC-DC變換單元通過(guò)ISOP的方式組合而成，需對(duì)每個(gè)DC-DC變換單元進(jìn)行控制。由于變換單元高壓側(cè)采用單相全控逆變器，低壓側(cè)采用二極管不可控整流器，因此要控制低壓側(cè)輸出恒定的直流電壓，只需控制高壓側(cè)全控逆變器[13]。DC-DC變換單元傳輸?shù)挠泄β士梢员硎緸?/p>

式中：UDC，H為高壓側(cè)直流電壓；fH為絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）開(kāi)關(guān)頻率；L為高頻變壓器的漏感；UDC，L為低壓側(cè)直流電壓；dDC為高壓側(cè)全控逆變器的占空比。

由式（1）可知，通過(guò)控制高壓側(cè)全控逆變器的占空比dDC進(jìn)而控制UDC，L，為此引入無(wú)靜差的PI調(diào)節(jié)器，如圖3所示。將變換單元低壓側(cè)直流電壓測(cè)量值與參考值的差值經(jīng)過(guò)PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)作為移相PWM調(diào)制方式PS-PWM（phase shift pulse width modulation）的調(diào)制波，然后與載波進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生高壓側(cè)單相全控逆變器的門極觸發(fā)信號(hào)。

圖3 ISOP隔離型DC-DC變換器的控制策略Fig.3 Control strategy for ISOP isolation type DC-DC converter

DC-DC變換器由于采用ISOP的方式，各變換單元可能存在高頻變壓器參數(shù)不匹配和直流側(cè)電壓不相等的問(wèn)題，這會(huì)引起各變換單元之間功率分配不均衡并產(chǎn)生環(huán)流，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)奔潰。為了解決這一問(wèn)題，本文采用一種有功功率均衡控制策略[14]。此外，為了降低系統(tǒng)損耗，通過(guò)合理設(shè)置串聯(lián)諧振電路（Lr和Cr）使全控型開(kāi)關(guān)器件處于零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)ZCS（zero current switching）[15-16]。

2.3 低壓側(cè)三相逆變器的控制策略

MMC-SST的輸出級(jí)由三相全控逆變器和LC濾波電路組成，其作用是將低壓直流電逆變?yōu)槿喙ゎl交流電，以供用戶使用。在各種負(fù)載瞬變的工況下應(yīng)具備以下能力：①輸出恒定幅值的三相工頻正弦交流電；②具備良好的限流能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；③具備很強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。因此，本文采用輸出電壓和濾波電感電流反饋相結(jié)合的雙閉環(huán)控制[17-19]，如圖4所示。該控制策略具有良好的限流能力和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。電流內(nèi)環(huán)采用負(fù)載電流前饋補(bǔ)償后，將負(fù)載的變化信息加入到電流控制中，增強(qiáng)了輸出級(jí)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。同時(shí)，為了提高逆變器直流電壓的利用率，減小開(kāi)關(guān)損耗，采用空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)。

圖4 低壓側(cè)逆變器的控制策略Fig.4 Control strategy for the inverter on low-voltage side

3 仿真驗(yàn)證

在MATLAB/Simulink環(huán)境下構(gòu)建了如圖1所示的仿真模型，研究網(wǎng)側(cè)電壓瞬變、網(wǎng)側(cè)電壓不平衡、負(fù)載瞬變、諧波污染等工況下MMC-SST的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以驗(yàn)證MMC-SST綜合解決配電網(wǎng)電能質(zhì)量的能力。MMC-SST輸入交流電壓為10 kV，輸出交流電壓為0.38 kV，高壓側(cè)直流電壓為18 kV，低壓側(cè)直流電壓為0.7 kV，額定容量為720 kVA。MMC-SST輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)參數(shù)見(jiàn)表1～表3。

表1 MMC-SST輸入級(jí)的參數(shù)Tab.1 Parameters of MMC-SST at input stage

表2 MMC-SST的隔離級(jí)參數(shù)Tab.2 Parameters of MMC-SST at isolation stage

表3 MMC-SST的輸出級(jí)參數(shù)Tab.3 Parameters of MMC-SST at output stage

3.1 網(wǎng)側(cè)電壓變化

考慮電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling）處的電壓幅值和頻率隨機(jī)變化，以驗(yàn)證MMC-SST的動(dòng)態(tài)控制性能。如圖5（a）所示，PCC處電壓幅值在0.25 s和0.30 s分別偏移到額定電壓的80%和120%，電壓頻率在0.45 s和0.55 s變?yōu)?7 Hz和53 Hz。由圖5（d）可見(jiàn)，負(fù)載側(cè)的電壓波形幾乎不受網(wǎng)側(cè)電壓突變的影響，由此驗(yàn)證了MMC-SST對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓隨機(jī)變化具有良好的隔離效果。同時(shí)，從圖5（b）和圖5（c）可以看出網(wǎng)側(cè)電流和高壓直流母線處的電壓在網(wǎng)側(cè)電壓變化時(shí)有一定的波動(dòng)，但很快就恢復(fù)正常，表現(xiàn)出很好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。

圖5 PCC處電壓突變時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.5 System response curves in the case of voltage mutations at PCC

3.2 網(wǎng)側(cè)電壓不平衡

考慮配電網(wǎng)PCC處的電壓會(huì)出現(xiàn)不平衡運(yùn)行情況，以驗(yàn)證MMC-SST應(yīng)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓不平衡的能力。如圖6（a）所示，在0.25 s時(shí)PCC處A相電壓幅值突然變?yōu)轭~定值的80%，B、C相電壓幅值保持額定值運(yùn)行；0.35 s時(shí)PCC處A、B相電壓幅值突變?yōu)轭~定值的80%，C相電壓保持額定值運(yùn)行；0.45 s時(shí)PPC處A相電壓幅值突變?yōu)轭~定值的120%，B、C相電壓幅值突變?yōu)轭~定值的80%。由圖6（d）可見(jiàn)，負(fù)載側(cè)的電壓保持標(biāo)準(zhǔn)正弦波，幾乎不受網(wǎng)側(cè)電壓不平衡的影響。由此驗(yàn)證了MMC-SST對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓不平衡有很好的隔離效果。同時(shí)，從圖6（b）可以看出，在網(wǎng)側(cè)電壓不平衡時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流也會(huì)出現(xiàn)不平衡運(yùn)行情況，但網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)平衡后網(wǎng)側(cè)電流也很快恢復(fù)平衡。從圖6（c）可以看出，在網(wǎng)側(cè)電壓不平衡時(shí)，高壓直流母線處的電壓會(huì)有一定的波動(dòng)，但網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)平衡后高壓直流母線處電壓也很快穩(wěn)定。由此驗(yàn)證了MMC-SST在網(wǎng)側(cè)電壓不平衡時(shí)可以實(shí)現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定且可控，且網(wǎng)側(cè)電壓、電流表現(xiàn)出很好的瞬態(tài)響應(yīng)性能和很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。

圖6 PCC處電壓不平衡時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.6 System response curves in the case of unbalanced voltage at PCC

3.3 負(fù)載變化

考慮負(fù)載隨機(jī)變化和負(fù)載側(cè)諧波污染工況，以驗(yàn)證MMC-SST應(yīng)對(duì)負(fù)載變化和諧波污染的能力。如圖7（a）所示，初始階段系統(tǒng)帶720 kV·A負(fù)載，0.25 s時(shí)負(fù)載降至80%，0.35 s時(shí)升至120%，0.45 s時(shí)接入非線性負(fù)載（二極管不可控三相整流電路）。由圖7（b）可以看出在負(fù)載變化時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓沒(méi)有任何波動(dòng)。由圖7（c）可以看出網(wǎng)側(cè)電流在負(fù)載切換時(shí)表現(xiàn)出很好的瞬態(tài)性，同時(shí)在瞬變到非線性負(fù)載時(shí)，由于MMC-SST隔離作用，電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流完全不會(huì)受到負(fù)載側(cè)諧波的影響。由圖7（d）可以看出高壓直流母線電壓在負(fù)載突然變化時(shí)有一定的波動(dòng)，但很快就恢復(fù)正常。由圖7（e）可以看出在負(fù)載突變時(shí)，低壓側(cè)交流電壓會(huì)有微弱變化但很快就恢復(fù)正常，說(shuō)明其具備很強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

圖7 負(fù)載瞬變時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.7 System response curves in the case of load transience

4 結(jié)論

（1）本文提出了一種采用MMC-SST拓?fù)浼翱刂撇呗?，用于解決中壓、高壓配電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，并詳細(xì)分析了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)行特性。

（2）為了實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理的目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)了MMC-SST輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)的控制策略，其中輸入級(jí)采用一種簡(jiǎn)單有效的VOC，隔離級(jí)采用閉環(huán)控制使直流低壓側(cè)輸出恒定的直流電，輸出級(jí)采用輸出電壓和濾波電感電流反饋相結(jié)合的雙閉環(huán)控制。

（3）基于MATLAB/Simulink構(gòu)建了仿真模型，對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓變化、電壓不平衡、負(fù)載瞬變、諧波污染等工況下，輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明本文所提出的MMC-SST型電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)能始終保持交、直流側(cè)的電壓穩(wěn)定和輸入側(cè)的功率因數(shù)為1，并且具有電壓、電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有效地解決了中高壓配電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量問(wèn)題。

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MMC-SST Type Comprehensive Power Quality Management Method for the Medium-and High-voltage Distribution Network

HAN Jiye，LI Yong，DUAN Yilong，LUO Longfu，CAO Yijia
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

TM46，TM421

A

1003-8930（2017）09-0042-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.09.007

2015-08-25；

2017-06-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377001，61233008）；科技部國(guó)際合作資助項(xiàng)目（2015DFR70850）

韓繼業(yè)（1991—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q技術(shù)、智能電網(wǎng)等。Email：626285320@qq.com

李 勇（1982—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、電力電子系統(tǒng)運(yùn)行與控制。Email：yongli@hnu.edu.cn

段義隆（1981—），男，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)、電力電子變換技術(shù)。Email：dracoduan@hotmail.com