基于模塊化多電平逆變器的STATCOM環流抑制策略研究

馮飛勇 鄒海榮

（上海電機學院電氣學院，上海201306）

0 引言

MMC以其具有模塊化結構，易于規模化生產，易于實現容錯控制，采用低壓功率器件即可實現高壓大功率的輸出等優點日益成為中高壓領域的研究熱點。MMC-STATCOM作為新型的動態無功補償裝置便是其中重點的研究方向之一。

與傳統的STATCOM不同，由于級聯眾多的子模塊，而且儲能電容分布在不同的子模塊中，電壓波動比較大，MMCSTATCOM在穩態運行時各相橋臂間的電壓不完全一致，進而導致相間環流的產生。PI控制有簡單易控的特點，這使其被廣泛運用于環流控制當中。文獻[2]提出了一種基于PI控制器的MMC環流抑制策略，但是PI控制難以實現對交流信號的無靜差跟蹤。文獻[3]提出了一種將重復控制器加PI控制的嵌入式結構應用于環流抑制的控制方法，可以實現對各次諧波的有效抑制，但是該方法比較復雜，增加了設計難度。針對PI控制所存在的不足，本文提出基于準比例諧振控制（準PR）的環流抑制方法，結合載波移相調制策略，在MATLAB/Simulink平臺進行仿真和實驗，驗證了這種方法的有效性。

1 MMC-STATCOM的環流產生機理

當MMC-STATCOM正常運行狀態時，電路中的各相環流會在橋臂的電感和等效電阻上產生電壓降，然而此電壓要遠遠小于橋臂中的電容電壓。所以可先假設相間環流ijcir為零，此時A相的上、下臂輸出的瞬時功率為：

對相單元橋臂瞬時功率積分可得相單元橋臂中儲存的能量：

式（2）中減去相單元在t0時刻的直流分量可求得相單元儲存能量的交流分量：

假設換流器中產生損耗忽略不計，則其輸入、輸出的有功功率必然平衡，有：

將式（4）代入（3）可得：

相單元的能量是直流分量和交流分量之和：

由式（6）可知，相單元的瞬時能量包含了直流分量和二倍頻分量，因此可以推斷出相單元總電壓中含有二倍頻分量，該二倍頻電壓會導致橋臂產生二倍頻電流。文獻[3]指出，橋臂電流中的二倍頻分量會進一步在橋臂電流中產生四次、六次等高次的偶數次諧波分量，其中，二次諧波分量為環流分量的主要部分，而且三相環流按照負序流動。因此，實際上對環流的抑制主要是考慮對負序二倍頻分量的抑制。

2 環流諧波抑制策略

MMC-STATCOM三相結構對稱，所以為了便于分析，下文將對單相電路進行詳細分析。將每相上、下橋臂電壓等效為兩個受控電壓源upj和unj。根據基爾霍夫定律，求得橋臂電壓：

根據式（7）可知：

根據式（8）可知，直流側電壓和上、下橋臂電壓之和不相等時由于環流在橋臂電感上產生電壓降。定義環流產生的壓降為：

對式（13）進行S變換可得：

izα和izβ是二倍頻分量，由于傳統的PI控制器只能對直流量進行跟蹤，所以需要考慮用其他控制器實現對環流的跟蹤。首先可以考慮采用PR控制器，它由比例、諧振環節構成。理想狀態下，PR控制器的傳遞函數為：

式中，Kp、Kr為PR控制器的比例項和諧振項系數；ω0為諧振頻率。

當PR控制器處于頻率諧振點時，傳遞函數的幅值為無窮大，可以實現對交流輸入信號的無靜差跟蹤。然而，PR控制器只在諧振頻率點處增益很大，當系統頻率發生擾動時，PR控制器的抗干擾能力不強，使得控制效果不理想。因此，本文采用準PR控制器，它不僅保留了PR控制器的優點，也提高了抗頻率擾動的性能。其傳遞函數為：

式中，ωc為截止頻率。

將s=jω代入式（12）得：

從式（13）可以看出，當ω=ω0時，準PR控制器的幅值增益為Kp+Kr，相角的位移為零，可以實現對指定頻率的無靜差跟蹤。文獻[4]對準PR控制器的參數設計進行了分析，參數Kr與控制器的增益成正比，它的值越大，對二倍頻環流抑制的效果越好，然而系統的穩定裕度也會隨之變小，所以Kr的值不宜過大。參數Kp的值影響系統的相位角，通過選取合適的Kp值可以提高系統的抗干擾能力。參數ωc影響著系統的寬帶和開環增益，其值可通過計算獲得。對于式（13），令Kp=0，G（jω）=1/，得到頻率之差即為寬帶。假設系統的頻率波動為±0.8 Hz，則ωc=5 Hz。引入準PR控制器的環流抑制原理如圖1所示。

圖1 基于準PR控制器的環流抑制原理圖

3 仿真驗證

為了驗證文中提出的環流抑制方法的有效性，在MATLAB/Simulink平臺搭建了MMC-STATCOM三相五電平仿真模型，其仿真參數及如表1所示。

表1 系統仿真參數

仿真結果如圖2～圖3所示。ipj、inj分別表示上、下橋臂的電流，圖2（a）表示未加環流抑制器的電流波形圖，由于環流中存在諧波導致了橋臂電流發生畸變。從圖2（b）中可以看出環流中存在各偶次諧波，二倍頻是主要成分。圖3（a）是采用文中所提環流抑制器后的橋臂電流波形圖，對比圖2（a）可見，橋臂電流的畸變情況得到有效改善，如圖3（b）所示，環流各次諧波分量得到了很好的抑制。

圖2 未加環流抑制的橋臂電流與頻譜分析圖

圖3 加入環流抑制后的橋臂電流與頻譜分析圖

4 結語

本文分析了MMC-STATCOM環流產生原理，針對環流中存在二倍頻諧波的問題，進一步設計了基于準比例諧振控制的相間環流抑制器。其相對于傳統基于PI控制的環流抑制器，結構更加簡潔，計算量較小，而且由于可以對交流信號進行無靜差跟蹤，應用范圍更加廣泛。最后仿真表明，該方法抑制二倍頻負序交流環流的效果良好，證明了該方法的有效性。

[1]馮志國，葛曼玲，陳玉民.模塊化多電平換流器的環流抑制方法研究[J].電機與控制應用，2017，44（10）：48-52.

[2]張明，吳浩偉，蔡凱，等.模塊化多電平變換器的環流諧波抑制策略[J].電工技術學報，2015，30（21）：57-66.

[3]陳耀軍，陳柏超，袁佳歆，等.模塊化多電平逆變器電容電壓及環流控制[J].電工技術學報，2014，29（10）：166-174.

[4]班明飛，申科，王建賾，等.基于準比例諧振控制的MMC新型環流抑制器[J].電力系統自動化，2014，38（11）：85-89.