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(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引 言

電能質(zhì)量日益重要，STATCOM因其可以從容性到感性整個范圍內(nèi)進行連續(xù)快速的無功補償，且低壓條件下仍能有效發(fā)出無功，得到了電力工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-2]。當(dāng)其用于配電網(wǎng)領(lǐng)域中，與輸電系統(tǒng)相比，治理電網(wǎng)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(wǎng)電壓平衡狀態(tài)下設(shè)計，當(dāng)電網(wǎng)電壓由于三相負(fù)載不對稱會出現(xiàn)負(fù)序和諧波分量，造成STATCOM 裝置過流和直流側(cè)電壓波動，嚴(yán)重時裝置要退出運行[3-4]。隨著電力系統(tǒng)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(shè)計、易于擴展及輸出諧波低等優(yōu)點被認(rèn)為用于電能質(zhì)量治理領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。因此，研究MMC-STATCOM 在補償不平衡負(fù)載下的控制策略具有重要意義。

三相負(fù)載不平衡時， MMC-STATCOM同時發(fā)出無功電流和負(fù)序電流以保證PCC電壓的對稱和支撐。交流側(cè)電流參考值通常基于不平衡負(fù)載提取并采用dq坐標(biāo)下正、負(fù)序兩套雙環(huán)分別跟蹤無功電流和負(fù)序電流[8]，其綜合補償使MMC-STATCOM內(nèi)部產(chǎn)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(huán)流抑制器[9]。針對繁瑣旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的正負(fù)序雙環(huán)控制，文獻[10]提出了一種在交流系統(tǒng)不對稱情況下基于復(fù)數(shù)濾波器[11]的無鎖相環(huán)控制策略，解決了鎖相環(huán)[12]和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換所帶來的誤差和延時，然而頻率的偏移和電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變會產(chǎn)生一定誤差。文獻[13]在αβ坐標(biāo)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(fù)分離，但對功率控制器線性化處理忽略了耦合因數(shù)。針對MMC環(huán)流抑制器常規(guī)方法分別控制其不同分量所帶來的復(fù)雜性，文獻[14]用PIR控制器實現(xiàn)對環(huán)流所有分量的同時控制，避免了分離環(huán)流不同分量所帶的麻煩，但認(rèn)為三相環(huán)流直流分量彼此相等，不適合MMC-STATCOM綜合補償時對環(huán)流的抑制；文獻[15]用PI和VPI控制器實現(xiàn)對環(huán)流所有分量同時控制，考慮了電網(wǎng)電壓不平衡MMC三相環(huán)流直流量不一定相等。但對MMC外特性和內(nèi)特性分別給予控制，使整體控制結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。針對這一問題，提出了一種基于MMC橋臂電流并采用準(zhǔn)PR控制器將MMC-STATCOM交流側(cè)和內(nèi)部環(huán)流同時控制的方法，無需環(huán)流抑制器，無須正負(fù)序分量分離和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化，沒有受參數(shù)影響的耦合項，減少了調(diào)節(jié)參數(shù)，因此整體控制結(jié)構(gòu)大大簡化，響應(yīng)速度快，控制也更易實現(xiàn)。仿真和實驗結(jié)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(shù)學(xué)模型

三相MMC-STATCOM電路如圖1所示，其子模塊采用半橋結(jié)構(gòu)，T1和T2互補導(dǎo)通對應(yīng)子模塊端口電壓+Uc或0，通過調(diào)節(jié)MMC上，下橋臂子模塊投入個數(shù)，以實現(xiàn)其交流側(cè)電壓的輸出。usj和isj(j=a,b,c,下同)分別為交流側(cè)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(cè)電壓；iLj為負(fù)載電流。

根據(jù)圖1 MMC電路結(jié)構(gòu)及基爾霍夫定律，可推導(dǎo)在abc三相坐標(biāo)系下MMC-STATCOM交流側(cè)和直流側(cè)動態(tài)數(shù)學(xué)方程為[16]：

(1)

(2)

圖1 三相MMC-STATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(3)

環(huán)流在MMC橋臂等效損耗電阻和電抗上產(chǎn)生的電壓降稱為不平衡壓降，表示為：

(4)

式(1)與式(4)相減聯(lián)立式(3)可得MMC上橋臂電壓:

(5)

式(1)與式(4)相加聯(lián)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(xiàn)MMC-STATCOM與電網(wǎng)側(cè)有功和無功的交換，補償無功保證單位功率因數(shù)輸出。當(dāng)MMC-STATCOM工作于三相不平衡即補償不對稱負(fù)載時，需同時補償由不平衡負(fù)載產(chǎn)生的負(fù)序電流維持PCC電壓穩(wěn)定，抑制三電網(wǎng)電壓三相不平衡。

假設(shè)MMC-STATCOM輸出電流包括無功電流分量和負(fù)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(cè)瞬時功率為：

(9)

由式(9)可知綜合補償電流引起電網(wǎng)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(wǎng)間總的有功功率交換。MMC上、下橋臂之間形成回路可實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計

3.1 橋臂電流參考值提取

(11)

最后將基于dq坐標(biāo)下的正負(fù)序電流參考值轉(zhuǎn)化為三相靜止坐標(biāo)下MMC交流側(cè)電流的參考值，即：

(12)

(13)

MMC-STATCOM交流側(cè)電流參考值完整提取過程如圖2所示。

圖2 交流側(cè)電流參考值提取框圖

(14)

3.2 基于MMC橋臂電流的準(zhǔn)PR控制器

采用準(zhǔn)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(fù)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(zhǔn)PR控制器諧振頻率設(shè)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(jié)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(zhǔn)PR控制器框圖，結(jié)合子模塊電容電壓平衡策略通過載波移相調(diào)制策略得到MMC三相上、下橋臂子模塊的開關(guān)信號Sapk、Sank、Sbpk、Sbnk、Scpk和Scnk(k為MMC-STATCCOM第j相子模塊個數(shù))，驅(qū)動MMC子模塊上、下開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷獲得期望的電壓輸出，實現(xiàn)與電網(wǎng)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(tǒng)一電流控制器

4 仿真結(jié)果與分析

為驗證所提出的統(tǒng)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(yīng)仿真參數(shù)如表1所示。圖2為仿真中所提取交流側(cè)電流參考值，內(nèi)部二倍頻環(huán)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(diào)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(tǒng)后輸出電流包含無功電流和負(fù)序電流以補償三相不平衡負(fù)載，且響應(yīng)速度較快；圖4(b)為電網(wǎng)電壓波形，在補償之前負(fù)載的不平衡導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落且存在不平衡現(xiàn)象,其不平衡度為20.5%，0.5 s補償之后 電網(wǎng)電壓上升且負(fù)序分量得到很好抑制，電網(wǎng)電壓保持平衡狀態(tài)，不平衡度控制在1%范圍內(nèi)。圖4(c)為三相電網(wǎng)電流波形，0.5 s之前電網(wǎng)電流含有無功分量和負(fù)序分量，0.5 s之后電網(wǎng)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(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流(幅值擴大10倍)的相位關(guān)系，可以看出0.5 s MMC-STATCOM提供無功電流和負(fù)序電流補償后，系統(tǒng)功率因數(shù)明顯改善，電網(wǎng)電壓和電流的相位基本一致。

表1 仿真參數(shù)

圖4 MMC-STATCOM綜合補償仿真結(jié)果

圖5為MMC-STATCOM接入系統(tǒng)后采用統(tǒng)一電流控制策略其內(nèi)部環(huán)流控制效果圖，由圖可看出環(huán)流的二倍頻波動得到很好的抑制，且其b,c相環(huán)流直流量(均為7.5 A)與a相環(huán)流直流分量方向相反(-15 A)，三相環(huán)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(fù)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(fù)載的可行性。

圖5 MMC-STATCOM三相內(nèi)部環(huán)流

5 結(jié)束語

研究了一種可以改善/解決電網(wǎng)電壓不平衡現(xiàn)象的新型補償裝置MMC-STATCOM，首先分析該結(jié)構(gòu)綜合補償?shù)脑恚缓蠼榻B以不平衡負(fù)載電流作為MMC-STATCOM交流側(cè)電流參考值時的提取方法，提出一種基于MMC橋臂電流的統(tǒng)一電流控制器。統(tǒng)一電流控制器用于STATCOM無功和負(fù)序電流的綜合補償，將MMC-STATCOM交流側(cè)電流和內(nèi)部環(huán)流采用準(zhǔn)PR控制器同時控制，簡化了整體控制結(jié)構(gòu)，并且綜合補償效果明顯內(nèi)部環(huán)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(chǔ)。