基于直接功率控制的STATCOM研究

班國邦，郭賢朝，黃 輝，謝百明

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽550002；2.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司防冰減災(zāi)重點(diǎn)實驗室，貴陽550002；3.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京100085）

直流融冰裝置將特高壓線路通以額定電流，利用肌膚效應(yīng)，產(chǎn)生熱量融化線路上的覆冰，確保了冬季電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前的線路融冰多采用全橋MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因其具有較好的動態(tài)控制特性，可依據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要，靈活地切換運(yùn)行于直流融冰模式和STATCOM 控制模式。

因STATCOM 模式具有更高的應(yīng)用范圍，本文主要針對MMC-STATCOM 模式進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1-2]考慮在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，分別提出負(fù)序電壓注入控制和零序電壓注入控制，實現(xiàn)了直流電壓均衡效果；文獻(xiàn)[3]針對電網(wǎng)電壓不平衡條件下，提出了并網(wǎng)點(diǎn)偏移的電壓前饋控制策略，解決了中性點(diǎn)偏移的問題；文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了電容容值和電容電壓的解析關(guān)系，提出了直流電壓的三級控制策略，實現(xiàn)了直壓和模塊電壓均衡控制。

文獻(xiàn)[5-6]將直接功率控制原理應(yīng)用于電力電子控制中，結(jié)合各自的應(yīng)用場景，實現(xiàn)了較好的控制效果。因直接功率控制具有更好的動態(tài)性能，所以本文將直接功率控制原理應(yīng)用于MMC-STATCOM中，首先依據(jù)瞬時功率理論和電壓定向控制，推導(dǎo)了基于直接功率控制的功率內(nèi)環(huán)解耦模型。提出了有功功率外環(huán)和無功功率外環(huán)控制，以適配功率內(nèi)環(huán)控制。分析了傳統(tǒng)電容電壓均衡控制原理及存在弊端，提出了電容功率均衡控制策略，最后通過PSACAD 仿真驗證了整體所提方案的正確性。

1 全橋MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全橋MMC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，上下橋臂均采用全橋子模塊（FB-SM）組成，每個子模塊包含4個IGBT 功率器件，直流側(cè)等效電阻可視為待融冰線路。本系統(tǒng)運(yùn)行于融冰模式下，直流側(cè)電流可控，輸出額定直流電流。在STATCOM 模式下，可將圖1全橋MMC 拓?fù)渖舷聵虮蹖ΨQ斷開，等效為2 個STATCOM 裝置，分別接入交流系統(tǒng)，如圖2 所示，為上橋臂等效拓?fù)鋱D。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似鏈?zhǔn)絊VG，在非融冰需求下，可長期運(yùn)行于STATCOM 模式，為系統(tǒng)提供持續(xù)無功支撐。

圖1 全橋MMC 拓?fù)銯ig.1 Topology of full bridge MMC

圖2 STATCOM 模式拓?fù)銯ig.2 STATCOM mode topology

MMC-STATCOM 的子模塊為全橋拓?fù)洌總€子模塊依據(jù)開關(guān)管組合關(guān)系，可輸出ucap、0 和-ucap3 種電壓，具體導(dǎo)通組合如表1 所示。

表1 FB-SM 的運(yùn)行狀態(tài)Tab.1 Running state of FB-SM

因此，F(xiàn)B-SM 可依據(jù)正弦化的調(diào)制波，輸出正負(fù)對稱的交流網(wǎng)側(cè)電壓，實現(xiàn)與電網(wǎng)有功和無功功率交互，下面著重從控制角度討論MMC-STATCOM的控制策略。

2 MMC-STATCOM 控制策略

MMC-STATCOM 的控制主要包括閉環(huán)控制和電容電壓均衡控制。其中閉環(huán)控制主要通過PI 控制器實現(xiàn)有功或無功功率閉環(huán)跟蹤，產(chǎn)生三相調(diào)制量實現(xiàn)與電網(wǎng)的能量交互；而電容電壓控制因子模塊間調(diào)制差異和損耗各不相同，可能導(dǎo)致子模塊電容電壓發(fā)散。結(jié)合本文采用載波移相調(diào)制方式，在閉環(huán)控制產(chǎn)生的三相調(diào)制量中添加對應(yīng)子模塊的電容電壓均衡補(bǔ)償控制量，實現(xiàn)每個子模塊運(yùn)行在額定電容電壓范圍內(nèi)。

2.1 功率閉環(huán)控制

根據(jù)圖2，以換流器某一相為例，建立基爾霍夫電壓方程為

式中：ej為網(wǎng)側(cè)三相電壓；uj為調(diào)制電壓；ij（j=a、b、c）為網(wǎng)側(cè)電流；R1和L1為等效電阻和電抗。

有別于融冰控制模式，調(diào)制波包含直流分量。因STATCOM 模式無需直流電壓輸出，所以公式（2）中的公式（2）即為STATCOM 模式的調(diào)制波輸出。

式中：uj為調(diào)制量；usj為控制內(nèi)環(huán)輸出。

根據(jù)瞬時功率原理，公式（1）采用電壓定向分解，eq=0，綜合瞬時功率可簡化為

將式（3）帶入式（1），經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式（4）可描述如圖3 所示的功率內(nèi)環(huán)控制框圖，內(nèi)環(huán)變?yōu)榱擞泄蜔o功功率解耦控制，傳統(tǒng)的電流外環(huán)控制已不再適用，所以需修改外環(huán)控制策略以適用功率內(nèi)環(huán)控制。

圖3 功率內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.3 Power inner loop control block diagram

2.2 電容功率外環(huán)控制

有功功率外環(huán)反應(yīng)裝置消耗的有功功率，因STATCOM 運(yùn)行模式下，有功功率用于子模塊充電和裝置損耗。因此，基于電容功率外環(huán)控制策略可表示為圖4 所示。采用額定電容電壓值與三相子模塊電壓平均值做差，輸出結(jié)果經(jīng)過PI 控制環(huán)節(jié)，可視為換流器輸入電流控制量，乘以額定子模塊電容電壓可視為換流器輸入功率量，作為功率指令值輸入至功率內(nèi)環(huán)。

圖4 電容功率外環(huán)控制Fig.4 Capacitor power outer loop control

2.3 無功功率外環(huán)控制

無功功率外環(huán)采用無功閉環(huán)和前饋相結(jié)合控制策略，如圖5 所示。合成后的結(jié)果為內(nèi)環(huán)無功功率指令值。

圖5 無功控制環(huán)節(jié)Fig.5 Reactive power control

2.4 直流電壓均衡控制

目前，多電平MMC 的調(diào)制技術(shù)主要包含電壓逼近控制和載波移相控制，因載波移相調(diào)制可等效出更高的開關(guān)頻率特性，網(wǎng)側(cè)輸出效果更加正弦化，所以本文采取載波移相調(diào)制策略。

實際運(yùn)行中各功率單元間調(diào)制存在差異，各個子模塊本身充放電不一致性，可能導(dǎo)致子模塊電容電壓出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象。結(jié)合本文采取載波移相調(diào)制方式，常規(guī)的方法是在每個子模塊增加電容電壓均衡控制策略，輸出的調(diào)制補(bǔ)償量疊加在當(dāng)前模塊的調(diào)制波上。

假設(shè)某一個功率模塊的電容電壓矢量為uc，電容電流矢量為ic，電容有功功率可表示為

式中：pc為子模塊電容的有功功率；θ 為電壓矢量和電流矢量的角度差。如果運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)工況下，有功功率pc=0，保證電容不因額外功率導(dǎo)致電壓充電放電，影響子模塊平衡。

假設(shè)當(dāng)前存在Δu 電壓偏差，式子可表示為

式中：uce為平均電壓波動值，因此，需要補(bǔ)償Δu 產(chǎn)生的能量偏差，傳統(tǒng)控制可簡化為式（7）所示。

式中：isign為開關(guān)函數(shù)，當(dāng)i＞0，輸出1；當(dāng)i＜0，輸出-1。

電容均衡控制實現(xiàn)方法如圖6 所示。通過監(jiān)視當(dāng)前相橋臂子模塊電容電壓平均值，與每個子模塊電容電壓差值，經(jīng)過比例環(huán)節(jié)，與電流充放電方向isign乘積，共同疊加至對應(yīng)子模塊調(diào)制波的輸出中。

圖6 電容電壓均衡控制Fig.6 Capacitor voltage balancing control

2.5 改進(jìn)的電容電壓均衡控制

上述方案中，電壓偏差值與電流方向isign乘積產(chǎn)生的調(diào)制量疊加至本相調(diào)制中，但isign本質(zhì)上反應(yīng)是一種Bang-Bang 控制。此控制易因變換瞬間產(chǎn)生突變調(diào)制量，影響控制穩(wěn)態(tài)性能。所以本文從提出了改進(jìn)的電容電壓均衡控制策略。

公式（6）反應(yīng)了電容電壓波動本質(zhì)。本文從電容功率角度入手，將電容功率偏差量補(bǔ)償在調(diào)制波中。其中，電容偏差功率可表示為

公式（8）中將ic取代公式（7）中的isign，并將Δp值疊加至調(diào)制波輸出中。新控制策略的修改如圖7所示。改進(jìn)策略仍然采用比例控制以提高電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)響應(yīng)特性。

圖7 電容功率均衡控制Fig.7 Capacitor power balancing control

3 仿真驗證

依據(jù)本文所提出的控制策略，搭建了10 Mvar容量的PSCAD 仿真平臺，仿真參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)表Tab.2 Simulation parameter

當(dāng)STATCOM 運(yùn)行在2 Mvar 功率運(yùn)行條件下，傳統(tǒng)電容電壓控制策略如圖8 所示。圖中可清晰發(fā)現(xiàn)i_sign 因電流方向反轉(zhuǎn)，發(fā)生瞬時突變，再加之諧波因素導(dǎo)致i_sign 在過零點(diǎn)出現(xiàn)抖動變位，最終輸出調(diào)制波上出現(xiàn)異常畸變。圖8 右側(cè)虛線方框的放大波形可清晰發(fā)現(xiàn)調(diào)制波出現(xiàn)畸變。網(wǎng)側(cè)電流的FFT 分析柱狀圖如圖9 所示。THD 已經(jīng)高達(dá)6.04%，網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重。

采用改進(jìn)電容功率均衡控制下的調(diào)制輸出波形如圖10 所示，us為內(nèi)環(huán)調(diào)制波輸出；usi為疊加電容功率均衡控制輸出波形，波形正弦化較好，基本看不出波形畸變。圖11 的網(wǎng)側(cè)電流FFT 分析結(jié)果顯示，THD=2.68%，較圖9 的結(jié)果有了很大的改善。

圖8 傳統(tǒng)電容均衡控制調(diào)制波形Fig.8 Modulation waveform of traditional capacitor balancing control

圖9 傳統(tǒng)電容均衡控制網(wǎng)側(cè)電流FFT 分析Fig.9 FFT analysis of AC current for traditional capacitor balancing control

圖10 電容功率均衡控制調(diào)制波形Fig.10 Modulation waveform of capacitor power balancing control

圖11 電容功率均衡控制網(wǎng)側(cè)電流FFT 分析Fig.11 FFT analysis of AC current of capacitor power balancing control

因本文采取直接功率控制策略，圖12 為功率由10 Mvar 階躍至-10 Mvar 的波形，無功功率跟隨特性較好，階躍時間小于50 ms，具有較好的動態(tài)性能。

圖12 10 Mvar 階躍至-10 MvarFig.12 10 Mvar step to -10 Mvar

4 結(jié)語

本文通過建立基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下STATCOM 的瞬時功率數(shù)學(xué)模型，采用功率內(nèi)環(huán)解耦控制，修改了依據(jù)有功和無功功率外環(huán)的控制策略。針對傳統(tǒng)的電容電壓均衡控制存在調(diào)制波動問題，提出了電容功率均衡控制思想，通過仿真驗證了所提方法能夠有效減小網(wǎng)側(cè)電流諧波。