基于模块化级联多电平变换器的STATCOM研究

摘要：研究了基于模块化级联多电平变换器(MMCC)的静止同步补偿器(STATCOM)，对其主电路拓扑、工作原理、调制技术和控制策略进行了研究。采用功率解耦控制算法对交流侧无功功率补偿进行控制，并根据功率守恒原理，分析了直流侧电压不平衡因素，引入了分布式直流侧电压控制算法。直流侧控制算法分为上、下层控制部分，其中上层控制部分对所有模块直流侧电压的平均值平衡进行控制，下层控制部分则对各个子模块单元的直流侧电压进行控制。最后，在一台以VME控制箱为核心控制器的3级MMCC系统上对控制策略进行了验证，实验结果表明了算法的可行性。
关键词：静止同步补偿器；级联多电平；分布式控制系统

1 引言
    近年来，随着电力电子技术和微控制器技术的发展，柔性交流输电技术(FACTS)成为了电网降低能耗和提高电能质量的重要技术手段。基于MMCC的STATCOM作为FACTS的核心设备，以全控电力电子器件(IGBT)构成的电压源逆变器为核心，采用级联多电平和PWM技术，具有输出谐波电流小，占地面积少，响应时间短，无功补偿范围宽，维护和扩展容易，成本低等优点，已成为国内外专家研究的焦点，并逐步应用到高压输电网中。此处首先研究了基于MMCC的STATCOM的主电路结构、工作原理和载波移相PWM技术(CPS-SPWM)；其次，在功率解耦控制算法的基础上，应用功率守恒原理引入了分布式直流侧电压控制算法。最终在一台以VME机箱控制的3级MMCC系统上对控制策略进行了验证。

2 STATCOM主电路结构及原理
    MMCC型STATCOM由H桥模块单元串联而成，有三角形和星形两种连接方式，图1a为星形连接的级联型STATCOM拓扑结构，可通过简单的增加链接模块个数来提高设备容量，其成本低、易实现、占地面积小。理想情况下，STATCOM的等效电路如图1b所示，Lc，Rc为设备主回路中的总电感和电阻(包括连接电抗和变换器阻抗)，us为电网电压，uc为STATCOM输出电压，iC为STATCOM装置的吸收电流。通过改变uc幅值和相对于us的相位，即可控制STATCOM从电网吸收电流的相位和幅值，即控制STATCOM吸收无功功率的性质和大小。当uc幅值与相位变化时，STATCOM吸收有功和无功的大小、性质也相应变化。

3 MMCC调制算法
    目前，MMCC调制算法主要包括：阶梯波调制法、空间电压矢量法和CPS-SPWM方法。其中，CPS-SPWM是多载波SPWM算法，通过多路载波在时间轴上移动Ts／N(Ts为载波周期，N为一相串联模块数)生成PWM触发脉冲。该方法设计简单、容易实现，且可使设备单元模块的开关次数相
同，容易实现直流侧电容电压均衡控制。

4 基于MMCC的STATCOM控制策略
4．1 交流侧控制策略
    补偿系统在各种运行工况和故障场景的稳定运行，是判断其能否在实际电力系统中得到有效应用的关键。但是这些控制器计算量大，实现复杂。目前应用最多的是功率解耦PWM控制，该方法通过PI调节器实现功率模型的解耦，icd和icq分别与补偿器输出的有功功率和无功功率成线性关系，实现了对功率解耦。该方法实现简单，计算量小，可使补偿系统有很好的静、动态性能。
    根据图1可得STATCOM在三相坐标系下的数学模型为：
   
    根据坐标变换原理，可得补偿装置在d，q坐标系下的等值方程为：

4．2 分布式直流侧控制策略
    MMCC采用模块化设计，每个模块直流侧电容彼此独立，且开关损耗、电路损耗、开关分配状态和脉冲延时等存在差异，这导致基于MMCC存在直流侧电容电压不均衡问题，会直接影响到设备的可靠安全运行。采用分层分布式直流侧控制策略，分为上层控制和下层控制。其中，上层控制稳定总体直流侧电容电压，即整个装置所有模块直流侧电容电压的平均值；下层控制稳定每个模块直流侧电容电压。
    上层控制将所有模块直流侧电压视为一个整体C，从而根据功率平衡可得，STATCOM直流侧电容电压在d，q坐标系下的数学模型为：
   
    式中：Udc为直流侧电容电压平均值；K为SPWM的调制比；us为交流电网电压峰值；δ为STATCOM输出电压矢量与电网侧电压矢量的夹角。
    δ很小，则Udc与id可视为线性关系，从而直流侧电容电压上层控制设计为有功电流的外环。下层控制针对子模块的直流侧电容电压，根据功率平衡原理，图2为子模块单元电路与矢量图。

    图2a中，C为直流侧电容，R为模块等效损耗电阻，ik为桥臂电流，uk为模块输出电压基波量。子模块单元吸收和发出的有功量由ik，uk及其相位角θ决定。从而，通过调节uk的幅值与相位可对直流侧电容电压进行调节。调节量与ik有关，将其设计为P调节器，其输出叠加到交流侧无功补偿控制输出的调制波上，这不影响交流侧无功功率控制。根据交、直流侧控制算法分析可得级联型STATCOM控制框图如图3所示。其中，Sak，Sbk，Sck为CPS-SPWM的调制波。

5 实验验证
    为验证控制策略，研制了一台3级的MMCC系统，主电路参数：电网电压有效值Us=230 V，电网频率f=50 Hz，并网电感Lc=4 mH，模块直流侧电容C=3 400μF，直流侧电容电压Udc=50 V，额定输出电流Ic=10 A。实验平台主控制器为基于VME总线的控制机箱，实验设备通过自耦变压器与380 V电网连接。图4为变换器输出相电压uca，线电压ucab，直流侧充电电压Udcal，电网相电压usa和电网相电压相位角θ波形。其中，uca为7电平，ucab为13电平，uca与usa同相位。图5为变换器动态实验波形，其中无功功率电流分量是通过VME机箱的D／A板输出测得。电流值为6 A，在容性模式下变换器输出电流THD为2．8％，在感性模式下的变换器输出电流THD为3．5％。

    无功电流iq为控制系统D／A输出的波形，此处只表现动态波形。图6示出无功功率补偿系统，在负载为容性情况下，加入补偿前后usa，isa波形。由图可知，系统补偿效果良好。

6 结论
    对级联型静止同步补偿器的主电路结构与原理，载波相移PWM技术，功率解耦控制算法和分布式直流侧电压控制算法进行了研究，在一台以VME机箱控制的3级模块化级联多电平变换器静止同步补偿器系统上对控制策略进行了实验验证，实验结果表明，功率解耦控制算法实现简单，计算量小，其控制的静止同步补偿器系统动态性能良好：分层、分布式直流侧电压控制算法可有效抑制直流侧电容电压的波动。以上算法亦可推广到多级高压模块化级联多电平变换器装置上。