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。