CN103441512B - 基于模块化多电平变流器的无功补偿（mmc-statcom）方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模块化多电平变流器的无功补偿方法，由于从能量角度而言，模块化多电平变流器的各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，因此，可进行分块控制，包括以下的部分：步骤S1：根据MMC拓扑结构建立MMC‑STATCOM解耦模型；步骤S2：从能量观点分析所述MMC‑STATCOM解耦模型中电容电压波动的原因，得到各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，并进行分块控制。本发明从能量观点解释了MMC‑STATCOM的电容电压波动原因，并使用分块控制法控制了各模块电容电压；直流侧电压波动控制和无功补偿功能共同使用DQ解耦结构控制，简化了控制结构；无功补偿性能良好，且动态响应速度较快。

Description

基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法

技术领域

本发明属于电力信息技术领域，特别是涉及一种基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法。

背景技术

静止同步补偿器（STATCOM）可以有效补偿负载无功功率，从而可以提高负载功率因数，降低输电过程中的电能损失。随着电力系统的规模不断发展，对FACTS装置的容量和电压等级都提出了新的要求，STATCOM也不断向高电压、大容量发展。受限于器件的电气参数，基于传统变流器的STATCOM的容量和电压等级越来越不能满足要求；传统变流器由于输出电压电平数有限，其输出端需要串接滤波器，成本和占地问题都不容忽视。

通过子模块的串联，MMC的出现克服了低压开关器件不能满足高电压等级的问题；MMC由于输出电平较多而谐波很小，可以不串接滤波器而直接并网。基于上述优点，MMC受到广泛关注，并且已经有MMC-HVDC的应用工程，但基于MMC的STATCOM研究较少。鉴于MMC-STATCOM中MMC直流侧使用大电容而非理想电源，而MMC-HVDC直流侧电容电压是依靠整流侧的控制方法维持稳定，且其无功控制方案较为复杂，因此有必要对MMC-STATCOM的控制方案进行研究。另外，MMC正常工作要求直流侧电压恒定，因此既要各相的子模块的总电压维持恒定，且各相相同；又要各子模块电压维持在其指令电压附近。考虑到实际运行中直流侧使用分裂式电容而非直流电压源，因此直流侧电容电压也需要控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法，其特征在于，由于从能量角度而言，模块化多电平变流器的各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，因此，可进行分块控制，包括以下的部分：

步骤S1：根据MMC拓扑结构建立MMC-STATCOM解耦模型；

步骤S2：从能量观点分析所述MMC-STATCOM解耦模型中电容电压波动的原因，得到各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，并进行分块控制。

较佳地，所述步骤（1）中的MMC-STATCOM解耦数学模型的建立过程具体为：

根据列写MMC等效输出电感表达式：

$L_e=L_s+\frac{1}{2}{L}_0---\left(1\right)$

列写MMC三相电压、电流的时域表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_e\frac{{\mathrm{di}}_u}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{us}}-V_{\mathrm{uo}}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_v}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{vs}}-V_{\mathrm{vo}}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_w}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{ws}}-V_{\mathrm{wo}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

将式（2）转换为DQ坐标系：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_e\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=U_d+w{\mathrm{Li}}_q-U_{\mathrm{od}}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=U_q+{\mathrm{wLi}}_d-U_{\mathrm{oq}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

得出MMC输出无功功率在DQ坐标系下的表示为：

Q=-1.5U_di_q ⑷

其中，

L₀为MMC每相桥臂串联的限流电感，L_s为MMC输出与电网相连的电感；

i_u、i_v、i_w分别为MMC三相输出的电流；

V_us、V_vs、V_ws分别为电网侧MMC-STATCOM接入点电压；

V_uo、V_vo、V_wo分别为MMC-STATCOM输出电压；

i_d、i_q分别为MMC-STATCOM输出的交、直轴电流；

U_d、U_q分别为电网侧MMC-STATCOM接入点电压在DQ坐标系下的值；

U_od、U_oq分别为MMC-STATCOM输出电压在DQ坐标系下的值。

较佳地，所述步骤（2）中具体包括：

（1）在各相调制波上附加相间能量修正值，以平衡能量在各相的分布；

（2）在各子模块调制波上附加子模块能量修正值，以平衡能量在各个子模块间的分布；

（3）通过电压外环和电流内环控制，并经过DQ反变换得到CSPWM的调制波，进行直流侧电容电压控制和无功补偿；

（4）将所述（1）、（2）中的相间能量修正值和子模块能量修正值与（3）中所得的调制波进行叠加，并与移相三角波进行比较，得到各子模块开关器件的出发脉冲，从而实现MMC-STATCOM的功能。

较佳地，所述（1）中在各相调制波上附加相间能量修正值，以平衡能量在各相的分布具体为采用双闭环矢量控制，即外环采用电压PI控制，内环采用环流抑制控制器控制。

较佳地，所述（2）中在各子模块调制波上附加子模块能量修正值，以平衡能量在各个子模块间的分布的具体方法为PI控制，即通过比较电容电压瞬时值和参考值，判断此刻电容的充、放电状态，从而修正电容充、放电的时间，进而平衡能量在所述各子模块间的分布。

较佳地，所述（3）中通过电压外环和电流内环控制，并经过DQ反变换得到CSPWM的调制波，进行直流侧电容电压控制和无功补偿的具体方法为：计算MMC输出电流在DQ下的交、直轴分量，并与各自的目标值进行PI控制，PI控制输出为MMC输出电压在DQ坐标系下的值；通过DQ-ABC反变换，从而得到模块化多电平变流器的调制波的载波量。

本发明由于采用上述的技术方案，具有以下优点：

1、建立了MMC-STATCOM解耦模型；

2、从能量观点解释了MMC-STATCOM的电容电压波动原因，并使用分块控制法控制了各模块电容电压；

3、直流侧电压波动控制和无功补偿功能共同使用DQ解耦结构控制，简化了控制结构；

4、无功补偿性能良好，且动态响应速度较快。

附图说明

图1是本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法流程图；

图2是本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法中的MMC拓扑结构图；

图3a本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法所涉及的MMC-STATCOM原理图，

图3b是图3a所示的MMC-STATCOM原理图的等效电路图；

图4为图2所示的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法中的步骤S2的流程图；

图5是本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法中的子模块均压控制原理图；

图6是本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法中的相间稳压控制原理图；

图7是本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法的中直流侧稳压和无功补偿控制原理图；

图8a是根据本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法的进行的仿真结果中的U相子模块电容电压示意图；

图8b是根据本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法的进行的仿真结果中的MMC直流侧电压波形示意图；

图8c是根据本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法的进行的仿真结果中的电网U相电压电流波形示意图。

具体实施方

下面结合说明书附图对本发明的基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法作进一步详细的说明。

本发明提供了一种基于模块化多电平变流器的无功补偿（MMC-STATCOM）方法，由于从能量角度而言，模块化多电平变流器的各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，因此，可进行分块控制，包括以下的部分：

如图1所示：

步骤S1：根据MMC拓扑结构建立MMC-STATCOM解耦模型；

如图2、图3a和图3b所示，对于MMC-STATCOM建立解耦数学模型：考虑到MMC三相对称，且环流很小，则每相上下桥臂的两电感间电压为零，故可视为并联，故等效输出电感表达式为：

$L_e=L_s+\frac{1}{2}{L}_0---\left(1\right)$

列写MMC三相电压、电流的时域表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_e\frac{{\mathrm{di}}_u}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{us}}-V_{\mathrm{uo}}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_v}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{vs}}-V_{\mathrm{vo}}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_w}{\mathrm{dt}}=V_{\mathrm{ws}}-V_{\mathrm{wo}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

将式（2）转换为DQ坐标系：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_e\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=U_d+w{\mathrm{Li}}_q-U_{\mathrm{od}}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=U_q+{\mathrm{wLi}}_d-U_{\mathrm{oq}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

得出MMC输出无功功率在DQ坐标系下的表示为：

Q=-1.5U_di_q ⑷

其中，

L₀为MMC每相桥臂串联的限流电感，L_s为MMC输出与电网相连的电感；

i_u、i_v、i_w分别为MMC三相输出的电流；

V_us、V_vs、V_ws分别为电网侧MMC-STATCOM接入点电压；

V_uo、V_vo、V_wo分别为MMC-STATCOM输出电压；

i_d、i_q分别为MMC-STATCOM输出的交、直轴电流；

U_d、U_q分别为电网侧MMC-STATCOM接入点电压在DQ坐标系下的值；

U_od、U_oq分别为MMC-STATCOM输出电压在DQ坐标系下的值。

参见图4所示，步骤S2：从能量观点分析步骤S1中建立的MMC-STATCOM解耦模型中电容电压波动的原因，得到各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，并进行分块控制：

（1）在各相调制波上附加相间能量修正值，以平衡能量在各相的分布；各相间能量不平衡造成相间总电压不平衡，进而引起相间环流。因此通过抑制相间环流来平衡能量在各相的分布，具体方法为采用双闭环矢量控制：外环为电压PI控制，得到环流指令值，越小越好；内环为环流抑制控制器控制，输出为抑制环流量的电压修正值。

参加图5，例如：某相（比如U相）的电压修正值为正，说明其能量偏小，需要延长该相所有子模块的充电时间。

（2）如图6所示，在各子模块调制波上附加子模块能量修正值，以平衡能量在各个子模块间的分布；各相能量平衡不能保证该相各个子模块能量平衡，因此需要平衡各相总能量在各子模块中的分布，同样，可采取在各子模块调制波上附加子模块能量修正值的方式，平衡能量在各个子模块间的分布的具体方法为PI控制，即通过比较电容电压瞬时值和参考值，判断此刻电容的充、放电状态，从而修正电容充、放电的时间，进而平衡能量在所述各子模块间的分布。

（3）如图7所示，通过电压外环和电流内环控制，并经过DQ反变换得到CSPWM的调制波，进行直流侧电容电压控制和无功补偿；各相能量平衡，同时子模块能量平衡不能保证直流侧电容电压稳定，依然会引起各相与直流侧的环流。直流侧的能量损失是由MMC内部有功损耗引起的，可以通过MMC的输出电流在DQ坐标系下的有功电流分量进行控制。因此，选择MMC的直流侧电压控制和无功补偿功能同时控制，即通过计算MMC输出电流在DQ下的交、直轴分量，并与各自的目标值进行PI控制，PI控制输出为MMC输出电压在DQ坐标系下的值；而后，通过DQ-ABC反变换，得到MMC调制波的载波量。

（4）将所述（1）、（2）中的相间能量修正值和子模块能量修正值与（3）中所得的调制波进行叠加，并与移相三角波进行比较，得到各子模块开关器件的出发脉冲，从而实现MMC-STATCOM的功能。例如：以U相为例，其上桥臂各子模块共用一个相同的调制波，叠加上各个子模块的电压修正值，按照载波移相原理，各子模块的三角载波各自相移一定角度后与上述得到的修正后的调制波比较得到“0”信号和“1”信号的开关信号，进而控制各子模块的IGBT开通和关断。

使用matlab/Simulink按照图3(a)建立模型验证本发明的有效性，仿真结果请参见图8a-8c所示。

本发明由于采用上述的技术方案，具有以下优点：

1、建立了MMC-STATCOM解耦模型；

2、从能量观点解释了MMC-STATCOM的电容电压波动原因，并使用分块控制法控制了各模块电容电压；

3、直流侧电压波动控制和无功补偿功能共同使用DQ解耦结构控制，简化了控制结构；

4、无功补偿性能良好，且动态响应速度较快。

上述公开的仅为本发明的具体实施例，该实施例只为更清楚的说明本发明所用，而并非对本发明的限定，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于模块化多电平变流器的无功补偿(MMC-STATCOM)方法，其特征在于，由于从能量角度而言，模块化多电平变流器的各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，且三相对称，因此，可进行分块控制，包括以下的部分：

步骤S1：根据MMC拓扑结构建立MMC-STATCOM解耦模型；

步骤S2：从能量观点分析所述MMC-STATCOM解耦模型中电容电压波动的原因，得到各相、各子模块和直流侧能量分布相互独立，并进行分块控制；

所述步骤S2中具体包括：

(1)在各相调制波上附加相间能量修正值，以平衡能量在各相的分布；

(2)在各子模块调制波上附加子模块能量修正值，以平衡能量在各个子模块间的分布；

(3)通过电压外环和电流内环控制，并经过DQ反变换得到CSPWM的调制波，进行直流侧电容电压控制和无功补偿；

(4)将所述(1)、(2)中的相间能量修正值和子模块能量修正值与(3)中所得的调制波进行叠加，并与移相三角波进行比较，得到各子模块开关器件的触发脉冲，从而实现MMC-STATCOM的功能；

所述(2)中在各子模块调制波上附加子模块能量修正值，以平衡能量在各个子模块间的分布的具体方法为PI控制，即通过比较电容电压瞬时值和参考值，判断此刻电容的充、放电状态，从而修正电容充、放电的时间，进而平衡能量在所述各子模块间的分布；

其中，MMC全称MODULAR MULTILEVEL CONVERTER，表示模块化多电平变流器；STATCOM全称StaticSynchronous Compensator，表示静止同步补偿器。

2.如权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的无功补偿(MMC-STATCOM)方法，其特征在于，所述步骤S1中的MMC-STATCOM解耦数学模型的建立过程具体为：

根据列写MMC-STATCOM等效输出电感表达式：

$L_e=L_s+\frac{1}{2}{L}_0---\left(1\right)$

列写MMC-STATCOM三相电压、电流的时域表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_e\frac{{\mathrm{di}}_u}{dt}=V_{us}-V_{uo}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_v}{dt}=V_{vs}-V_{vo}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_w}{dt}=V_{ws}-V_{wo}\end{array}\right.---\left(2\right)$

将式(2)转换为DQ坐标系：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_e\frac{{\mathrm{di}}_d}{dt}=U_d+{\mathrm{wL}}_e{i}_q-U_{od}\\ L_e\frac{{\mathrm{di}}_q}{dt}=U_q+{\mathrm{wL}}_e{i}_d-U_{oq}\end{array}\right.---\left(3\right)$

得出MMC-STATCOM输出无功功率在DQ坐标系下的表示为：

Q＝-1.5U_di_q ⑷

其中，

L₀为MMC每相桥臂串联的限流电感，L_s为MMC输出与电网相连的电感；

i_u、i_v、i_w分别为MMC-STATCOM三相输出的电流；

V_us、V_vs、V_ws分别为电网侧MMC-STATCOM接入点电压；

V_uo、V_vo、V_wo分别为MMC-STATCOM输出电压；

i_d、i_q分别为MMC-STATCOM输出的交、直轴电流；

U_d、U_q分别为电网侧MMC-STATCOM接入点电压在DQ坐标系下的值；

U_od、U_oq分别为MMC-STATCOM输出电压在DQ坐标系下的值。

3.如权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的无功补偿(MMC-STATCOM)方法，其特征在于，所述(1)中在各相调制波上附加相间能量修正值，以平衡能量在各相的分布具体为采用双闭环矢量控制，即外环采用电压PI控制，内环采用环流抑制控制器控制。

4.如权利要求1所述的基于模块化多电平变流器的无功补偿(MMC-STATCOM)方法，其特征在于，所述(3)中通过电压外环和电流内环控制，并经过DQ反变换得到CSPWM的调制波，进行直流侧电容电压控制和无功补偿的具体方法为：计算MMC输出电流在DQ下的交、直轴分量，并与各自的目标值进行PI控制，PI控制输出为MMC输出电压在DQ坐标系下的值；通过DQ-ABC反变换，从而得到模块化多电平变流器的调制波的载波量。