CN111030131B - 基于负序虚拟阻抗的mmc-statcom环流抑制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于模块化多电平换流器的控制及应用技术领域，具体为基于负序虚拟阻抗的MMC‑STATCOM环流抑制装置。在中高压配电网包含有源无功补偿系统中，以模块化多电平换流器（MMC）作为静止同步补偿器（STATCOM）补偿负荷无功与负序分量具有额定容量大，耐压等级高等优势。但是MMC相间存在有以负序二倍频为主的环流，会影响变换器容量以及性能。本发明建立了MMC‑STATCOM的数学模型，利用负系数滤波器分离正负序分量得到指令电流，添加负序虚拟阻抗控制以来降低产生的二倍频环流，提升了无功补偿器的补偿容量。在建立的仿真模型与实验平台上验证了所提出的控制方法在能充分补偿系统无功功率的同时能够有效地抑制相间环流，提高了系统的稳定性与额定容量。

Description

基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置
技术领域
本发明涉及电路控制技术领域，具体是一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置。
背景技术
线路传输功率的功率因数过低会导致线路损耗增加以及发电机出力增加，为了使线路传输电能具有较好的电能质量与较低的线路损耗，通常需要在线路末端增设无功补偿装置。
一般的无功补偿装置包含无源补偿装置与有源补偿装置。无源补偿装置补偿容量相对固定，不能根据负荷侧的需求功率及时做出调整。而输电线路传输的功率受到负荷侧需求功率的影响，为了能够跟踪线路中的无功变化情况和维持公共点电压稳定，采用具有检测线路电流从而进行补偿的有源无功补偿的机制更容易输出符合所需的无功功率。随着配电网电压的提升与负荷的不断增大，对于适用于高电压，大容量的模块化多电平换流器静止同步补偿器(MMC-STATCOM)的研究近些年来逐渐成为了热点话题。
但是相对于以往的换流器，MMC也存在有自身的问题。由于MMC的三相桥臂是并联在直流侧，正常运行时由于功率模块的开断时间不一定，所以三项桥臂电压不可能完全相同，所以三相桥臂之间在没有控制的情况下会产生相间环流，相间环流的存在等效的增大了桥臂电压，使得MMC的内部损耗增加，也会使桥臂电流发生畸变，为了使得MMC-STATCOM的输出容量增加以及输出电能质量更为优质就必须对MMC-STATCOM相间环流进行抑制。
发明内容
本发明旨在为了消除MMC相间环流，本发明在建立MMC-STATCOM模型的基础上，提出了一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置。
本发明是采用如下技术方案实现的：提供一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，用于对配电网的MMC-STATCOM进行环流抑制，包括：负荷电流检测模块、电流环控制模块、虚拟阻抗抑制模块、桥臂电压计算模块及载波移相调制模块；
其中，负荷电流检测模块连接于配电网的负荷端，从负荷端提取负荷电流，输入负荷电流检测模块，得到负荷补偿指令电流，并将负荷补偿指令电流输入电流环控制模块，输出MMC-STATCOM的第一电压参考值；将MMC-STATCOM的桥臂环流电流和桥臂环流压降输入到虚拟阻抗抑制模块中，得到第二电压参考值，与MMC-STATCOM的电压参考值均输入到桥臂电压计算模块中，得到上下桥臂参考电压值，并输入到载波移相调制模块中，将载波移相调制模块输出的占空比信号输入到MMC-STATCOM中，实现对MMC-STATCOM的环流抑制。
其中，负荷电流检测模块包括dq变换器、低通滤波器、dq反变换器及加法器；将负荷电流输入dq变换器，经过派克变换得到dq轴分量，将d轴分量输入低通滤波器中进行滤波处理，处理完成后将处理结果和零电流输入dq反变换器，将负荷电流和dq反变换器输出结果输入加法器中，做减法处理，得到负荷补偿指令电流。
其中，电流环控制模块包括dq变换器、dq反变换器、加法器及PI控制器；将负荷补偿指令电流输入到dq变换器中，得到负荷补偿指令电流的d轴分量和q轴分量，对MMC-STATCOM的桥臂环流电流做dq变换，将负荷补偿指令电流的d轴分量和q轴分量分别与桥臂环流电流的d轴分量和q轴分量输入一加法器，做加法运算，结果分别输入一PI控制器，PI控制器的输出结果分别进行解耦合，通过dq反变换器作用，得到MMC-STATCOM的第一电压参考值。
其中，虚拟阻抗抑制模块包括：克拉克变换器、复系数滤波器、虚拟阻抗和加法器；计算MMC-STATCOM的桥臂环流电流和桥臂环流压降，将桥臂环流电流输入克拉克变换器进行克拉克变换，变换结果输入复系数滤波器对正负序分量进行分离，将负序分量通过设计的虚拟阻抗，得到附加在虚拟阻抗上的环流电压，输入加法器中，与桥臂环流压降做加法运算，得到第二电压参考值。
其中，桥臂电压计算模块包括三个加法器，分别设定为第一加法器、第二加法器和第三加法器；其中，第一加法器的第一输入端连接电流环控制模块的输出端，第二输入端输入第一电压值，做加法运算；第二加法器的第一输入端连接第一加法器的输出端，第二输入端连接虚拟阻抗抑制模块的输出端，做加法运算；第三加法器的第一输入端连接虚拟阻抗抑制模块的输出端，第二输入端连接第一加法器的输出端，做减法运算，第二加法器和第三加法器的输出端连接至载波移相调制模块，分别输出上下桥臂参考电压值，以对载波移相调制模块进行调制。
其中，载波移相调制模块输出占空比信号，发送至MMC-STATCOM，以控制其中各功率器件的开断。
其中，从负荷端提取的负荷电流为三相电流时，分别对每一相的电路进行处理，实现对配电网MMC-STATCOM的环流抑制。
区别于现有技术，本发明的基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置在建立MMC-STATCOM模型的基础上，提出了负序坐标系下的虚拟阻抗模型。仿真和实验验证了二倍频以及高倍频环流得到了有效的抑制，并且达到了无功补偿和提升换流器容量的目标。通过消除负荷电流中的基频有功成分得到负荷侧指令电流，减小了网侧输出电流的谐波含量；利用负序虚拟阻抗抑制相间环流的控制方式，使得MMC-STATCOM输出满足负荷侧需求无功的基础上，增大了其容量并减小了其内部损耗。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置的结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置中的MMC-STATCOM主电路拓扑结构示意图。
图3为本发明提供的一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置中的MMC-STATCOM数学模型结构示意图。
图4为本发明提供的一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置中负荷电流检测模块的结构示意图。
图5为本发明提供的一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置中电流环控制模块的结构示意图。
图6为本发明提供的一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置的虚拟阻抗抑制模块的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，用于对配电网的MMC-STATCOM进行环流抑制，包括：负荷电流检测模块、电流环控制模块、虚拟阻抗抑制模块、桥臂电压计算模块及载波移相调制模块；
其中，负荷电流检测模块连接于配电网的负荷端，从负荷端提取负荷电流，输入负荷电流检测模块，得到负荷补偿指令电流，并将负荷补偿指令电流输入电流环控制模块，输出MMC-STATCOM的第一电压参考值；将MMC-STATCOM的桥臂环流电流和桥臂环流压降输入到虚拟阻抗抑制模块中，得到第二电压参考值，与MMC-STATCOM的电压参考值均输入到桥臂电压计算模块中，得到上下桥臂参考电压值，并输入到载波移相调制模块中，将载波移相调制模块输出的占空比信号输入到MMC-STATCOM中，实现对MMC-STATCOM的环流抑制。
其中，负荷电流检测模块包括dq变换器、低通滤波器、dq反变换器及加法器；将负荷电流输入dq变换器，经过派克变换得到dq轴分量，将d轴分量输入低通滤波器中进行滤波处理，处理完成后将处理结果和零电流输入dq反变换器，将负荷电流和dq反变换器输出结果输入加法器中，做减法处理，得到负荷补偿指令电流。
其中，电流环控制模块包括dq变换器、dq反变换器、加法器及PI控制器；将负荷补偿指令电流输入到dq变换器中，得到负荷补偿指令电流的d轴分量和q轴分量，对MMC-STATCOM的桥臂环流电流做dq变换，将负荷补偿指令电流的d轴分量和q轴分量分别与桥臂环流电流的d轴分量和q轴分量输入一加法器，做加法运算，结果分别输入一PI控制器，PI控制器的输出结果分别进行解耦合，通过dq反变换器作用，得到MMC-STATCOM的第一电压参考值。
其中，虚拟阻抗抑制模块包括：克拉克变换器、复系数滤波器、虚拟阻抗和加法器；计算MMC-STATCOM的桥臂环流电流和桥臂环流压降，将桥臂环流电流输入克拉克变换器进行克拉克变换，变换结果输入复系数滤波器对正负序分量进行分离，将负序分量通过设计的虚拟阻抗，得到附加在虚拟阻抗上的环流电压，输入加法器中，与桥臂环流压降做加法运算，得到第二电压参考值。
其中，桥臂电压计算模块包括三个加法器，分别设定为第一加法器、第二加法器和第三加法器；其中，第一加法器的第一输入端连接电流环控制模块的输出端，第二输入端输入第一电压值，做加法运算；第二加法器的第一输入端连接第一加法器的输出端，第二输入端连接虚拟阻抗抑制模块的输出端，做加法运算；第三加法器的第一输入端连接虚拟阻抗抑制模块的输出端，第二输入端连接第一加法器的输出端，做减法运算，第二加法器和第三加法器的输出端连接至载波移相调制模块，分别输出上下桥臂参考电压值，以对载波移相调制模块进行调制。
其中，载波移相调制模块输出占空比信号，发送至MMC-STATCOM，以控制其中各功率器件的开断。
其中，从负荷端提取的负荷电流为三相电流时，分别对每一相的电路进行处理，实现对配电网MMC-STATCOM的环流抑制。
MMC-STATCOM主电路拓扑如图2所示。子模块电路分为半桥电路与全桥电路，半桥型MMC以其结构简单，控制简便成为一般使用的形式。半桥型子模块由半桥电路并联储能电容构成。n个子模块进行级联构成桥臂电路，并且在桥臂上串联桥臂电感Lm用以防止桥臂电流过大。
MMC-STATCOM的j相(j表示a,b,c其中任意一相，
Figure BDA0002315308550000062
为其相角)上下桥臂电压为：
Figure BDA0002315308550000061
其中，upji和unji分别为j相上下桥臂第i个子模块电压，spji和spji为其开关函数。当子模块数量足够多时，桥臂电压近似于正弦波，可以表示为：
Figure BDA0002315308550000071
udc为补偿器直流侧电压，Uj表示j相桥臂交流电压幅值。可以利用受控电压源等效MMC-STATCOM桥臂子模块级联，得到的MMC-STATCOM数学模型如图3所示。用电压源ea、eb、ec表示配电网侧电源，Rc、Lc为MMC-STATCOM交流侧电阻电感，Lm为表征MMC-STATCOM桥臂限流电感，izj表示j相环流电流，upj、unj表示j相桥臂子模块级联等效电压源。
由图3可以得到j相桥臂环流电流为：
Figure BDA0002315308550000072
上下桥臂电流可以表示为：
Figure BDA0002315308550000073
式中，idc为MMC-STATCOM直流侧电流，icj为j相网侧流向补偿器的补偿电流,I为交流侧电流幅值。
利用式(3)、(5)可以得到上桥臂能量为：
Figure BDA0002315308550000074
y1、y2分别为一倍频，二倍频环流能量幅值，同理可得下桥臂能量为：
Figure BDA0002315308550000081
将(7)、(8)相加得桥臂能量：
Figure BDA0002315308550000082
所以将上下桥臂看作整体后，其桥臂电压必然包含有二倍频电压分量，所以可以得到相电压表达式：
Figure BDA0002315308550000083
式中uj为相电压，uj_AC为交流分量，U2f为二倍频环流电压分量幅值。分析可得此时的环流电流二倍频分量为负序分量。该式表明未添加控制的情况下，相电压中总会产生二次谐波分量。当考虑子模块电压波动时，桥臂之间的环流不仅有二倍频成分，还包含有子模块电容电压波动造成的高倍频成分。
所以上下桥臂电压可以修正为
Figure BDA0002315308550000084
uk为高频谐波电压成分。
产生环流压降的电压分量为：
Figure BDA0002315308550000085
本发明采用的在负序坐标系下的虚拟阻抗控制方式不仅能抑制二倍频环流，同样也对高倍频环流有着抑制效果。
当配电网负荷功率因数较低时，往往会对配电网侧电网电流造成影响，使得网侧电流与电压相位相差一定角度。网侧向负荷侧既提供有功电流也提供无功电流。为了消除这种影响，利用MMC-STATCOM补偿无功电流，使得电流无功分量只在负荷侧与MMC-STATCOM二者之间流动。
为了使配电网仅向负荷输出基频有功电流，此时无功电流与其他频次的有功分量应由MMC-STATCOM提供。设置负荷电流检测模块，用于产生无功负荷补偿指令电流，其控制框图如图4所示。
通过传感器得到的负荷电流iL经过派克变换得到dq轴分量。将有功分量iLd滤除高次谐波后会得到基频分量，用负荷电流减去该基频分量，即可得到MMC-STATCOM的指令电流。该指令电流包含负荷无功分量以及有功分量的高次谐波分量。利用MMC-STACOM补偿负荷电流后，网侧电流就会减少无功分量输出以及谐波输出，提升电网侧的电能质量。
得到指令电流后，利用比例积分控制器(PI)进行调节，输出量为无功补偿器的电压参考值。电流环控制模块的结构示意图如图5所示。
由前分析可知，桥臂间环流主要是负序二倍频，但是也同样包含有较少的其他谐波分量，所以本发明提出了在负序坐标系下的虚拟阻抗以来抑制环流。为了增加正负序分离的精确度，本发明采用了复系数滤波器(Complex-Coefficient Filter,CCF)对正负序分量进行分离，其正负序分量提取时互相反馈各自提取量：
Figure BDA0002315308550000091
Figure BDA0002315308550000092
式中ω0表示谐振频率，采用负荷侧电压基波频率，ωc表示截止频率，设置为0.707ω0。
附加虚拟阻抗的虚拟阻抗抑制模块的结构示意图如图6所示。图6中，iZ是三相桥臂环流电流，经过CCF正负序分离后得到负序分量
Figure BDA0002315308550000093
通过设计的虚拟阻抗得到附加在虚拟阻抗上的环流电压
Figure BDA0002315308550000094
与产生环流的压降uZ相加得到环流压降的参考值
Figure BDA0002315308550000095
在经过负荷检测得到的电流作为电流环指令电流值，再加入附加虚拟阻抗控制后的环流电压后得到最终上下桥臂参考电压值up和un。经过载波移相调制(CPS-SPWM)后得到MMC-STATCOM各功率器件的开断信号。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，用于对配电网的MMC-STATCOM进行环流抑制，其特征在于，包括：负荷电流检测模块、电流环控制模块、虚拟阻抗抑制模块、桥臂电压计算模块及载波移相调制模块；
其中，负荷电流检测模块连接于配电网的负荷端，从负荷端提取负荷电流，输入负荷电流检测模块，得到负荷补偿指令电流，并将负荷补偿指令电流输入电流环控制模块，输出MMC-STATCOM的第一电压参考值；将MMC-STATCOM的桥臂环流电流和桥臂环流压降输入到虚拟阻抗抑制模块中，得到第二电压参考值，与MMC-STATCOM的第一电压参考值均输入到桥臂电压计算模块中，得到上下桥臂参考电压值，并输入到载波移相调制模块中，将载波移相调制模块输出的占空比信号输入到MMC-STATCOM中，实现对MMC-STATCOM的环流抑制。
2.根据权利要求1所述的基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，其特征在于，负荷电流检测模块包括dq变换器、低通滤波器、dq反变换器及加法器；将负荷电流输入dq变换器，经过派克变换得到dq轴分量，将d轴分量输入低通滤波器中进行滤波处理，处理完成后将处理结果和零电流输入dq反变换器，将负荷电流和dq反变换器输出结果输入加法器中，做减法处理，得到负荷补偿指令电流。
3.根据权利要求1所述的基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，其特征在于，电流环控制模块包括dq变换器、dq反变换器、加法器及PI控制器；将负荷补偿指令电流输入到dq变换器中，得到负荷补偿指令电流的d轴分量和q轴分量，对MMC-STATCOM的桥臂环流电流做dq变换，将负荷补偿指令电流的d轴分量和q轴分量分别与桥臂环流电流的d轴分量和q轴分量输入一加法器，做加法运算，结果分别输入一PI控制器，PI控制器的输出结果分别进行解耦合，通过dq反变换器作用，得到MMC-STATCOM的第一电压参考值。
4.根据权利要求1所述的基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，其特征在于，虚拟阻抗抑制模块包括：克拉克变换器、复系数滤波器、虚拟阻抗和加法器；计算MMC-STATCOM的桥臂环流电流和桥臂环流压降，将桥臂环流电流输入克拉克变换器进行克拉克变换，变换结果输入复系数滤波器对正负序分量进行分离，将负序分量通过设计的虚拟阻抗，得到附加在虚拟阻抗上的环流电压，输入加法器中，与桥臂环流压降做加法运算，得到第二电压参考值。
5.根据权利要求1所述的基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，其特征在于，桥臂电压计算模块包括三个加法器，分别设定为第一加法器、第二加法器和第三加法器；其中，第一加法器的第一输入端连接电流环控制模块的输出端，第二输入端输入第一电压值，做加法运算；第二加法器的第一输入端连接第一加法器的输出端，第二输入端连接虚拟阻抗抑制模块的输出端，做加法运算；第三加法器的第一输入端连接虚拟阻抗抑制模块的输出端，第二输入端连接第一加法器的输出端，做减法运算，第二加法器和第三加法器的输出端连接至载波移相调制模块，分别输出上下桥臂参考电压值，以对载波移相调制模块进行调制。
6.根据权利要求5所述的基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，其特征在于，载波移相调制模块输出占空比信号，发送至MMC-STATCOM，以控制其中各功率器件的开断。
7.根据权利要求1所述的基于负序虚拟阻抗的MMC-STATCOM环流抑制装置，其特征在于，从负荷端提取的负荷电流为三相电流时，分别对每一相的电路进行处理，实现对配电网MMC-STATCOM的环流抑制。
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