本發(fā)明涉及基于模塊化多電平換流器的靜止同步補(bǔ)償器,特別是一種基于橋臂電流的mmc-statcom不平衡負(fù)載補(bǔ)償控制方法，屬于電力技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

實(shí)際中低壓配電網(wǎng)領(lǐng)域中會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)電壓不平衡的狀態(tài)，比如單相負(fù)荷(單相電牽引系統(tǒng)、公共設(shè)施負(fù)載及農(nóng)村電氣系統(tǒng)等)的不對(duì)稱分布會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電平的不平衡，產(chǎn)生負(fù)序分量影響電能質(zhì)量的傳輸。同時(shí)負(fù)載的不平衡也會(huì)帶來(lái)功率因素的下降，電力系統(tǒng)中線損及熱效應(yīng)的增加。因此為改善電網(wǎng)的條件研制能對(duì)無(wú)功和負(fù)序電流綜合補(bǔ)償?shù)难b置很重要。目前，電壓源靜止同步無(wú)功補(bǔ)償器(statcom)相對(duì)于其它補(bǔ)償器由于其響應(yīng)速度快和能動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償，廣泛用于需無(wú)功補(bǔ)償和緩解由于電網(wǎng)故障引起的電壓波動(dòng)以及補(bǔ)償不平衡負(fù)載產(chǎn)生的負(fù)序電流等應(yīng)用場(chǎng)合。而基于mmc的statcom具有模塊化設(shè)計(jì)、易于擴(kuò)展和低諧波輸出等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于不平衡負(fù)載的補(bǔ)償有良好的效果，不失為一種很好的補(bǔ)償裝置。

模塊化多電平換流器(mmc)由三相上、下橋臂并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂由相等的半h橋子模塊與電感串聯(lián)構(gòu)成，半橋子模塊如圖2所示。采用合理的調(diào)制策略，控制子模塊電容的投入或切除，使mmc輸出電壓呈多電平波形，子模塊數(shù)越多即電平數(shù)越多mmc輸出的波形越接近理想正弦波形。通過(guò)調(diào)節(jié)mmc輸出電壓的幅值和相角，可控制換流器輸出的無(wú)功和負(fù)序電流，以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償不平衡負(fù)載。由于mmc三相共用直流側(cè)形成相間環(huán)流通路，實(shí)現(xiàn)自然三相功率的平衡，因此相對(duì)于其它鏈?zhǔn)絪tatcom，這是mmc-statcom能實(shí)現(xiàn)不平衡負(fù)載的原因。

當(dāng)前針對(duì)mmc不平衡電流控制主要集中于將mmc交流側(cè)電流和mmc內(nèi)部環(huán)流進(jìn)行分開(kāi)控制。mmc交流側(cè)電流控制采用雙矢量電流環(huán)控制，需分離電流正負(fù)序分量和雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，且多路pi參數(shù)的整定，都增加了控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)的復(fù)雜度。同時(shí)，實(shí)際運(yùn)行中，由于各方因素mmc的子模塊電容電壓不可能完全相同，尤其是mmc-statcom補(bǔ)償不平衡負(fù)載時(shí)，會(huì)導(dǎo)致mmc產(chǎn)生相間環(huán)流交流分量。已有文獻(xiàn)抑制環(huán)流的方法主要有增大橋臂電抗、雙環(huán)環(huán)流分量pi控制等,此類方法基于增加系統(tǒng)成本或加重系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。研究一種基于mmc的statcom不平衡負(fù)載綜合補(bǔ)償策略非常重要，而采用基于mmc橋臂電流的控制方法將mmc交流側(cè)電流和環(huán)流統(tǒng)一控制簡(jiǎn)化了整體控制結(jié)構(gòu)，同時(shí)在保證mmc穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下也能很好實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合補(bǔ)償電流指令的跟蹤控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是,針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種基于橋臂電流的mmc-statcom不平衡負(fù)載補(bǔ)償控制方法，將mmc交流側(cè)電流和mmc內(nèi)部環(huán)流統(tǒng)一控制，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)整體復(fù)雜度，保證mmc穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的同時(shí)能更快響應(yīng)對(duì)不平衡負(fù)載的綜合補(bǔ)償。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于橋臂電流的mmc-statcom不平衡負(fù)載補(bǔ)償控制方法，包括以下步驟：

第一步、檢測(cè)不平衡負(fù)載電流ila、ilb、ilc，通過(guò)正序park變換和陷波器分離出基于負(fù)載的無(wú)功和負(fù)序補(bǔ)償指令其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：分別為不平衡負(fù)載的負(fù)序有功電流和負(fù)序無(wú)功電流；為不平衡負(fù)載的正序無(wú)功電流。

第二步、再檢測(cè)所有子模塊電容電壓，求和后除以3得到mmc直流側(cè)平均電壓udc，將所得的直流側(cè)平均電壓udc與參考電壓相減后，通過(guò)pi控制調(diào)節(jié)器得到一個(gè)調(diào)壓指令信號(hào)

第三步、將通過(guò)dq/abc坐標(biāo)變化得到和

第四步、將mmc三相輸出電壓和相應(yīng)輸出電流相乘并經(jīng)過(guò)陷波器，得到mmc各相橋臂與三相電網(wǎng)有功功率交換的平均值poa、pob和poc，將平均值poa、pob和poc除以直流側(cè)電壓參考值獲得mmc三相環(huán)流的給定值i*dca、i*dcb和i*dcc；

第五步、將環(huán)流指令分別疊加到mmc三相交流側(cè)電流指令中得到mmc三相上、下橋臂的指令電流，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為；

第六步、檢測(cè)mmc三相上、下橋臂電流ipa、ipb、ipc和ina、inb、inc，與相應(yīng)的上、下橋臂電流指令值相減由準(zhǔn)pr控制器在三相靜止坐標(biāo)下進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤；

第七步、得出最終mmc三相上、下橋臂調(diào)制電壓，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，k＝a,b,c，usk為電網(wǎng)電壓；

第八步、利用載波移相脈寬調(diào)制方法將上、下橋臂調(diào)制電壓與載波進(jìn)行調(diào)制，得到mmc三相上、下橋臂各半橋子模塊的開(kāi)關(guān)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)子模塊的開(kāi)關(guān)臂以獲得期望的電壓輸出。

所述子模塊由2個(gè)igbt、兩個(gè)反并聯(lián)的二極管、以及1個(gè)并聯(lián)電容構(gòu)成。

所述的陷波器的頻率設(shè)置為100hz。

所述的準(zhǔn)pr控制器其諧振頻率由基頻和二倍頻兩部分構(gòu)成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明的方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)statcom的快速跟蹤不平衡負(fù)載的變化，補(bǔ)償無(wú)功和負(fù)序電流，保證電網(wǎng)電壓的平衡和單位功率因數(shù)電能的傳輸。

(1)采用對(duì)mmc交流側(cè)電流和mmc內(nèi)部環(huán)流的統(tǒng)一控制。相對(duì)于其它平衡電流控制方法，即使當(dāng)電網(wǎng)電壓可能出現(xiàn)不平衡的狀態(tài)時(shí)時(shí)，交流側(cè)電流不需要加上雙矢量電流環(huán)控制，mmc內(nèi)部環(huán)流抑制不需要增加額外其它環(huán)流分量的控制器當(dāng)。

(2)采用對(duì)mmc交流側(cè)電流和mmc內(nèi)部環(huán)流的統(tǒng)一控制。相對(duì)于其它不平衡電流控制方法，簡(jiǎn)化了交流側(cè)電流和mmc內(nèi)部環(huán)流不同分量的分離，雙同步坐標(biāo)變化，有功和無(wú)功解耦和多路pi參數(shù)整定等，使mmc-statcom控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易于實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的方法即能補(bǔ)償不平衡負(fù)載的無(wú)功分量和負(fù)序分量，又能抑制mmc相間環(huán)流的二倍頻波動(dòng)，保證mmc子模塊電容電壓的均衡，適合于任意相的模塊化多電平，魯棒性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為mmc-statcom結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為mmc半橋子模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3mmc交流側(cè)電流指令提取示意圖；

圖4mmc內(nèi)部環(huán)流指令值提取示意圖；

圖5mmc橋臂電流統(tǒng)一控制結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為負(fù)載三相電流對(duì)比圖；

圖7為電網(wǎng)電流對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的任何限制。

參見(jiàn)圖1-6所示，本發(fā)明的方法基于mmc橋臂電流采用統(tǒng)一電流控制器達(dá)到對(duì)mmc-statcom交流側(cè)電流和mmc內(nèi)部不平衡電流的同時(shí)控制，以下結(jié)合附圖具體介紹。

圖1為mmc-statcom結(jié)構(gòu)圖，建立kvl方程，可得

定義上、下橋臂電壓epk、enk差值得一半為mmc輸出電壓ek，(k＝a,b,c,下同)

定義上、下橋臂電流iap、ian為mmc交流側(cè)電流的一半與mmc內(nèi)部不平衡電流之和

參考圖3為mmc交流側(cè)電流指令提取示意框圖，從不平衡負(fù)載中提出無(wú)功電流和負(fù)序電流作為mmc輸出電流的參考值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的平衡，減少電能傳輸?shù)膿p耗。通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流ila、ilb、ilc，經(jīng)過(guò)正序變換park和二倍頻陷波器分離出的無(wú)功電流和負(fù)序電流分別作為在dq坐標(biāo)下mmc輸出電流的參考值。且實(shí)際中mmc自身存在損耗，為了維持mmc子模塊電容電壓的穩(wěn)定，采用pi控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)mmc直流側(cè)電壓的控制：

式中，為pi輸出信號(hào)即為的參考值，kp、ki分別為比例和積分系數(shù)，udc分別為由mmc子模塊電容電壓求得的直流側(cè)參考值和實(shí)際值。

參考圖4為mmc內(nèi)部環(huán)流指令值提取框圖，將檢測(cè)到mmc三相交流側(cè)輸出電流ica、icb、icc和電網(wǎng)電壓usa、usb、usc相乘經(jīng)過(guò)二倍頻陷波器，得到mmc各相橋臂與三相電網(wǎng)有功功率交換的平均值poa、pob和poc，除以直流側(cè)電壓參考值獲得mmc三相環(huán)流的給定值i*dca、i*dcb和i*dcc；

將和通過(guò)dq/abc坐標(biāo)變化得到和相應(yīng)加上mmc環(huán)流的參考值，得到mmc上、下橋臂的指令值：

參考圖5為mmc橋臂電流統(tǒng)一控制結(jié)構(gòu)框圖，使mmc-statcom的輸出電流跟蹤mmc橋臂電流的指令值，從而實(shí)現(xiàn)單位因數(shù)的電能傳輸和解決電網(wǎng)電壓不平衡現(xiàn)象，并能保證mmc穩(wěn)定運(yùn)行。由圖1可知，通過(guò)調(diào)節(jié)mmc的輸出電壓uck，實(shí)現(xiàn)對(duì)mmc輸出電流的控制。而mmc的輸出電壓uck為mmc上、下橋臂電壓之差的一半，即調(diào)節(jié)mmc上、下橋臂電壓epk、enk便可控制mmc的輸出電流。

綜合式(1)～(7)，可得mmc上、下橋臂電壓的參考值分別為：

將mmc三相上、下橋臂電壓參考值進(jìn)行歸一化，然后采用移相載波脈寬調(diào)制(cps-pwm)，得到mmc三相上、下橋臂子模塊的開(kāi)關(guān)信號(hào)sapk、sbpk、scpk和sank、sbnk、scnk，驅(qū)動(dòng)mmc子模塊上、下開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷獲得期望的電壓的輸出，從而在保證mmc穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)mmc-statcom對(duì)不平衡負(fù)載的綜合補(bǔ)償。

圖6為負(fù)載三相電流與電網(wǎng)電流對(duì)比圖，圖6為三相負(fù)載電流ila、ilb、ilc，圖7為三相電網(wǎng)電流isa、isb、isc。從中看出未進(jìn)行綜合補(bǔ)償，電網(wǎng)中三相電流不對(duì)稱，不平衡程度較高，加入補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流只含有基波且三相保持平衡。且基于mmc橋臂電流的控制策略，其mmc內(nèi)部不平衡電流也得到很好的控制，驗(yàn)證了本發(fā)明統(tǒng)一電流控制器的有效性。

本發(fā)明提供的一種基于橋臂電流的mmc-statcom不平衡負(fù)載補(bǔ)償控制方法，對(duì)不平衡電流實(shí)時(shí)跟蹤，快速響應(yīng)，既可以對(duì)電網(wǎng)電流中無(wú)功和負(fù)序分量進(jìn)行補(bǔ)償，又能抑制mmc內(nèi)部不平衡電流維持子模塊電容電壓的平衡，在保證mmc穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)提高了換流器運(yùn)行的效率，適合任意相mmc，且魯棒性強(qiáng)。