基于模块化多电平换流器的静止无功补偿装置的研究

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1、第36卷第4期华电技术Vol_36No．42014年4月HuadianTechnologyApr．2014基于模块化多电平换流器的静止无功补偿装置的研究郑滨豪(杭州华电半山发电有限公司，杭州310008)摘要：介绍了模块化多电平换流器的基本原理，并推导了其数学模型。针对其应用于中高电压等级的静止无功补偿装置场合，提出了一种最近电平逼近调制的算法和基于桥臂电流方向的子模块均压策略。针对静止无功补偿装置强耦合、非线性的特点，采用由前馈解耦的方法实现无功功率和直流电压的解耦控制。在PSCAD／EMTDC软件平台搭建了71

2、电平的详细仿真模型，仿真结果验证了调制、控制策略的有效性。关键词：模块组合多电平换流器；静止无功补偿器；eq解耦控制；均压控制中图分类号：TM743文献标志码：A文章编号：1674—1951(2014)04—0027—030引言1MMC的工作原理在电力系统中，各种无功负荷不仅增加了线路三相MMC的拓扑结构如图1所示，MMC中每相的损耗，还降低了电能质量。实时动态快速地补偿包含2个桥臂，3相共6个桥臂，每个桥臂由级联个无功功率，对于提高电网稳定性、保证电压水平具有子模块(SM)和桥臂电抗器()组成，风是桥臂等效重要意

3、义。阻抗。如图1所示，每个SM由2个带反并联二极管传统的无功补偿装置(动态无功补偿装置TSC，的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、1个直流电容器和1静止式无功补偿装置SVC等)动态响应速度慢、调个机械旁路开关组成。设子模块的参考电压为，则通过控制2个IGBT的不同组合，可以实现每个子模节特性差、补偿电流谐波含量高。随着电力电子技块对外的输出控制，具体开关状态见表1。术的发展，基于电力电子变换技术的换流器不断更新。电力电子变换器按照换流方式的不同可以分为电压源型换流器(VSC)和电流源型换流器(CSC)。CSC的换流方

4、式必须有源，并且只能在过零点换相，相比之下VSC就能弥补这些不足。近年来由德国学者提出的新拓扑——模块组合多电平变流器(MMC)更是基于基本的VSC单元设计出的级联型多电平换流器J。MMC通过子模块的组合级联，叠加子模块的电压后能很好地逼近正弦波，降低谐波含量；模块组合的设计思路也能很好地实现冗余控制，扩展到不同的电压等级，同时可以省去体积庞大的变压器和滤波装置。鉴于MMC具有以上优点，采用MMC作为电力系统中高压等级的静止无功补偿装置，研究装置的甲t．甲甲!!i±：]厂基本原理和数学模型，设计了dg前馈解耦的控制

5、系图1MMC主电路拓扑统，采用最近电平逼近策略实现级联子模块的电容表1子模块的开关状态电压均衡，最后通过仿真验证了基于模块化组合多电平换流器的静止无功补偿装置的良好性能。收稿日期：2013—07—03；修回日期：2014—02—20·28·华电技术第36卷凡个SM级联起来，每个桥臂能产生0～n的电压，可简化为输出幅值为0一n的理想电压源。NpjNNT()=N-NT【挚】，c9设换流器出口侧交流电压、电流波形为纯正弦波，则：Usintot，(1)=ⅣNNT()=NNT【挚】，。，／sin(tot+)，(2)式中：=±

6、90。。式中：Nf和Ⅳf分别为上下桥臂需要投入的子模块MMC交流侧电压、直流电压与桥臂电压间关的个数；函数NINT()是对进行取整的函数。系为通过式(9)、式(10)得到上下桥臂需要投入的=÷uac一，(3)子模块数，为了确保各个SM中电容电压都维持平衡状态，采用如下均压策略选择具体投入哪些子模=÷a+。(4)块：按照子模块的电容电压值从小到大排序，然后采样桥臂电流值，当桥臂电流为正时(充电)，先触发由式(3)、式(4)可得电压最低的Ⅳp，和Ⅳ，个子模块；当桥臂电流为负时：，，(5)(放电)，先触发电压最高的Ⅳ和Ⅳ

7、f个子模块。最近电平逼近法流程如图2所示。Ud。=+，(6)SM电容式中：=a，b，c，下同。由于3个相单元的对称性，直流电流，d在3个触发相单元之间均分，即流过每个相单元的直流电流为脉冲，／3，又由于上下桥臂的对称性(上下桥臂的换流电抗相等)，交流相电流在上、下桥臂间均分，即流过每个桥臂的交流电流为相电流的一半。计人换流器运行时相单元中的交流环流i出i(2倍工频)，则每一相上下桥臂的电流分别为一，(7)eos(wt2wcos(tot=++。(8)⋯痂2MMC的调制与均压策略目前，MMC的调制方法主要有脉冲宽度(P

8、WM)调制法和阶梯波调制法2种，应用在中高压的无功补偿领域，MMC级联的子模块数很多，采用{【aT，(12)PWM调制需要给每个子模块加载1个载波和调制Ldt=L一璺L。g～。波，控制系统非常复杂，甚至难以实现，通时PWM的开关频率会很高，损耗很大，装置的效率很低。因此，阶梯波调制法是比较合适的选择。在电平数足够多的情况下，阶梯波调制产生的波形谐波含量也很小