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        基于模塊化多電平逆變器的STATCOM環(huán)流抑制策略研究

        2018-06-28 02:23:14馮飛勇鄒海榮
        機(jī)電信息 2018年18期
        關(guān)鍵詞:抑制器橋臂倍頻

        馮飛勇 鄒海榮

        (上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海201306)

        0 引言

        MMC以其具有模塊化結(jié)構(gòu),易于規(guī)?;a(chǎn),易于實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制,采用低壓功率器件即可實(shí)現(xiàn)高壓大功率的輸出等優(yōu)點(diǎn)日益成為中高壓領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。MMC-STATCOM作為新型的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置便是其中重點(diǎn)的研究方向之一。

        與傳統(tǒng)的STATCOM不同,由于級(jí)聯(lián)眾多的子模塊,而且儲(chǔ)能電容分布在不同的子模塊中,電壓波動(dòng)比較大,MMCSTATCOM在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各相橋臂間的電壓不完全一致,進(jìn)而導(dǎo)致相間環(huán)流的產(chǎn)生。PI控制有簡(jiǎn)單易控的特點(diǎn),這使其被廣泛運(yùn)用于環(huán)流控制當(dāng)中。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于PI控制器的MMC環(huán)流抑制策略,但是PI控制難以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤。文獻(xiàn)[3]提出了一種將重復(fù)控制器加PI控制的嵌入式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于環(huán)流抑制的控制方法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波的有效抑制,但是該方法比較復(fù)雜,增加了設(shè)計(jì)難度。針對(duì)PI控制所存在的不足,本文提出基于準(zhǔn)比例諧振控制(準(zhǔn)PR)的環(huán)流抑制方法,結(jié)合載波移相調(diào)制策略,在MATLAB/Simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了這種方法的有效性。

        1 MMC-STATCOM的環(huán)流產(chǎn)生機(jī)理

        當(dāng)MMC-STATCOM正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí),電路中的各相環(huán)流會(huì)在橋臂的電感和等效電阻上產(chǎn)生電壓降,然而此電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橋臂中的電容電壓。所以可先假設(shè)相間環(huán)流ijcir為零,此時(shí)A相的上、下臂輸出的瞬時(shí)功率為:

        對(duì)相單元橋臂瞬時(shí)功率積分可得相單元橋臂中儲(chǔ)存的能量:

        式(2)中減去相單元在t0時(shí)刻的直流分量可求得相單元儲(chǔ)存能量的交流分量:

        假設(shè)換流器中產(chǎn)生損耗忽略不計(jì),則其輸入、輸出的有功功率必然平衡,有:

        將式(4)代入(3)可得:

        相單元的能量是直流分量和交流分量之和:

        由式(6)可知,相單元的瞬時(shí)能量包含了直流分量和二倍頻分量,因此可以推斷出相單元總電壓中含有二倍頻分量,該二倍頻電壓會(huì)導(dǎo)致橋臂產(chǎn)生二倍頻電流。文獻(xiàn)[3]指出,橋臂電流中的二倍頻分量會(huì)進(jìn)一步在橋臂電流中產(chǎn)生四次、六次等高次的偶數(shù)次諧波分量,其中,二次諧波分量為環(huán)流分量的主要部分,而且三相環(huán)流按照負(fù)序流動(dòng)。因此,實(shí)際上對(duì)環(huán)流的抑制主要是考慮對(duì)負(fù)序二倍頻分量的抑制。

        2 環(huán)流諧波抑制策略

        MMC-STATCOM三相結(jié)構(gòu)對(duì)稱,所以為了便于分析,下文將對(duì)單相電路進(jìn)行詳細(xì)分析。將每相上、下橋臂電壓等效為兩個(gè)受控電壓源upj和unj。根據(jù)基爾霍夫定律,求得橋臂電壓:

        根據(jù)式(7)可知:

        根據(jù)式(8)可知,直流側(cè)電壓和上、下橋臂電壓之和不相等時(shí)由于環(huán)流在橋臂電感上產(chǎn)生電壓降。定義環(huán)流產(chǎn)生的壓降為:

        對(duì)式(13)進(jìn)行S變換可得:

        izα和izβ是二倍頻分量,由于傳統(tǒng)的PI控制器只能對(duì)直流量進(jìn)行跟蹤,所以需要考慮用其他控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的跟蹤。首先可以考慮采用PR控制器,它由比例、諧振環(huán)節(jié)構(gòu)成。理想狀態(tài)下,PR控制器的傳遞函數(shù)為:

        式中,Kp、Kr為PR控制器的比例項(xiàng)和諧振項(xiàng)系數(shù);ω0為諧振頻率。

        當(dāng)PR控制器處于頻率諧振點(diǎn)時(shí),傳遞函數(shù)的幅值為無(wú)窮大,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸入信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤。然而,PR控制器只在諧振頻率點(diǎn)處增益很大,當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生擾動(dòng)時(shí),PR控制器的抗干擾能力不強(qiáng),使得控制效果不理想。因此,本文采用準(zhǔn)PR控制器,它不僅保留了PR控制器的優(yōu)點(diǎn),也提高了抗頻率擾動(dòng)的性能。其傳遞函數(shù)為:

        式中,ωc為截止頻率。

        將s=jω代入式(12)得:

        從式(13)可以看出,當(dāng)ω=ω0時(shí),準(zhǔn)PR控制器的幅值增益為Kp+Kr,相角的位移為零,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定頻率的無(wú)靜差跟蹤。文獻(xiàn)[4]對(duì)準(zhǔn)PR控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析,參數(shù)Kr與控制器的增益成正比,它的值越大,對(duì)二倍頻環(huán)流抑制的效果越好,然而系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度也會(huì)隨之變小,所以Kr的值不宜過(guò)大。參數(shù)Kp的值影響系統(tǒng)的相位角,通過(guò)選取合適的Kp值可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。參數(shù)ωc影響著系統(tǒng)的寬帶和開(kāi)環(huán)增益,其值可通過(guò)計(jì)算獲得。對(duì)于式(13),令Kp=0,G(jω)=1/,得到頻率之差即為寬帶。假設(shè)系統(tǒng)的頻率波動(dòng)為±0.8 Hz,則ωc=5 Hz。引入準(zhǔn)PR控制器的環(huán)流抑制原理如圖1所示。

        圖1 基于準(zhǔn)PR控制器的環(huán)流抑制原理圖

        3 仿真驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證文中提出的環(huán)流抑制方法的有效性,在MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建了MMC-STATCOM三相五電平仿真模型,其仿真參數(shù)及如表1所示。

        表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

        仿真結(jié)果如圖2~圖3所示。ipj、inj分別表示上、下橋臂的電流,圖2(a)表示未加環(huán)流抑制器的電流波形圖,由于環(huán)流中存在諧波導(dǎo)致了橋臂電流發(fā)生畸變。從圖2(b)中可以看出環(huán)流中存在各偶次諧波,二倍頻是主要成分。圖3(a)是采用文中所提環(huán)流抑制器后的橋臂電流波形圖,對(duì)比圖2(a)可見(jiàn),橋臂電流的畸變情況得到有效改善,如圖3(b)所示,環(huán)流各次諧波分量得到了很好的抑制。

        圖2 未加環(huán)流抑制的橋臂電流與頻譜分析圖

        圖3 加入環(huán)流抑制后的橋臂電流與頻譜分析圖

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文分析了MMC-STATCOM環(huán)流產(chǎn)生原理,針對(duì)環(huán)流中存在二倍頻諧波的問(wèn)題,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于準(zhǔn)比例諧振控制的相間環(huán)流抑制器。其相對(duì)于傳統(tǒng)基于PI控制的環(huán)流抑制器,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔,計(jì)算量較小,而且由于可以對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤,應(yīng)用范圍更加廣泛。最后仿真表明,該方法抑制二倍頻負(fù)序交流環(huán)流的效果良好,證明了該方法的有效性。

        [1]馮志國(guó),葛曼玲,陳玉民.模塊化多電平換流器的環(huán)流抑制方法研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2017,44(10):48-52.

        [2]張明,吳浩偉,蔡凱,等.模塊化多電平變換器的環(huán)流諧波抑制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(21):57-66.

        [3]陳耀軍,陳柏超,袁佳歆,等.模塊化多電平逆變器電容電壓及環(huán)流控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(10):166-174.

        [4]班明飛,申科,王建賾,等.基于準(zhǔn)比例諧振控制的MMC新型環(huán)流抑制器[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014,38(11):85-89.

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