李又豐，馬志鵬

(黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 ，黑龍江哈爾濱，150022)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求逐漸增加。為了提高其性能，柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）裝置在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為FACTS器件， UPFC可以調(diào)整并聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)補(bǔ)償、相移和電壓調(diào)節(jié)等，提高電網(wǎng)的功率傳輸能力和穩(wěn)定性[1]。

UPFC由并和串聯(lián)電壓源變換器組成。并聯(lián)側(cè)可與交流系統(tǒng)交換無功功率，實(shí)現(xiàn)交流電壓調(diào)節(jié)。同時(shí)，與電網(wǎng)交換有功，以保持直流電壓恒定。串聯(lián)變換器通過調(diào)整注入電壓和相位來調(diào)節(jié)。MMC作為一種多電平結(jié)構(gòu)，為高壓大容量提供了新的機(jī)遇。其模塊化結(jié)構(gòu)，是大容量UPFC的理想拓?fù)?。因此，本文對MMC-UPFC進(jìn)行了研究。

1 MMC-UPFC的拓?fù)渑c工作原理

MMC-UPFC的基本結(jié)構(gòu)如圖1[2]。由兩個(gè)背靠背的MMC組成，分別通過并聯(lián)和串聯(lián)變壓器與交流系統(tǒng)相連。MMC的拓?fù)淙鐖D2所示。在緊急情況下，采用可控硅旁路開關(guān)(TBS)快速切斷，對整個(gè)裝置起到保護(hù)。這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)理想的交-交功率變換器，使兩個(gè)變換器間的有功雙向流動(dòng)，每個(gè)變換器都獨(dú)立地產(chǎn)生或吸收無功。并聯(lián)側(cè)的功能：一是有功調(diào)節(jié)。提供串聯(lián)側(cè)所需的有功，使直流母線電壓穩(wěn)定。二是提供獨(dú)立的無功補(bǔ)償。串聯(lián)側(cè)的功能是控制注入系統(tǒng)的電壓的幅值和相位來控制傳輸線的功率流。

圖1 MMC-UPFC系統(tǒng)拓?fù)?/p>

MMC-UPFC可根據(jù)設(shè)備的電壓和容量，靈活配置。通過相應(yīng)的調(diào)制，可以在開關(guān)頻率不高時(shí)，有效地降低輸出的諧波。

圖2 MMC電路拓?fù)鋱D

2 MMC-UPFC的數(shù)學(xué)模型

2.1 MMC數(shù)學(xué)模型

根據(jù)圖2，本研究采用MMC平均模型。橋臂電流和閥側(cè)交流電之間的關(guān)系為

式中ipj,inj為上下橋臂電流，isj為閥側(cè)電流，izj為j相循環(huán)電流。

根據(jù)KVL可知j相上下橋臂與直流側(cè)形成兩個(gè)回路，，這兩個(gè)電路滿足以下等式：

式中Udc為直流母線電壓，upj,unj為表示上下橋臂輸出電壓，usj為閥側(cè)交流電壓。

將上式中兩式相加，可以得出（3）式

（2）式相減得到MMC交流電壓如（4）式

式（1）～式（4）構(gòu)成了MMC數(shù)學(xué)模型。

2.2 串、并聯(lián)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)KVL，并聯(lián)側(cè)變換器在三相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型如式（5）所示。

式中Vlj為公共點(diǎn)三相交流電壓，Vshj,ila為交流電壓，電流。Rsh為等效電阻。Lsh為等效電感。

將（5）式進(jìn)行Park變換后得到同步旋轉(zhuǎn) dq 軸下的并聯(lián)側(cè)換流器數(shù)學(xué)模型為

同理，串聯(lián)側(cè)在d-q軸下的數(shù)學(xué)模型為

3 MMC-UPFC的控制策略

采用內(nèi)環(huán)電流、外環(huán)電壓雙環(huán)解耦控制策略，效果較為理想。并聯(lián)側(cè)定交流電壓、電流控制，在各模式下，可以采取定無功替換定電壓控制；串聯(lián)側(cè)定有功、無功控制。

3.1 并聯(lián)側(cè)控制策略

并聯(lián)側(cè)其控制在并網(wǎng)模式下其采取的控制方式是定無功和有功功率控制。主要是通過有功電流分量來維持直流電容的穩(wěn)定，并給串聯(lián)側(cè)換流器輸送相應(yīng)的有功功率；另用來提供無功補(bǔ)償?shù)碾娏鞣至?，使接入點(diǎn)母線電壓穩(wěn)定。并聯(lián)側(cè)控制策略如圖3所示。

圖3 換流器并聯(lián)側(cè)控制框圖

3.2 串聯(lián)側(cè)控制策略

串聯(lián)側(cè)是維持直流電壓和調(diào)節(jié)無功。通過控制串入電網(wǎng)電壓的相位及幅值，改變線路潮流。其控制主要由給定的線路傳輸功率指令利用瞬時(shí)功率理論算得到線路電流的給定指令，根據(jù)線路和換流器電流間先存在變壓器的變比關(guān)系，可算得輸出電流的參考值，串聯(lián)側(cè)的控制策略如圖4所示。

圖4 換流器串聯(lián)側(cè)控制框圖

4 MMC-UPFC的仿真

利用Matlab/ Simulink對MMC-UPFC建模。仿真輸出結(jié)果，如圖5所示?？梢钥闯鲚敵鰝?cè)電流和電壓同相位，且幅值一樣。

5 結(jié)束語

本文通過基本控制策略對MMC-UPFC進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。其基本控制策略是雙環(huán)解耦控制策略，內(nèi)環(huán)電流控制、外環(huán)電壓控制，由并聯(lián)側(cè)維持電壓穩(wěn)定，串聯(lián)側(cè)抑制潮流的雙頻波動(dòng)。通過仿真驗(yàn)證了MMC-UPFC的有效性。

圖5 仿真模型