文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)03-0062-03
近年來，隨著電力系統的快速發展，各種新型FACTS裝置不斷出現，STATCOM也不斷向著高壓大功率方向發展。傳統的采用低電平數目的電壓源變流器，由于控制簡單、成本較低得到了大量應用，但是其電平數低，輸出電壓電流諧波大，增加了濾波器的的設計難度和成本[1-2]。多電平變流器的提出很好地解決了上述問題，通過子模塊的級聯，使輸出電壓逼近正弦波，大大降低了諧波；模塊化的設計便于擴展和實現冗余控制，可以更靈活地適應不同的電壓等級；靈活的控制策略省去了笨重的耦合變壓器，降低了系統成本[3]。2002年，MARQUARDT R首次提出模塊化多電平變流器(MMC)的概念[4]，因其具有諸多優點成為學者們研究的熱點，被視為下一代高壓大功率變流器發展的方向。參考文獻[5]提出了MMC的基本結構和工作原理，參考文獻[6]闡述了MMC在高壓直流輸電領域中的應用。
本文首先分析了M-STATCOM的結構和工作原理，然后根據無功補償的要求建立了M-STATCOM的動態數學模型，提出了直接電流控制技術和電容均壓策略。在Matlab/Simulink中建了10 kV M-STATCOM仿真模型，仿真結果表明本文所提出的控制策略具有良好的穩態和動態控制效果，達到了預期效果。
1 基于MMC的STATCOM
1.1 M-STATCOM的拓撲結構
M-STATCOM的拓撲結構如圖1所示。Ls是耦合電感，Rs是電抗的等效電阻。MMC每相由上下2個橋臂組成，每個橋臂由n個子模塊和1個電感構成。子模塊是MMC的基本組成單元，由1個電容和2個帶有反并聯二極管的IGBT組成。
其中Id、Iq分別是M-STATCOM的有功電流和無功電流。
所以通過控制Id、Iq就可以分別控制M-STATCOM與電源交換的有功和無功，即實現了有功和無功的解耦控制。當Id為正時，系統向M-STATCOM輸送有功；當Id為負時，M-STATCOM向系統反饋有功。當Iq為正時，M-STATCOM發出超前的無功；當Iq為負時，M-STATCOM發出滯后的無功。
2.2 M-STATCOM均壓策略
M-STATCOM與普通STATCOM相比，省去了直流側的大電容，取而代之的是各個模塊都有一個懸浮電容，由于各個模塊的開關損耗差異、電容損耗差異以及驅動脈沖微小的差異等原因，會造成各個電容電壓之間存在差異，因此，保證各個電容電壓都在一定范圍內是MMC正常工作的關鍵。
本文采用基于排序的電容均壓算法。在每一個PWM周期內，測量所有的模塊電容電壓并按照從大到小的順序進行排列，然后根據橋臂電流方向和應該導通的模塊數，決定要投入的模塊。具體方法是：如果橋臂電流為正，則觸發導通電容電壓最低的k個模塊，其余的模塊關閉；如果橋臂電流為負，則導通電容電壓最高的s個模塊，其余的模塊關閉。如圖2所示，假設上橋臂導通的模塊數等于2，下橋臂導通的模塊數等于3，此時上下橋臂的電流方向分別為iz1（t）>0， iz1（t）<0。根據排序算法的原理可知，此時上橋臂的模塊SM=3和SM=5應該投入，下橋臂的模塊SM=7、SM=8和SM=9應該投入。通過均壓算法，達到了電容均壓的目的。
圖6為M-STATCOM一個橋臂電容電壓波形，由圖可見，各個電容電壓基本在一條軌跡上，說明本文的均壓策略是有效的。
本文首先分析了M-STATCOM的拓撲結構和工作原理，然后建立了M-STATCOM的動態模型，提出了一種電容均壓策略，設計了基于直接電流控制策略的M-STATCOM控制系統。數值仿真結果表明，本文提出的控制策略正確且有效。
參考文獻
[1] 劉文華，宋強，滕樂天，等.基于集成門極換向晶閘管與鏈式逆變器的±50Mvar靜止同步補償器[J].中國電機工程學報，2008，28（15）：55-60.
[2] MARQUARDT R，LESNICAR A，HILDINGER J.Modulares strom-richterkonzept fur netzkupplungsanwendung bei hohen spannungen[C].ETG-Fachtagung, Bad Nauheim，Germany，2002.
[3] PIROUZ H M，BINA M T.A new transformerless medium voltage STATCOM based on half-brideg cascaded converters[C].1st Power Electronic & Driver Systerms & Technologies Conference，2010.
[4] LESNICAR A，MARQUARDT R.An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[C].IEEE 2003 PowerTech Conference，Bologna，2003.
[5] ROHNER S，BERNET S，HILLER M，et al.Modulation，losses，and semiconductor requirements of modular multilevel converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(8)：2633-2642.
[6] HIROFUMI A，HIROKAZU W E，MAURICIO A.Instantaneous power theory and applicationsto power conditioning[M]. Hoboken：JohnWiley& Sons，Inc.，2007.
[7] 楊曉峰，孫浩，支剛，等.雙星型模塊組合型多電平變換器的PWM控制策略[J].電力電子，2010(2)：14-19.
[8] 章勇高，康勇，劉黎明，等.靜止同步補償器的雙環控制系統設計[J].電力自動化設備，2006，26(10)：62-66.
[9] SUMI Y，HARUMOTO Y，HASEGAWA T.New static var controlusing force-commutated inverters[C].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1981.
[10] CARRARA G，GARDELLA S，MARCHESONI M.A new multilevel PWM method：a theoretical analysis[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1992，7(3)：497-505.