一种串联侧三相解耦型统一电能质量控制器

王 浩刘进军梅桂华

（1.广东电网公司电力科学研究院 广州 510080 2.西安交通大学电气工程学院 西安 710049）



一种串联侧三相解耦型统一电能质量控制器

王 浩1,2刘进军2梅桂华1

（1.广东电网公司电力科学研究院 广州 510080 2.西安交通大学电气工程学院 西安 710049）

摘要传统模块化多电平变换器统一电能质量控制器（MMC-UPQC）的串联部分采用单变换器和三个单相耦合变压器，三个单相耦合变压器在变换器侧成星形联结。该结构使UPQC装置的无法补偿包含有零序分量的电压暂升/暂降。为此提出了拓扑结构改良的MMC-UPQC以改善UPQC的电压暂升/暂降能力。新拓扑MMC-UPQC串联部分采用等效串联的双变换器和三个单相耦合变压器，三个变压器在变换器侧无直接联结，串联部分实现了串联侧的三相解耦。文中分析了新拓扑MMC-UPQC改善电压暂升/暂降补偿能力和提高系统安全性、可靠性的原理。通过仿真研究，验证了新拓扑结构MMC-UPQC的正确性。与传统MMC-UPQC相比，新拓扑结构MMC-UPQC可补偿同时包含正序、负序和零序分量的电压暂升/暂降，并从减小串联变换器交流电流、降低公共直流侧电压和变换器级的冗余运行三方面可提高系统的安全性和可靠性。所提出的新拓扑结构MMC-UPQC适用于大功率应用场合。

关键词：统一电能质量控制器 电压暂降 串联侧 模块化多电平变换器 三相解耦

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2009CB219705）项目资助。

0 引言

现代工业、商业和居民用电设备对电源特性变化的敏感性呈逐年上升趋势，所面临的电能质量问题越发复杂，由电能质量问题引起的损失也日趋增加[1,2]。为了提高供电质量、降低因电能质量问题造成的损失，采用各种先进的电能质量调控装置成为未来电力供应的发展趋势。

统一电能质量控制器[3]（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）是一种先进的电能质量调控装置，能综合解决电压型和电流型电能质量问题。UPQC包括并联部分和串联部分，其中串联部分用于解决电压问题，具备DVR、DUPS功能；并联部分用于解决电流问题，具备D-STATCOM、APF功能。在UPQC的概念提出后，国内外学者对UPQC的控制方法、拓扑结构等方面进行了研究[4-6]，并有研制小容量UPQC实验样机的报道[7]。传统的两电平变换器拓扑的UPQC装置对开关器件的高要求导致了UPQC装置在实际工程应用，特别是在中高压、大容量供电领域的应用存在困难。模块化多电平变换器[8]（Modular Multilevel Converter，MMC）技术的出现和发展为基于IGBT等全控开关器件的电力电子装置在中高压、大功率场合的应用提供了基础。该技术在柔性直流输电领域[9-11]、中高压STATCOM[12,13]的应用展现了优势。随着MMC技术的拓扑结构、控制策略等方面研究的发展[14,15]，基于MMC技术的UPQC拓扑应用在中压配电场合已成为可能。

模块化多电平变换器统一电能质量控制器[16]（MMC-UPQC）可应用在中压场合，综合地解决配网中压馈线的电能质量问题。MMC-UPQC的串联侧的最重要功能是解决馈线的电压暂升/暂降问题，其中三相不平衡电压暂降是难点。由于传统MMC-UPQC受限于其拓扑结构，只能补偿包含正、负序电压的三相不平衡，无法补偿包含零序电压的三相不平衡。如何改善MMC-UPQC的拓扑结构，提高MMC-UPQC的三相不平衡补偿能力具有重要研究意义。

基于此，本文提出了一种新拓扑结构的MMC-UPQC，该MMC-UPQC串联侧可补偿包含负序和零序分量的不平衡电压暂升/暂降，并可降低流经串联侧变换器的交流电流，从而提高系统的安全性和可靠性。文中给出了新拓扑结构MMC-UPQC的性能分析，并在PSCAD仿真平台上通过仿真研究验证了该拓扑结构MMC-UPQC的正确性。

1 传统MMC-UPQC

如图1所示，传统MMC-UPQC串联部分包括一个串联变换器和三个单相隔离变压器，并联部分包括一个并联变换器。串、并联变换器均采用结构如图2所示的MMC变换器，且两变换器在公共直流侧相连。

图1　传统MMC-UPQC结构Fig.1 The structure diagram of MMC-UPQC

图2　MMC变换器结构Fig.2 The structure diagram of MMC converter

基于图2拓扑结构的MMC-UPQC，其串联部分三个单相变压器在变换器侧成星形联结，在馈线侧分别串联在三相馈线上。在该联结方式下，串联变换器输出可耦合到变压器馈线侧，用于补偿馈线电压出现的暂升/暂降。但是在该联结方式下串联变换器输出的零序电压会出现在这三个单相变压器的星形中性点处，无法耦合到变压器馈线侧。即传统拓扑结构的MMC-UPQC只能补偿含正序、负序分量的电压暂升/暂降，无法补偿含零序分量的电压暂升/暂降。

2 新拓扑MMC-UPQC

2.1 拓扑结构

提出新拓扑MMC-UPQC以改善传统MMCUPQC的电压暂升/暂降补偿能力，结构如图3所示。新拓扑MMC-UPQC由串联部分和并联部分组成，串联部分包括两个串联变换器和三个单相隔离变压器，并联部分包括一个并联变换器。串、并联变换器均采用MMC变换器，其结构如图2所示。

图3　新拓扑MMC-UPQC结构Fig.3 The structure diagram of new topology MMC

2.2 改善电压暂升/暂降补偿能力

在所提新拓扑MMC-UPQC中，它们同一相的交流输出端分别连接到同一单相隔离变压器，单相耦合变压器的另一侧串联接入馈线。在该连接方式下，串联部分的三个单相变压器在物理连接上不存在直接的连接关系，可同时耦合正序、负序和零序的串联变换器输出电压到馈线侧。故串联侧的三相输出是三相解耦的，基于该拓扑结构的MMC-UPQC可同时补偿含正序、负序和零序电压暂升/暂降，可改善传统MMC-UPQC的电压暂升/暂降补偿能力。

2.3 提高可靠性/安全性

传统MMC-UPQC的串联变换器交流输出线电压Usvsc的最大有效值由公共直流侧电压Udc、桥臂电抗和所采用调制方式来决定。当桥臂电抗取20%（系统标幺值）、变换器调制比为0.816（载波移相SPWM调制）时，串联变换器交流输出线电压Usvsc需满足

新拓扑MMC-UPQC的串联部分同时采用两个串联变换器，在连接上两变换器的直流侧并联连接、交流输出端等效串联连接，在控制上两变换器被控制为瞬时值即为相反数值（等幅反相）的电压源。故两个串联变换器等效串联的交流输出线电压Usvscn需满足

由式（1）和式（2）可见，在选择相同大小的公共直流侧电压时新拓扑MMC-UPQC的交流输出电压可达传统MMC-UPQC的2倍。因此串联变压器的一次、二次侧比例能够设置的更低，从而使得流经串联变换器的交流电流更低，提高了系统工作的安全性和稳定性。而在选择相同大小的交流侧输出电压时新拓扑MMC-UPQC的公共直流侧电压可降低到传统MMC-UPQC的一半。因此可降低系统的绝缘水平，从而提高系统工作的安全性和稳定性。

由于新拓扑结构MMC-UPQC采用了两个串联变换器，且两个串联变换器交流端等效串联，故串联部分可引入变换器级的冗余运行机制：

（1）在串联部分的两个串联变换器的交流侧均并联双向晶闸管。

（2）两个串联变换器无故障时，并联晶闸管处于开通状态，两个串联变换器同时工作。

（3）当其中一个串联变换器出现故障，其并联的双向晶闸管闭合旁路该故障变换器，另一串联变换器继续工作。

新拓扑结构MMC-UPQC在一个串联变换器故障时另一串联变换器可持续运行，但此时UPQC等效于传统MMC-UPQC，电压暂升/暂降补偿能力下降。新拓扑结构MMC-UPQC可实现单个串联变换器故障的冗余运行，从而提高系统工作的安全性和稳定性。

3 仿真实验

3.1 仿真参数

采用本文的新拓扑MMC-UPQC，基于PSCAD进行仿真研究。仿真电路主要参数见表1。

表1　仿真电路主要参数表Tab.1 Main parameters of simulation circuit

3.2 不平衡电压暂降补偿

10kV馈线电压在0.25～0.45s发生60%的单相暂降负荷侧电压如图4所示，可见该新拓扑结构MMC-UPQC在电源侧发生严重单相电压暂降时很好地补偿了该电压暂降。MMC-UPQC的公共直流侧电压如图5所示，A相8个子模块电容电压波形如图6所示，MMC的环流如图7所示。由图4～图7的仿真结果可见，新拓扑MMC-UPQC能很好地补偿同时包含正序、负序和零序分量的不平衡电压暂降，并且在补偿前后各项关键性能均良好。

图4　单相电压暂降下的负荷电压Fig.4 Load voltage during single phase voltage sag

图5　公共直流侧电压Fig.5 Common DC side voltage

图6　A相子模块电容电压Fig.6 Sub-module capacitor voltage in phase A

图7　MMC环流Fig.7 Circulating current in MMC

3.3 单串联变换器故障

10kV馈线三相电压均在0.4～0.6s发生60%的暂降，负荷侧电压如图8所示（只显示A相，其余两相电压均类同）。可见该新拓扑结构MMC-UPQC在电源侧发生严重三相电压暂降时很好地补偿了该电压暂降。

图8　三相电压暂降下的负荷电压Fig.8 Load voltage during three-phase voltage sag

图9　三相电压暂降下的负荷电压（单个串联变换器故障）Fig.9 Load voltage during three-phase voltage sag（One series converter is in fault）

引入变换器级冗余运行机制，10kV馈线电压在0.4～0.6s发生60%的三相暂降，一串联变换器在0.5s发生故障，负荷侧电压如图9所示（只显示A相，其余两相电压均类同）。可见该新拓扑结构MMC-UPQC在电源侧发生严重三相电压暂降，即使其中一个串联变换器故障，UPQC装置也在继续运行。另一无故障的串联变换器继续补偿了该电压暂降，负荷侧电压达到馈线电压额定值的70%。

4 结论

通过本文的研究可得到以下结论：

1）新拓扑MMC-UPQC通过拓扑结构的改良实现了串联部分的三相解耦，可补偿同时包含正序、负序和零序的电压暂升/暂降。

2）在相同公共直流侧电压新拓扑MMC-UPQC可降低串联变换器的交流电流；在相同的串联变换器交流输出时新拓扑MMC-UPQC可降低公共直流侧电压，从而降低装置的绝缘要求；在引入变换器级的冗余运行机制的新拓扑MMC-UPQC可实现一个串联变换器故障时降低电压暂降能力的持续运行。即新拓扑MMC-UPQC可采用三个方面来提高系统工作的安全性和稳定性。

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王 浩 男，1976年生，博士，博士后，研究方向为电力电子技术在电能质量控制及输配电系统中的应用。

E-mail:whhao1@163.com（通信作者）

刘进军 男，1970年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术在电能质量控制及输配电系统中的应用，可持续能源及分布式发电中的电力电子技术等。

E-mail:jjliu@mail.xjtu.edu.cn

A Unified Power Quality Conditioner with Three-Phase Decoupling in Series Section

Wang Hao1,2Liu Jinjun2Mei Guihua1
（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation Guangzhou 510080 China 2.School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

AbstractIn traditional modular multilevel converter-unified power quality conditioner（MMCUPQC）,series section adopts single converter and three single phase transformers.These three single phase transformers are connected in star at converter side.With this structure,UPQC fails to compensate the voltage swell/sag with zero sequence.A novel topology MMC-UPQC is proposed to improve the voltage swell/sag compensation capability.In the novel topology MMC-UPQC,series section adopts equivalent dual converters in series and three single phase transformers that have no direct connection,which can realize three-phase decoupling.In this paper,principle of the novel topology MMC-UPQC to improve the voltage swell/sag compensation capability and to increase the system safety and reliability is analyzed.The simulation results verify the effectiveness of the novel MMC-UPQC.Compared with the traditional MMC-UPQC,the novel MMC- UPQC can compensate the voltage swell/sag with positive,negative and zero sequence.The novel MMC-UPQC can increase the system safety and reliability by decreasing the current of series converter,decreasing the voltage at common dc side or adopting redundant operating mode at converter level.

Keywords：Unified power quality conditioner,voltage sag,series section,modular multilevel converter,three-phase decoupling

作者简介

收稿日期2013-12-17 改稿日期 2014-02-22

中图分类号：TM71