基于MMC的三相四线制电能质量补偿装置

王　靓，任洪强，陈国宇，王宝安

（1.扬州供电公司，江苏扬州225009；2.东南大学电气工程学院，江苏南京210096）

基于MMC的三相四线制电能质量补偿装置

王靓1，任洪强2，陈国宇2，王宝安2

（1.扬州供电公司，江苏扬州225009；2.东南大学电气工程学院，江苏南京210096）

针对传统三相四线制三相半桥电压型脉冲宽度调制（PWM）整流器在补偿无功、谐波、基波负序和零序电流方面，其输出电压电平数受到限制，导致最终的补偿效果不够理想；星型链式级联H桥多电平虽然能够提高换流器的输出电压的电平数，但是该拓扑结构的换流器对基波负序电流的补偿能力有限；三角形链式级联H桥多电平虽然能够提高对基波负序的补偿能力，但是该拓扑结构的换流器不能应用于三相四线制系统。为此，提出了一种基于模块化多电平换流器（MMC）的三相四线制电能质量补偿方案。MMC以其模块化的特点，理论上其输出电压电平数可以扩展到任意值，达到优化补偿效果的目的，并且其可用于三相四线制系统的电能质量补偿。通过PSCAD/EMTDC平台搭建仿真模型，仿真结果表明：利用MMC可以对三相四线制系统中的无功、谐波、基波负序和零序电流分量进行补偿，且补偿效果良好。

模块化多电平换流器；电能质量补偿；三相四线制系统；直流侧电容稳压与均压

随着现代工业技术的不断发展，电力系统中大量非线性负载和电力电子装置的普遍使用，使得大量的谐波电流和无功电流注入电网，可能引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使得谐波含量放大，造成电容器等设备毁坏［1，2］。目前我国的供电系统绝大部分都采用三相四线制系统即存在中线，因而三相电流之和不为零，各种单相负载的接入势必会导致三相四线制系统的不对称运行［3］。

针对三相四线制系统存在无功、谐波、基波负序和零序电流分量的情况，大量文献对其进行分析并提出了相应的解决方案。文献［4］介绍了一种基于级联H桥换流器的谐波抑制和无功补偿一体化装置的控制与调制，其将有源滤波器（APF）和静止同步补偿器（STATCOM）功能结合起来，同时实现无功补偿和谐波抑制，但是该拓扑结构并不能应用于三相四线制系统，且其对补偿负载的不平衡电流能力有限。文献［5］针对不对称三相四线制系统中零序电流的补偿，提出采用三相四线制并联有源电力滤波器来滤除其中的零序电流，提出了一种不经过坐标变换的滞环控制法，但是该文献所述换流器的输出电压的电平数受到限制，导致其最终的补偿效果并不理想。文献［6］对应用于三相三线制系统的模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构及数学模型进行了详细分析，并给出了MMC应用于三相三线制系统综合补偿时的指令电流的提取方法，但该控制方法局限于三相三线制系统。所以研究基于MMC的三相四线制电能质量补偿对三相四线制系统中存在的无功、谐波、基波负序、和零序电流进行补偿有着重要意义［7］。文中将MMC应用于三相四线制系统的电能质量补偿中，对其电路结构进行分析，仿真验证得到了较好的补偿效果，证明了MMC用于三相四线制系统补偿的有效性及优越性。

1　主电路拓扑与工作原理

1.1主电路拓扑

基于MMC的三相四线制电能质量补偿装置的拓扑结构如图1所示。MMC换流器共有6个桥臂，每个桥臂由N个子模块（SM）和一个桥臂电抗器Larm串联组成，三相四线制系统的中性线连接到MMC换流器直流侧电容C1和C2的中点，ZA，ZB，ZC分别表示A、B、C相的系统阻抗。

图1基于MMC的三相四线制电能质量补偿装置的拓扑结构

MMC换流器子模块的结构如图2所示，子模块由1个电容和2个带有反并联二极管的绝缘栅双极晶体管（IGBT）组成。设子模块的电容电压为Vc，输出电压为Vx。无论桥臂电流的方向如何，子模块输出电压Vx都在Vc和0之间切换。当T2导通，T1关断时，Vx= 0；当T1导通，T2关断时，Vx=Vc。每相都有N个模块被旁路，通过改变上下桥臂子模块的工作状态，就可以使MMC换流器交流侧输出预期的交流电压。

图2 MMC换流器子模块拓扑结构

1.2工作原理

基于MMC换流器的三相四线制电能质量补偿工作原理是首先检测补偿对象的电流，分离出其中的无功、谐波、基波负序和零序电流，控制MMC换流器产生与上述参考电流大小相等、极性相反的补偿电流，于是达到消除电网中的无功、谐波、基波负序和零序电流的目的。若参考电流irefz（z=a，b，c）中含有零序电流，则基于MMC换流器的三相四线制系统的输出电流icomz（z=a，b，c）将流过中性线，因而MMC换流器每相输出电流都会流过电容C1或C2，然后再返回中性线，且该电流的流向是双向的。

2　基于MMC的三相四线制电能质量补偿装置的控制策略

基于MMC的三相四线制电能质量补偿装置的控制策略主要包括指令电流计算、电流跟踪控制、直流电压控制和调制策略，整体控制如图3所示。首先根据负载电流、直流侧电容电压和直流侧参考电压计算出三相指令电流；然后将三相指令电流与三相逆变器出口电流经过比例积分（PI）控制器，得到指令电压，最后将得到的指令电压再加上子模块稳压及均压指令送给脉宽调制（PWM）产生电路产生IGBT驱动信号。

图3基于MMC的三相四线制电能质量补偿装置的整体控制

2.1指令电流计算

MMC指令电流检测内容主要包括无功、谐波、基波负序和零序电流。文中设计的三相四线制MMC换流器的检测系统原理如图4所示。检测系统以id-iq检测方法为基础，取三相负载电流信号为iLA，iLB，iLC，由于零序电流分量i0=iLA+iLB+iLC，因此该三相负载电流分别减去1/3i0即得不含零序的电流值，再经过dq变换，转换为瞬时有功电流和无功电流：

图4 MMC换流器指令电流检测原理

将得到的有功电流分量经过低通滤波器得到有功直流分量，最后将其进行反变换得出基波正序分量，再与负载电流相减得出除基波正序分量以外的无功、谐波、基波负序和零序电流的总和。

基于MMC换流器的三相四线制系统的综合补偿相比于目前应用在三相三线制的系统来说，必须考虑MMC直流侧上下电容总的稳压和均压，而MMC换流器直流侧总电压的稳压控制策略采用有功分量注入的方法实现稳压，其控制如图5所示。

图5 MMC换流器直流侧总电压稳压的控制

另外，考虑到实际电容的容值和功率损耗的不同，需采取均压策略对该MMC换流器的直流侧2个电容的电压进行调节，保证两者的电压相同。文中采取的策略是取2个电容电压之和的瞬时值Udcsum的一半与其中的某一个电容电压瞬时值Udcup或Udcdown作差，然后将差值信号经PI控制器得到控制信号，再将该控制信号以零序分量的形式注入到三相调制波中，即可使得直流侧2个电容电压保持相同，且为指令电压的一半。其控制如图6所示。最后将上述的指令电流进行合成，得到MMC换流器的指令电流，如图7所示。

图6 MMC换流器直流侧电容均压的控制

图7 MMC换流器的指令电流合成

2.2 MMC子模块直流电压稳压与均压策略

当系统运行时，子模块中的电容在不断地充电与放电。若不加以控制，子模块电容电压偏离较大，影响系统正常稳定工作。文中选择基于分级控制的均压策略，该策略将子模块电容均压分为相间电压均衡控制和各个子模块电容电压均衡控制。

（1）相间电容电压均衡控制。该控制的作用是保证每个相单元中所有子模块电容电压的平均值跟踪其额定电压值，从而保证能量在三相单元中均匀分配。控制结构如图8所示。

图8相间电容均压控制

（2）子模块电容电压均衡控制。该控制的目的是使每个桥臂上所有子模块的电容电压跟随其参考值。其控制如图9所示。

图9子模块电容电压均衡控制

2.3 MMC的调制策略

采用前节所述的指令电流检测方法，检测出需要补偿的电流，然后将补偿电流与MMC换流器出口电流作差，并将差值信号通过PI控制器，加上子模块稳压和均压指令得到每个子模块的最终指令电压，再与载波三角波进行对比得到开关控制信号。文中采用的调制策略是载波移相正弦脉宽调制技术（CPSSPWM）［8］。在MMC中，为保证每相每时刻都有N个子模块导通，上、下桥臂的调制波相位差为π，每个桥臂内相邻模块的载波依次移相360°/N，对子模块进行调制，通过对每相子模块输出的电压叠加得到多电平输出波形。为了使得MMC每相输出2N+1电平，当每个桥臂子模块的个数为奇数时，上、下桥臂的每个子模块之间相位依次相差2π/N，并且上、下桥臂对应的子模块的载波相位相差π/N；当每个桥臂子模块的个数为偶数时，上、下桥臂的每个子模块之间相位依次相差2π/N，上、下桥臂对应的子模块的载波无相位差。通过该方法可以保证MMC换流器的输出电压电平数的增多，从而改善MMC逆变器的补偿效果。

3　仿真实验

系统参数：MMC每个桥臂由4个子模块组成，直流侧电容额定电压为720 V，直流侧上、下电容容值分别为10-2F和2×10-2F，子模块直流侧额定电压为180 V，子模块直流侧电容容值为6×10-3F，桥臂连接电感L为2×10-3H，系统电阻为10-2Ω，系统电感为10-5H，主电路开关为理想开关与二极管反向并联，其开关频率为2×103Hz。

负载参数：A、B相之间并有25 Ω的电阻，C相和N之间并联了25 Ω的电阻，同时在A、B、C三相接有三相整流桥，其直流侧由25 Ω的电阻和1.2 mF的电容并联然后再与6×10-4H的电抗器相串联而成。

图10为采用2n+1调制方式A相输出相电压波形，从中可以看出A相输出相电压为9电平，电平数相对于三相半桥PWM整流器提高了很多。

图10 A相输出相电压波形

图11为基于MMC换流器的三相四线制系统补偿前网侧A相电压、A相负载电流波形。可见，基于MMC换流器的三相四线制系统投入前，由于负载中有整流桥、电容、电感和电阻等因素的影响，导致其A相网侧电压与A相负载电流波形的相位有一定的偏移，且其功率因数为0.895 7。另外，由于整流桥引入，导致A相负载电流含有谐波分量，其总谐波畸变率（THD）为47.217%。

图12为A、B、C三相负载电流，从图中可以看出，三相负载电流不对称，其不平衡度为15.425 6%。可以得出，由于A、B相之间和C相、N之间均并有电阻导致三相负载中含有一定的不平衡电流。

图13为补偿后的网侧A相电压和A相电流，从

图中可以看出，A相电压和A相电流基本同相位，其功率因数为0.986 2，并且A相网侧电流逼近正弦波形，其THD为4.620 9%。

图11三相四线制系统补偿前网侧A相电压和A相负载电流波形

图12 A、B、C三相负载电流

图13补偿后的网侧A相电压和A相电流

图14为补偿后的网侧三相电流波形，从图中可以看出，三相网侧电流波形接近正弦波，并且网侧三相电流波形是对称的三相电流波形，其不平衡度为3.054 8%。

图14补偿后的网侧三相电流波形

图15为MMC换流器直流侧上下2个电容的电压波形，从中可以看出，二者的电压波形几乎相同，二者的电压稳定在360 V左右。所以基于零序分量注入的方法，可以实现了MMC换流器直流侧电容均压的目的。

图15 MMC换流器直流侧上下2个电容的电压波形

4　结束语

针对基于MMC的三相四线制电能质量补偿进行研究，将MMC换流器从三相三线运用到三相四线制系统中，解决了传统三相四线制三相半桥PWM整流器输出电平数较少，导致网侧电流波形差（特别是当电流较小时）的问题。针对MMC直流侧上、下电容因参数的不同，可能导致其中某一电容两端电压过高的问题，采用了零序分量注入的方法，保证MMC直流侧上、下电容电压均衡，避免了其中某一个电容因为电压过大，造成故障。还给出负载电流中的无功、谐波、基波负序和零序电流的提取方法并进行了分析，同时给出了具体的控制框图。

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A Compensation Device of Power Quality in Three-phase Four-wire System Based on Modular Multi-level Inverter

WANG Liang1，REN Hongqiang2，CHEN Guoyu2，WANG Baoan2
（1.Yangzhou Power Supply Company，Yangzhou 225009，China；2.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The traditional three-phase four-wire three-phase half-bridge PWM voltage rectifier is widely used in compensating reactive power，harmonic，fundamental negative and zero sequence current.However，it has many problems:the number of its output level is limited，which may affect the eventual effect of compensation；cascaded H-bridge with star structure can increase the number of its output voltage level，but its ability to compensate the fundamental negative sequence current is limited；Cascade H with triangle structure can increase the ability to compensate fundamental negative sequence current，but it cannot be applied in the three-phase four-wire system.This paper develops a compensation device of power quality in the three-phase four-wire system based on modular multi-level inverter.In theory，the number of output voltage level of modular multi-level inverter can be extended to any value due to the modular nature.This character can optimize the compensation effect and let modular multi-level inverter suitable for the three-phase four-wire system.The simulation models of modular multi-level inverter are built in PSCAD/EMTDC platform.The simulation results show that modular multi-level inverter can compensate reactive power，harmonic，fundamental negative and zero sequence current for the three-phase four-wire system. Key words：modular multi-level converter；power quality comprehensive compensation；three-phase four-wire system；DC capacitor voltage's uniformity

TM761

A

1009-0665（2016）01-0057-04

2015-09-01；

2015-10-13
国家电网科技项目（J2015084）

王靓（1986），男，江苏扬州人，工程师，从事无功电压电能质量管理等方面工作；

任洪强（1990），男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；

陈国宇（1990），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；

王宝安（1978），男，江苏扬州人，副教授，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。