基于ZigBee与混沌加密的智慧实验室系统设计

康守强 王金龙 王玉静 梁亚琦 郑势

摘 要：针对常规半桥型模块化多电平换流器对三相相间环流抑制能力不足的问题，采用了一种新型功率拓扑结构，在每个桥臂上增加一个H桥单元来抑制环流，避免了复杂的坐标变换和解耦控制，实现了环流的有效抑制;同时，针对子模块电容电压不平衡的问题，采用了电容电压分级式均压控制策略，实现了电容电压的稳定;然后，将模块化多电平换流器相关控制策略应用在高压大功率静止同步补偿器中;最后在Matlab/Simulink中搭建了包含6个半桥子模块和1个H桥单元的MMC-STATCOM仿真模型，结果证明了所述的新型功率拓扑的有效性及控制策略的可行性。

关键词：模块化多电平换流器; 静止无功发生器; 电压平衡; 环流抑制

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.013

中图分类号： TM46

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）04-0070-11

Abstract：Capacitor voltage control and circulation current suppression are of great importance in the research of MMC topology. To solve the problem of the normal half bridge MMC having no enough ability to control circulation current around three-phase， we propose a novel MMC topology. Each arm of the novel topology adds a H bridge to suppress circulating current， simultaneously avoid the complex coordinate transformation and decoupling control， realize the effective inhibition of the circulating current. At the same time， the problem of the capacitance voltage imbalance of the submodule is solved by the capacitive voltage graded equalization control strategy and the stability of capacitors voltage is realized.Then， the MMC control strategy is used in high voltage and high power static synchronous compensator occasions. Finally， the model of MMC-STATCOM with six half-bridge modules and one H bridge module is realized by Matlab/Simulink. The simulation results demonstrate that the novel topology is effective and the control strategy is reasonable.

Keywords：modular multilevel converter; static synchronous compensator; voltage balance; circulation inhibition

0 引 言

隨着电力电子技术的发展，各种电力换流器及非线性负载的大量应用，在电网中产生了大量的无功及谐波[1]。为了改善电网的供电质量，采用无功补偿装置来提高功率因数和抑制谐波是一种很好的办法[2]。

迄今为止，换流器大多采用传统的两电平或三电平的拓扑结构。但是，在高压大功率场合时，为了满足容量的需求，经常采用器件的串并联结构，这种结构要求同一桥臂的开关器件同时导通和关断，而开关器件的均压与均流控制是一个难点。同时，这种拓扑输出电平数少，谐波含量大。

多电平的拓扑结构在高压大功率领域有独特的优势，因此得到广泛的关注与深入的研究[3]。常见的多电平拓扑主要有飞跨电容型、二极管箝位型和H桥级联型等三种[4]。飞跨电容型和二极管箝位型拓扑随着输出电平数的增加，所需的开关器件和箝位电容数量迅速增加，实现更多电平的变换电路变得困难，而且需要电容电压均衡控制，不易普及[5]。至于H桥级联拓扑结构，由于无公共的直流母线，桥臂间不能传递有功能量，因此各个模块间的电容电压平衡难以实现[6]。

针对以上功率拓扑的缺点，德国学者提出了模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构[7]。该结构具有公共直流母线，相间能量能够相互流动，在电网畸变时能够实现无功功率、谐波以及不平衡的综合补偿，因此得到了广泛的关注。

目前，对MMC的研究工作主要是主电路功率拓扑结构和电压平衡控制策略方面。桥臂间的环流会对系统的整体性能和电压平衡产生影响，然而目前针对MMC环流方面的研究工作还不够深入。

针对三相间的环流问题，文[8]指出了环流中存在二倍频负序分量，但没有给出具体的解决办法;文[9]提出了通过增加桥臂电感，来实现对环流的抑制，但桥臂电感的增大会导致系统体积和成本的增加;文[10]提出通过控制上、下桥臂电容电压差值来抑制环流，但该方法需要采集所有功率单元的直流侧电容电压，实现起来较为复杂且抑制效果一般;文[11]提出一种基于二倍频负序旋转坐标系下的环流解耦控制方法，该方法增加了MMC控制系统的运算量，且无法推广到四线制及以上系统中;文[12]采用了子模块均压控制方法，但该方法不能完全消除电容电压的波动，且对环流的抑制效果并不明显。

针对MMC的调制策略，文[13-14]釆用空间矢量调制技术，由于空间矢量数与电平数呈立方关系，因此，在电平数高的场合中运算将会非常复杂;文[15]采用特定次谐波消去法，利用阶梯波来逼近正弦波，但是在计算过程中需要求解高阶非线性超越方程组，计算起来非常复杂;文[16]提出了一种最近电平逼近的调制方法，但在电平数较低时会产生大量的谐波。

本文结合MMC自身的特点，通过对该功率拓扑结构和工作原理的分析，采用载波相移调制技术，该技术动态调节能力强，在较低开关频率下也具有良好的抑制谐波能力;其次，为了抑制环流，提出了一种在传统MMC的基础上增加H桥模块的新型拓扑结构;最后，将本文所提出的控制策略应用在高压、大功率STATCOM系统中，并通过系统仿真验证。

1 模块化多电平变换器（MMC）

1.1 传统MMC拓扑结构分析

1.2 子模块（SM）工作原理

图1中SM表示MMC拓扑结构的子模块，是组成MMC的基本单元，它是由两个功率开关管T1、T2组成的半桥子模块单元，直流侧为一个大电容C。其中：ism表示流入/流出SM模块桥臂电流;usm表示SM模块输出的电压;Vd表示SM模块直流侧电压。根据SM子模块不同的工作状态，可输出0和Vd。若用S1和S2表示T1（D1）和T2（D2）的开关状态，则子模块的桥臂电流ism方向与输出电压usm状态如表1所示。

1.3 模块化多电平换流器调制技术

载波相移调制技术（CPS-SPWM）基本原理为：同一桥臂共用一个调制波，每相上、下桥臂的调制波相位相反，保证了换流器每相在任意时刻投入的子模块数均是n。三角载波根据一定规律移相一定的角度与调制波比较，发出一组PWM后控制换流器子模块投切状态，子模块输出的电压叠加得到多电平电压输出。

载波相移调制技术的应用使得换流器的直流母线电压等于一相2n个子模块输出电压之和，单个子模块只需承受1/n直流母线电压;输出的相电压是（n+1）电平，线电压是（2n+1）电平，整个系统等效开关频率为载波的2n倍。

1.4 子模块电容均压控制

模块化多电平换流器（MMC）正常运行的必要条件是要有一个稳定的直流侧电压[17]。

本文采用微调修正MMC调制波的分级式电容电压平衡控制方法进行子模块电容均压控制，主要为相单元平均电压平衡控制和桥臂内部子模块电容电压平衡控制。

1）相单元平均电压平衡控制

图3（a）为相单元平均电压平衡控制框图，电压外环使每相子模块电容电压平均值U-c跟随给定指令Uref。电流内环的给定i*j，cir由电压外环PI调节得来。电流内环是为了抑制相间环流，也采用PI调节器，其输出是平均电压平衡控制信uAj。图中U-c和icir由以下列两式得到

1.5 基于新型拓扑的环流抑制控制策略

本文提出的新型拓扑结构是在原MMC系统的基础上，每相上、下桥臂各加入一个H桥单元，如图4所示。

新型MMC系统的整体控制结构如图6所示，其中控制器1控制MMC的功率模塊部分，在控制系统输出的无功补偿电流的同时，也控制着功率模块的电容电压，使其保持平衡。控制器2控制全桥模块部分，在输出电压中插入合适的电压便能抑制环流。

由图7可知，环流与环流的指令信号icir，ref比较，经比例调节之后均分成2份，分别加在该相上、下桥臂全桥模块的调制信号上。

控制器2还要保持全桥模块电容电压的平衡。全桥子模块的电容电压值与指令信号VH，ref作差，经PI调节后乘以桥臂电流的符号函数。最后，将得到的全桥子模块调制信号Vr，ref（r=P，N）与三角载波比较后生成驱动信号，控制全桥子模块的电容充放电，实现了电容电压的平衡控制。

新型拓扑每个桥臂只增加一个H桥模块即可容易实现环流抑制的目的，避免了复杂的坐标变换和解耦控制。实际工程中每个桥臂中子模块数目达到数十甚至数百个，增加一个H桥模块从经济角度来看微不足道，却能使系统的控制变得简单，环流抑制的效果得到提高，使得系统更为可靠。

2 基于MMC的STATCOM控制策略

在对MMC关键技术深入分析的基础上，对基于MMC的STATCOM控制策略进行研究。

2.1 ip-iq电流检测法

无功与谐波电流检测的性能直接影响着STATCOM补偿的效果[18]，因此，本文采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq电流检测法。基于瞬时无功理论的ip-iq电流检测法，能快速准确地检测出电网中的无功和谐波电流的大小。检测过程如图8所示。

2.2 前馈解耦的电压电流双闭环控制

STATCOM输出的有功电流id和无功电流iq通过电感L耦合在一起，当输出电压变化时输出电流也跟着变化，不容易实现双闭环控制。通过引入电压前馈解耦控制，能够优化控制，系统的动静态性能会更好[19]。

将dq坐标系下的反馈电流与给定电流比较，通过PI控制器得到中间变量y1、y2，从而在dq坐标系下实现解耦。图10为基于前馈解耦的双闭环STATCOM系统结构框图，可以看出，系统由电压外环和电流内环构成。电压外环使直流侧电容电压跟随指令信号Uref，通过电压PI调节器，其输出i*d当作有功电流的给定值;而无功电流给定值i*q是负载电流经abc/dq变换再取反得到的;将换流器输出的补偿电流ia、ib、ic经abc/dq变换得到id和iq，和i*d、i*q作差，经电流环PI调节，得到中间变量y1、y2，再根据式（18）得到期望的输出电压u*cd、u*cq;对u*cd、u*cq进行dq/abc变换得到静止坐标系下的三相调制信号，与相移三角载波比较生成子模块驱动信号，从而控制MMC换流器输出电压的幅值和相位，实现无功补偿。

2.3 电网不平衡时电流检测方法

当三相不对称时，采用延迟法对输入电压正负序分离，分别获得正负序电压分量，锁相环跟随a相正序电压分量的相位，检测负载电流中的无功电流[20]。电网不平衡时的电流检测见图11，最终得到正序有功分量i+d、无功分量i+q，负序有功分量id-、无功分量iq-。

2.4 基于新型拓扑的STATCOM系统总控制策略

控制器1为无功补偿控制器，是电容均压控制与基于前馈解耦的电压电流双闭环控制结合得到的;控制器2为基于全桥模块的环流抑制控制器。综合控制器1和控制器2，可得MMC-STATCOM总控制策略，如图12所示。

3 系统的仿真及实验分析

3.1 系统的仿真模型

在对基于MMC的STATCOM的电容电压平衡控制、换流抑制、电压前馈解耦控制等关键技术进行深入分析的基础上，进行了仿真研究。下面详细介绍系统的各组成部分：

无功与谐波电流检测模块如图13所示。

3.2 仿真结果分析

基于Matlab/Simulink仿真参数如表2所示。

3.2.1 系统补偿性能分析

1）无功补偿分析

图19为三相对称阻感负载时的电压、电流波形，电阻值为30Ω，电感值为45mH。为了方便分析，将电流放大10倍，由图19可以看出：补偿前，电网电流滞后于电压;补偿后， 电网电压、电流同相位，可见基于MMC的STATCOM系统具有较好的无功补偿效果。

2）谐波抑制分析

负载为三相整流阻感负载，其中R=100Ω，L=10mH，仍以a相为例对系统谐波抑制的能力进行分析。图20（a）、图20（b）分别为补偿前后的a相电流波形，补偿前后a相电流的频谱分别为图21、图22所示。

3）系统动态性能分析

对系统动态性能进行了仿真研究，如图23所示。在0.04s时刻之前，STATCOM补偿装置处于切断状态，此时a相电流滞后电网电压;在t=0.04s时投入STATCOM，电压、电流在0.05s之前就同相位了。可见，本文所设计的STATCOM能够快速补偿无功，动态性能较好。

3.2.3 系统输出电压仿真分析

a相输出电压如图26（a）所示，可见基于新型拓扑的STATCOM与基于传统拓扑的STATCOM的输出电压均为13电平，验证了全桥模块对系统的输出电压无影响。图26（b）为a相输出电压的频谱图，可以看出其THD仅为8.07%，谐波成分较低。

3.2.4 环流抑制仿真分析

对本文提出MMC环流抑制控制策略进行仿真研究，如图27所示。图27（a）为环流抑制前的三相环流波形，可见，主要成分是二倍频负序交流量，环流在0.04s后达到稳态，幅值约为8.3A。图27（b）为环流抑制后的三相环流波形，可以看出，环流抑制效果明显，环流的幅值从8.3A减小到0.5A以内。

对比可知，基于新型功率拓扑的环流抑制策略对环流有较好的抑制效果。

3.2.5 电网不平衡时补偿性能

電网三相电压分别设为usa=2150sin（ωt），usb=2450sin（ωt-2π/3），usc=2750sin（ωt+2π/3），负载为三相对称阻感型，电阻等于10Ω，电感等于20mH。

图28为补偿装置投入前后的网侧电流，投入前网侧三相电流不平衡，投入后三相电流达到平衡。

4 结 论

本文在深入分析MMC拓扑结构、工作原理的基础上，提出了相单元平均电压平衡控制和桥臂内部子模块电容电压平衡控制策略，并提出了一种带全桥子模块的MMC来环流抑制的方法，同时，将新型MMC功率拓扑及控制策略应用在STATCOM中。最后进行了系统仿真研究，结果表明所提方法具有较好的稳压、均压和环流抑制能力，所实现的STATCOM系统具有较好的无功补偿和谐波抑制功能。

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（编辑：温泽宇）