基于MMC的静止同步补偿器控制策略研究 冯飞勇 上海电机学院

  现代电力工业最核心的问题之一就是电力系统的稳定性问题,电力系统若要可靠稳定运行,便需保证系统电压在所要求的范围内运行。而控制电压水平则可以通过系统中无功功率的产生、吸收和传输来完成,因为无功功率具有不能长距离传输的特性,所以只能通过遍布整个系统的装置来有效控制电压。静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator,STATCOM）是柔性直流输电技术的重要组成部分,具有良好的动态补偿性能。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter,MMC）作为多电平技术发展的最新成果,其高度模块化结构具有降低开关频率、提高输出性能等优点。因此将MMC结构作为STATCOM的主拓扑结构,作为新型动态无功补偿装置（MMC-STATCOM）,具有良好的发展前景。本文重点对模块化多电平STATCOM控制策略进行研究,主要的研究的内容为:1)分析了STATCOM的无功补偿原理,建立三相静止坐标系下的数学模型。通过数学模型介绍了它的直接控制和间接控制两种控制方式,以及对电流检测技术进行分析。2)MMC作为MMC-STATCOM的主拓扑结构,其控制策略尤为重要。本文主要对MMC的调制策略、子模块电容均压策略以及环流抑制策略三个方面展开了研究。调制策略方面,通过对比分析几种通用的调制方式,选择采用载波移相正弦脉冲宽度调制（Carrier Phase Shifting SPWM,CPS-SPWM）。电容电压控制部分,为了实现子模块电容电压平衡采用分级均压的控制方法来实现。环流抑制方面,在分析传统基于PI控制的环流控制器不足的基础上,设计了一种基于准PR控制的环流抑制器,一方面它无需引入锁相角就能完成三相静止坐标与两相旋转坐标之间的变换,减少延时,另一方面无需耦合补偿便能实现??的解耦控制,加快响应速度,同时,环流的抑制效果得到了优化。最后在matlab/simulink平台进行了仿真验证,并作出对比分析。3)结合前面两部分工作内容,建立MMC-STATCOM的数学模型,搭建了系统整体的控制结构。在整体控制策略上借鉴传统双闭环控制的方法,外环直流侧稳压和功率控制,内环交流侧电流控制。然而传统的内环控制器结构复杂,计算量较大。为优化控制器结构,设计了基于PR控制的内环控制器,它能直接对交流电流进行跟踪控制,无需dq变换以及解耦控制。最后在matlab/simulink平台上搭建仿真模型,在恒定无功控制模式下,仿真验证了系统能有效的吸收（发出）无功功率。在负载无功控制模式下,仿真验证了MMC-STATCOM能够进行有效的无功补偿。

 

【学位授予单位】：上海电机学院上海市

【学位级别】：硕士

【学位授予年份】：2019

【页数】：79

 

文章目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

    1.1 研究背景及意义

    1.2 STATCOM研究现状

        1.2.1 STATCOM国内外应用现状

        1.2.2 多电平技术在STATCOM中的应用

    1.3 模块化多电平变流器研究现状

    1.4 MMC-STATCOM关键技术研究现状概述

        1.4.1 MMC的调制技术研究现状

        1.4.2 子模块电容均衡控制策略研究现状

        1.4.3 环流抑制技术研究现状

        1.4.4 MMC在无功补偿领域中研究现状

    1.5 本文的主要研究内容

第二章 STATCOM的控制方法及电流检测技术

    2.1 引言

    2.2 STATCOM工作原理

    2.3 STATCOM控制方法

        2.3.1 间接控制

        2.3.2 直接控制

    2.4 基于瞬时无功理论的三相电流检测技术

        2.4.1 瞬时无功功率理论

        2.4.2 p、q法和ip、iq法

    2.5 本章小结

第三章 MMC-STATCOM主电路控制策略

    3.1 引言

    3.2 MMC拓扑结构及工作原理

        3.2.1 MMC拓扑结构

        3.2.2 MMC工作原理

    3.3 MMC调制策略

    3.4 MMC环流抑制策略

        3.4.1 相间环流分析

        3.4.2 传统的环流抑制策略

        3.4.3 基于准PR控制器的环流抑制策略

        3.4.4 仿真分析

    3.5 MMC子模块电容电压平衡控制策略

        3.5.1 子模块电容电压不平衡现象分析

        3.5.2 基于CPS-SPWM的分级式电容电压平衡控制

        3.5.3 仿真分析

    3.6 本章小结

第四章 MMC-STATCOM无功控制策略及建模仿真

    4.1 引言

    4.2 MMC-STATCOM拓扑结构

    4.3 MMC-STATCOM的数学模型

    4.4 MMC-STATCOM控制策略

        4.4.1 系统直流侧电压控制和功率控制

        4.4.2 传统的系统交流侧电流解耦控制

        4.4.3 基于PR控制的交流侧电流控制

        4.4.4 MMC-STATCOM系统总体控制

    4.5 仿真分析

        4.5.1 恒定无功控制

        4.5.2 负载无功控制

    4.6 本章小结

第五章 总结与展望

    5.1 论文工作总结

    5.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果

 

 

参考文献

 

期刊论文

 

[1]基于环流控制的模块化多电平变换器功率器件应力分析[J]. 李金科,金新民,荆龙,武文,吴学智.  高电压技术. 2016(10)

[2]基于准PR控制器的MMC-HVDC新型环流抑制策略研究[J]. 牛得存,孙中尉,李楠,李艳丽,汤伟,赵磊.  电力电容器与无功补偿. 2016(04)

[3]基于模块化多电平变换器的静止同步补偿器桥臂不对称及其控制策略[J]. 秦海鸿,赵海伟,马策宇,董耀文,聂新.  电工技术学报. 2016(14)

[4]应用于STATCOM链节背靠背试验的闭环控制策略[J]. 王翀,吴小丹,魏星,段军.  电力电子技术. 2016(05)

[5]一种混合型模块化多电平换流器的改进载波移相调制方法[J]. 魏承志,练睿,杨桦,文安.  电力系统自动化. 2016(07)

[6]模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述[J]. 杨晓峰,郑琼林,薛尧,林智钦,陈博伟.  电网技术. 2016(01)

[7]基于准比例—谐振控制的MMC-HVDC环流抑制策略[J]. 刘焕,岳伟,张一工,易荣,张海涛,许树楷.  电力系统自动化. 2015(12)

[8]基于MMC的STATCOM改进下垂控制策略研究[J]. 王英男,任哲,马荣琳,高厚磊.  电气传动. 2015(06)

[9]基于双PI控制器的模块化多电平变换器环流抑制策略[J]. 王朝明,王华广,王晴.  电网技术. 2014(10)

[10]一种新型多电平载波脉宽调制方法研究[J]. 戴鹏,吴斌,王钊,李高峰.  电气传动. 2014(08)

 

博士论文

 

[1]基于MMC的STATCOM器件选择与控制策略研究[D]. 谢妍.武汉大学 2012

[2]模块组合多电平变换器（MMC）研究[D]. 杨晓峰.北京交通大学 2012

[3]多电平逆变器通用调制策略和电容电压平衡研究[D]. 蔡凯.华中科技大学 2010

 

硕士论文

 

[1]基于模块化多电平变流器的静止同步补偿器控制策略研究[D]. 宋杰.东南大学 2017

[2]基于双闭环准比例谐振控制的逆变器研究[D]. 王亚威.大连理工大学 2014

[3]模块化多电平变流器控制策略的研究[D]. 班明飞.哈尔滨工业大学 2013

[4]模块组合多电平变换器（MMC）的控制策略研究[D]. 孙浩.北京交通大学 2010