韩继业，李 勇，段义隆，罗隆福，曹一家

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

适用于中高压配电网的MMC-SST型电能质量综合治理方法

韩继业，李 勇，段义隆，罗隆福，曹一家

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

本文提出了一种采用模块化多电平变流器的固态变压器，并将其应用于中高压配电网的电能质量综合治理。首先，分析了模块化多电平变流器的固态变压器的拓扑结构与运行特性；其次，设计了其输入级、隔离级和输出级的控制策略；最后，构建了相应的Matlab/Simulink系统仿真模型。结果表明，在网侧电压瞬变、网侧电压不平衡、负载瞬变、谐波污染等工况下，模块化多电平变流器的固态变压器能始终保持交、直流侧的电压稳定，输入侧功率因数为1，且具有电压及电流动态响应快，抗负载扰动能力强等特点，能有效解决中高压配电网存在的电能质量问题。

模块化多电平变流器；固态变压器；控制策略；电能质量；配电网

Abstract:A modular multilevel converter based solid state transformer（MMC-SST）is proposed，and it is applied to comprehensively manage the power quality in medium-and high-voltage distribution network.Firstly，the topology and operation characteristics of MMC-SST are analyzed.Secondly，the control strategies at the input，isolation and output stages are designed，separately.Finally，a simulation model of this system is established by using Matlab/Simulink．The results show that in the typical cases including transient and unbalanced voltage on grid side，load changes and har⁃monic pollution，the proposed system has the ability to maintain the stability of DC and AC voltages and to operate with the unity power factor on the input side．Besides，the features such as fast voltage and current response，as well as the robustness to load variation，can also be maintained，which can effectively solve the power quality problems in the me⁃dium-and high-voltage distribution network.

Key words:modular multilevel converter（MMC）；solid state transformer（SST）；control strategy；power quality；dis⁃tribution network

随着大量新能源发电接入配电网，在缓解供电短缺的同时也带来了电源容量小、分布广、电源电压或频率具有较大的波动性等问题。随着非线性负荷迅速增长，大量谐波注入配电网，给大量敏感性负荷的正常工作带来极大影响。与此同时，配电网中诸如电压跌落、上升、三相不平衡、闪变等电能质量问题也严重影响了电力设备的正常工作和安全运行[1]。集电气隔离、电压变换及电能质量治理等多功能于一体的固态变压器SST（solid state transformer）近年来受到国内外学者的广泛关注，被认为是解决配电网电能质量问题的有效手段[2-3]。

目前，SST类型主要分为传统电压源变流器型SST和H桥级联型多电平型SST[4-6]。为了将两电平电压源型变流器VSC（voltage source converter）用于中压和高压SST，通常需要将大量的全控型开关器件串/并联使用，这就需要解决电力电子器件的均压/流问题，目前来说这还是一个很大的挑战。此外，其需要较高的开关频率来降低总谐波含有率THD（total harmonic distortion）或者需要额外安装滤波装置，这无疑会增大装置的体积和成本。H桥级联多电平变流器由于没有公共直流母线，各相在瞬时功率交换过程中会导致电网电压存在基波二倍频分量，其直流环节的电容电压中必然存在低频波动。只有在直流电容上增加二倍频滤波器，才能满足对直流输出电压有较高要求的应用领域。同时，其应用到SST中需要大量的全控型开关器件和高频变压器，而高频变压器作为SST中体积和重量占很大比重的无源器件，其大量使用不利于提高SST的功率密度。

鉴于此，本文提出一种采用模块化多电平变流器的固态变压器MMC-SST（modular multilevel con⁃verter-solid state transformer），用于综合解决有源配电网中的电能质量问题。该SST的高压侧采用MMC作为并网变流器，可以有效解决全控型开关器件的耐压问题，显著减少全控型开关器件和高频变压器的数量。同时，MMC具有公共直流母线，可以提高直流输出电压质量[7-8]。本文将分析MMCSST的拓扑结构与运行特性，并分别对其输入级、隔离级和输出级的控制系统进行设计，然后建立仿真模型，验证典型工况下MMC-SST对配电网电能质量的改善效果。

1 MMC-SST拓扑结构

MMC-SST的拓扑结构如图1所示。

图1 MMC-SST电路拓扑Fig.1 Circuit topology of MMC-SST

其中，输入级采用MMC，隔离级采用输入串联输出并联ISOP（input series output parallel）DC-DC变换器，输出侧采用三相全控逆变器。该MMC-SST具有以下特点。

（1）输入级采用MMC作为并网变流器，可以通过多模块叠加实现较高的电压输出，以较低的开关频率达到较高频率的等效开关效果，从而有效地降低了谐波含量和开关损耗，使SST可以应用于中高压领域。同时，通过控制MMC可实现单位功率因数运行，或根据电网无功需求，按照给定的功率因数运行。

（2）隔离级采用N个结构相同的DC-DC变换单元通过ISOP的方式组合而成，其中每个DC-DC变换单元是由1个单相全桥逆变器、1个高频变压器HFT（high frequency transform）和1个单相二极管不可控整流器串联组成。ISOP隔离型DC-DC变换器的作用是实现直流电压变换和电气隔离。

（3）输出级通过三相全控逆变器、滤波电感Lac、滤波电容Cac与三相负载相连，其作用是将低压直流电逆变为三相工频交流电，以供用户使用。

2 控制策略设计

MMC-SST由高压交流侧的MMC、中间ISOP隔离型DC-DC变换器以及低压输出侧的三相全控逆变器串联连接构成，考虑到这3部分是相对独立的，因此可以对每部分的控制策略分别进行设计。

2.1 高压侧MMC的控制策略

MMC作为高压并网变流器，在网侧电压波动和闪变、电压骤降或骤升、网侧电压不平衡等工况下应具备以下能力：①输入侧电流正弦化且单位功率因数运行；②直流电压稳定且可控；③输入侧电压、电流具有快速的动态响应速度和很强的抗扰动能力。因此，本文采用一种简单有效的电压定向矢量控制策略VOC（voltage oriented control）[9-11]，其控制策略如图2所示。控制器采用电压、电流双闭环PI控制来实现电压、电流快速稳定控制，为消除dq轴电流在动态过程中的相互影响，电流内环加入了解耦环节。电压外环的作用是稳定直流电压使其具备快速的响应速度和很强的抗扰动能力。电流内环的作用是按照电压外环输出的电流指令进行快速的电流控制，以实现单位功率因数运行。此外，本文采用基于载波移相技术的电容电压平衡控制策略[12]，以实现输入级MMC相间均压和子模块均压控制。

图2 高压侧MMC的控制策略Fig.2 MMC control strategy on high-voltage side

2.2 ISOP隔离型DC-DC变换器控制策略

ISOP隔离型DC-DC变换器作为隔离级，具有很好的隔离效果，实现网侧电压波动、电压不平衡工况下对负载侧敏感负荷的正常工作不会产生影响。同时，实现在负载侧出现负荷突变及谐波电流的工况下不会对网侧产生影响。因此，控制ISOP隔离型DC-DC变换器低压侧在任何工况下都输出恒定的直流电压。由于隔离级采用N个结构相同的DC-DC变换单元通过ISOP的方式组合而成，需对每个DC-DC变换单元进行控制。由于变换单元高压侧采用单相全控逆变器，低压侧采用二极管不可控整流器，因此要控制低压侧输出恒定的直流电压，只需控制高压侧全控逆变器[13]。DC-DC变换单元传输的有功功率可以表示为

式中：UDC，H为高压侧直流电压；fH为绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）开关频率；L为高频变压器的漏感；UDC，L为低压侧直流电压；dDC为高压侧全控逆变器的占空比。

由式（1）可知，通过控制高压侧全控逆变器的占空比dDC进而控制UDC，L，为此引入无静差的PI调节器，如图3所示。将变换单元低压侧直流电压测量值与参考值的差值经过PI控制器进行调节，输出信号作为移相PWM调制方式PS-PWM（phase shift pulse width modulation）的调制波，然后与载波进行比较来产生高压侧单相全控逆变器的门极触发信号。

图3 ISOP隔离型DC-DC变换器的控制策略Fig.3 Control strategy for ISOP isolation type DC-DC converter

DC-DC变换器由于采用ISOP的方式，各变换单元可能存在高频变压器参数不匹配和直流侧电压不相等的问题，这会引起各变换单元之间功率分配不均衡并产生环流，严重时将导致整个系统奔溃。为了解决这一问题，本文采用一种有功功率均衡控制策略[14]。此外，为了降低系统损耗，通过合理设置串联谐振电路（Lr和Cr）使全控型开关器件处于零电流开关状态ZCS（zero current switching）[15-16]。

2.3 低压侧三相逆变器的控制策略

MMC-SST的输出级由三相全控逆变器和LC滤波电路组成，其作用是将低压直流电逆变为三相工频交流电，以供用户使用。在各种负载瞬变的工况下应具备以下能力：①输出恒定幅值的三相工频正弦交流电；②具备良好的限流能力和动态响应性能；③具备很强的抗负载扰动能力。因此，本文采用输出电压和滤波电感电流反馈相结合的双闭环控制[17-19]，如图4所示。该控制策略具有良好的限流能力和快速的动态响应性能。电流内环采用负载电流前馈补偿后，将负载的变化信息加入到电流控制中，增强了输出级的抗负载扰动能力。同时，为了提高逆变器直流电压的利用率，减小开关损耗，采用空间电压矢量调制技术。

图4 低压侧逆变器的控制策略Fig.4 Control strategy for the inverter on low-voltage side

3 仿真验证

在MATLAB/Simulink环境下构建了如图1所示的仿真模型，研究网侧电压瞬变、网侧电压不平衡、负载瞬变、谐波污染等工况下MMC-SST的动态响应特性，以验证MMC-SST综合解决配电网电能质量的能力。MMC-SST输入交流电压为10 kV，输出交流电压为0.38 kV，高压侧直流电压为18 kV，低压侧直流电压为0.7 kV，额定容量为720 kVA。MMC-SST输入级、隔离级和输出级参数见表1～表3。

表1 MMC-SST输入级的参数Tab.1 Parameters of MMC-SST at input stage

表2 MMC-SST的隔离级参数Tab.2 Parameters of MMC-SST at isolation stage

表3 MMC-SST的输出级参数Tab.3 Parameters of MMC-SST at output stage

3.1 网侧电压变化

考虑电网公共连接点PCC（point of common coupling）处的电压幅值和频率随机变化，以验证MMC-SST的动态控制性能。如图5（a）所示，PCC处电压幅值在0.25 s和0.30 s分别偏移到额定电压的80%和120%，电压频率在0.45 s和0.55 s变为47 Hz和53 Hz。由图5（d）可见，负载侧的电压波形几乎不受网侧电压突变的影响，由此验证了MMC-SST对网侧电压随机变化具有良好的隔离效果。同时，从图5（b）和图5（c）可以看出网侧电流和高压直流母线处的电压在网侧电压变化时有一定的波动，但很快就恢复正常，表现出很好的瞬态响应性能。

图5 PCC处电压突变时的系统响应曲线Fig.5 System response curves in the case of voltage mutations at PCC

3.2 网侧电压不平衡

考虑配电网PCC处的电压会出现不平衡运行情况，以验证MMC-SST应对网侧电压不平衡的能力。如图6（a）所示，在0.25 s时PCC处A相电压幅值突然变为额定值的80%，B、C相电压幅值保持额定值运行；0.35 s时PCC处A、B相电压幅值突变为额定值的80%，C相电压保持额定值运行；0.45 s时PPC处A相电压幅值突变为额定值的120%，B、C相电压幅值突变为额定值的80%。由图6（d）可见，负载侧的电压保持标准正弦波，几乎不受网侧电压不平衡的影响。由此验证了MMC-SST对网侧电压不平衡有很好的隔离效果。同时，从图6（b）可以看出，在网侧电压不平衡时，网侧电流也会出现不平衡运行情况，但网侧电压恢复平衡后网侧电流也很快恢复平衡。从图6（c）可以看出，在网侧电压不平衡时，高压直流母线处的电压会有一定的波动，但网侧电压恢复平衡后高压直流母线处电压也很快稳定。由此验证了MMC-SST在网侧电压不平衡时可以实现直流电压稳定且可控，且网侧电压、电流表现出很好的瞬态响应性能和很强的抗扰动能力。

图6 PCC处电压不平衡时的系统响应曲线Fig.6 System response curves in the case of unbalanced voltage at PCC

3.3 负载变化

考虑负载随机变化和负载侧谐波污染工况，以验证MMC-SST应对负载变化和谐波污染的能力。如图7（a）所示，初始阶段系统带720 kV·A负载，0.25 s时负载降至80%，0.35 s时升至120%，0.45 s时接入非线性负载（二极管不可控三相整流电路）。由图7（b）可以看出在负载变化时网侧电压没有任何波动。由图7（c）可以看出网侧电流在负载切换时表现出很好的瞬态性，同时在瞬变到非线性负载时，由于MMC-SST隔离作用，电网侧的电压和电流完全不会受到负载侧谐波的影响。由图7（d）可以看出高压直流母线电压在负载突然变化时有一定的波动，但很快就恢复正常。由图7（e）可以看出在负载突变时，低压侧交流电压会有微弱变化但很快就恢复正常，说明其具备很强的抗负载扰动能力。

图7 负载瞬变时的系统响应曲线Fig.7 System response curves in the case of load transience

4 结论

（1）本文提出了一种采用MMC-SST拓扑及控制策略，用于解决中压、高压配电网中存在的电能质量问题，并详细分析了其拓扑结构与运行特性。

（2）为了实现对配电网电能质量综合治理的目标，分别设计了MMC-SST输入级、隔离级和输出级的控制策略，其中输入级采用一种简单有效的VOC，隔离级采用闭环控制使直流低压侧输出恒定的直流电，输出级采用输出电压和滤波电感电流反馈相结合的双闭环控制。

（3）基于MATLAB/Simulink构建了仿真模型，对网侧电压变化、电压不平衡、负载瞬变、谐波污染等工况下，输入级、隔离级和输出级的动态响应性能进行测试，结果表明本文所提出的MMC-SST型电能质量综合治理系统能始终保持交、直流侧的电压稳定和输入侧的功率因数为1，并且具有电压、电流动态响应快，抗负载扰动能力强等特点，有效地解决了中高压配电网中存在的电能质量问题。

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MMC-SST Type Comprehensive Power Quality Management Method for the Medium-and High-voltage Distribution Network

HAN Jiye，LI Yong，DUAN Yilong，LUO Longfu，CAO Yijia
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）

TM46，TM421

A

1003-8930（2017）09-0042-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.09.007

2015-08-25；

2017-06-07

国家自然科学基金资助项目（51377001，61233008）；科技部国际合作资助项目（2015DFR70850）

韩继业（1991—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子变换技术、智能电网等。Email：626285320@qq.com

李 勇（1982—），男，博士，教授，研究方向为电力系统运行与控制、电力电子系统运行与控制。Email：yongli@hnu.edu.cn

段义隆（1981—），男，博士研究生，研究方向为智能配电网、电力电子变换技术。Email：dracoduan@hotmail.com