论文总字数：26231字

摘 要

目前，我国正在大力建设特高压输电网和发展新能源，在特高压电网和含新能源电力系统中，无功补偿都具有显著意义。静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）克服了传统的无功补偿和谐波抑制，大幅度提高了电网电压暂态稳定性，同时提高系统功率因数。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是近年来提出的一种新型电压源型换流器。电路功率模块可以互换，拓扑结构高度模块化，这些特点使得电路具有较强的灵活性和扩展性。所以研究MMC在静止同歩补偿器中的应用，对应用于中、高压电网的无功补偿装置具有重要的意义。

对基于MMC的STATCOM来说，MMC为静止同步补偿器的主要部分，它的工作状态会直接影响整个装置的正常运行。因此本文主要研究内容之一为MMC的控制策略，主要包括MMC的调制策略、基于调制策略的子模块电容电压平衡控制方法和环流抑制方法。在调制策略方面，通过对比三种调制方法，最终选择载波移相调制策略作为本次仿真方法。在电压平衡控制方面，由于排序法比较复杂，所以选择了层级式电容电压平衡控制。环流抑制策略主要是针对负序二倍频环流。对STATCOM提出了直流侧稳压控制和交流侧解耦控制，最终采用电流直接控制法进行无功补偿。在阐述基本原理后，在Matlab／Simulink下搭建仿真的模型，对所研究的内容进行验证并分析。

关键词：模块化多电平换流器，电容电压平衡控制，静止同步补偿器，调制策略

Abstract

At present, China is vigorously building ultra-high voltage power transmission grids and developing new energy sources. In the UHV power grids and power systems with new energy sources, reactive power compensation has significant significance. The Static Synchronous Compensator (STATCOM) overcomes the traditional reactive power compensation and harmonic suppression, greatly improves the transient stability of the grid voltage, and increases the system power factor. Modular Multilevel Converter (MMC) is a new type of voltage source converter proposed in recent years. The circuit power modules are interchangeable and the topology is highly modular. These features make the circuit more flexible and expandable. Therefore, research on the application of MMC in static synchronous compensators is of great significance for reactive power compensation devices used in medium and high voltage power networks.

For MMC-based STATCOM, MMC is the main part of static synchronous compensator, and its working state will directly affect the normal operation of the entire device. Therefore, one of the main research contents of this paper is the control strategy of MMC, which mainly includes the modulation strategy of MMC, the sub-module capacitance voltage balance control method based on modulation strategy, and the circulation suppression method. In the aspect of modulation strategy, by comparing the three modulation methods, the carrier phase-shift modulation strategy is finally selected as the current simulation method. In terms of voltage balance control, since the sorting method is relatively complicated, a hierarchical capacitor voltage balance control is selected. The circulation suppression strategy is mainly aimed at the negative-sequence double-frequency circulation. DC-side voltage regulation control and AC-side decoupling control were proposed for STATCOM. Finally, the current direct control method was used for reactive power compensation. After expounding the basic principles, a simulation model was built under Matlab/Simulink to verify and analyze the research contents.

KEY WORDS: Modular Multilevel Converter, Capacitor Voltage Balance Control Strategy , Static Synchronous Compensator，Modulation Strategy

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景、意义 1

1.2 STATCOM及MMC的研究现状 1

1.2.1 STATCOM的研究现状 1

1.2.2 MMC的国内外研究现状 3

1.3 论文结构及主要工作 4

第二章 MMC的数学建模和电容电压控制 5

2.1 MMC的数学建模 5

2.1.1 MMC的拓扑结构 5

2.1.2 MMC的工作原理 6

2.2 MMC的调制策略 9

2.3 电容电压平衡控制策略 11

2.3.1 电容电压排序法 11

2.3.2 基于CPS-SPWM的层级式电容电压平衡控制 12

2.4 环流抑制 14

2.4.1 环流分析 14

2.4.2 环流抑制方法 15

2.5 MMC仿真分析 15

2.6 本章小结 18

第三章 STATCOM工作原理及控制策略 19

3.1 STATCOM工作原理 19

3.2 电流检测方法 20

3.2.1 瞬时无功功率理论 20

3.2.2 电流检测技术 21

3.3 STATCOM控制方法 21

3.3.1 间接控制 21

3.3.2 直接控制 22

3.4 本章小结 22

第四章 基于模块化多电平换流器的静止同步补偿器控制策略 23

4.1 MMC型STATCOM拓扑结构及数学模型 23

4.2 基于模块化多电平换流器的静止同步补偿器的控制策略 24

4.2.1 直流侧稳压控制 24

4.2.2 交流侧解耦控制 25

4.3 基于模块化多电平换流器的静止同步补偿器的仿真分析 27

4.4 本章小结 28

第五章 总结 30

致谢 31

参考文献 32

绪论

研究背景、意义

电能作为当代社会最方便、最普遍的能源，其应用水平高低代表了一个国家发展快慢。随着社会不断地发展，经济水平不断提高，我国正在大力建设电力互联网，电网也将变得越来越复杂。电力电子技术自20世纪80年代以来发展迅速，大量非线性负荷接入配电网，引起电网电压波动的同时产生大量的谐波和无功功率，影响了电网的运行稳定性。与此同时，新能源发电技术如光伏发电、风力发电技术的越来越成熟，新能源接入电网的比例逐渐提高，对接入电网的电压稳定性造成不可忽视的影响，在一定程度上会影响电能质量。但是随着社会的发展，人们对电能的质量提出更高要求。在降低电路损耗、改善电压波形、提高功率因数等方面，除了通过增大电力系统的容量外，使用无功补偿设备也是提高电能质量的方法之一。静止同歩补偿器具有体积较小，调节无功速度快，输出无功比较稳定等优势^[1]。STATCOM与传统静止无功补偿器相比，在各方面性能上的优势比较为明显，逐渐成为现在的研究热点。和SVC相比，STATCOM动态无功响应更快，响应时间约为30ms，而传统静止无功补偿器响应时间约为40-60ms，是SVC的一半；STATCOM在并网时不需要增加滤波环节，因此STATCOM对电网的污染比较小；并且STATCOM能够动态地调整无功电流。

目前，STATCOM在电压等级比较低的配电网的研究和应用比较成熟，但是在中压、高压场合仍需要研究。在中高压以及大功率场合，对使用的电力电子设备有了更高的要求。一方面，装置需要具备尽量适应高电压等级和功率处理能力；另一方面，装置还要尽量提高电力电子器件的开关频率以改善装置的输出波形质量、降低系统的电磁干扰。但是，对于大功率开关器件而言，提高电压等级以及功率处理能力和提高开关频率这两者无法兼顾。由于以上原因，多重化技术和多电平技术随之产生。而当采用多电平结构的换流器时，由于单个开关器件所承受的应力比较小，输出的电压谐波含量比较低，因此受到了国内外学者的关注。因此，在中高压大功率领域的研究中，采用多电平结构的STATCOM不仅使功率开关器件的开关频率降低了，而且无需多重化结构中体积庞大的变压器，还可以有效地改善输出波形。相比于传统多电平换流器，MMC作为一种新型换流器具有很大的优势。MMC采用高度的模块化结构，这不仅增加了系统运行的冗余状态，而且提高了装置的稳定性。此外，因为MMC有一个公共直流侧，能量可以在各相的桥臂之间进行交换^[2]。所以，研究MMC在STATCOM中的应用，对研究应用于中、高压配电网的无功补偿装置具有重要意义。

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