摘要：研究了基于模塊化級聯多電平變換器(MMCC)的靜止同步補償器(STATCOM)，對其主電路拓撲、工作原理、調制技術和控制策略進行了研究。采用功率解耦控制算法對交流側無功功率補償進行控制，并根據功率守恒原理，分析了直流側電壓不平衡因素，引入了分布式直流側電壓控制算法。直流側控制算法分為上、下層控制部分，其中上層控制部分對所有模塊直流側電壓的平均值平衡進行控制，下層控制部分則對各個子模塊單元的直流側電壓進行控制。最后，在一臺以VME控制箱為核心控制器的3級MMCC系統上對控制策略進行了驗證，實驗結果表明了算法的可行性。
關鍵詞：靜止同步補償器；級聯多電平；分布式控制系統

1 引言
近年來，隨著電力電子技術和微控制器技術的發展，柔性交流輸電技術(FACTS)成為了電網降低能耗和提高電能質量的重要技術手段。基于MMCC的STATCOM作為FACTS的核心設備，以全控電力電子器件(IGBT)構成的電壓源逆變器為核心，采用級聯多電平和PWM技術，具有輸出諧波電流小，占地面積少，響應時間短，無功補償范圍寬，維護和擴展容易，成本低等優點，已成為國內外專家研究的焦點，并逐步應用到高壓輸電網中。此處首先研究了基于MMCC的STATCOM的主電路結構、工作原理和載波移相PWM技術(CPS-SPWM)；其次，在功率解耦控制算法的基礎上，應用功率守恒原理引入了分布式直流側電壓控制算法。最終在一臺以VME機箱控制的3級MMCC系統上對控制策略進行了驗證。

2 STATCOM主電路結構及原理
MMCC型STATCOM由H橋模塊單元串聯而成，有三角形和星形兩種連接方式，圖1a為星形連接的級聯型STATCOM拓撲結構，可通過簡單的增加鏈接模塊個數來提高設備容量，其成本低、易實現、占地面積小。理想情況下，STATCOM的等效電路如圖1b所示，Lc，Rc為設備主回路中的總電感和電阻(包括連接電抗和變換器阻抗)，us為電網電壓，uc為STATCOM輸出電壓，iC為STATCOM裝置的吸收電流。通過改變uc幅值和相對于us的相位，即可控制STATCOM從電網吸收電流的相位和幅值，即控制STATCOM吸收無功功率的性質和大小。當uc幅值與相位變化時，STATCOM吸收有功和無功的大小、性質也相應變化。

3 MMCC調制算法
目前，MMCC調制算法主要包括：階梯波調制法、空間電壓矢量法和CPS-SPWM方法。其中，CPS-SPWM是多載波SPWM算法，通過多路載波在時間軸上移動Ts／N(Ts為載波周期，N為一相串聯模塊數)生成PWM觸發脈沖。該方法設計簡單、容易實現，且可使設備單元模塊的開關次數相
同，容易實現直流側電容電壓均衡控制。

4 基于MMCC的STATCOM控制策略
4．1 交流側控制策略
補償系統在各種運行工況和故障場景的穩定運行，是判斷其能否在實際電力系統中得到有效應用的關鍵。但是這些控制器計算量大，實現復雜。目前應用最多的是功率解耦PWM控制，該方法通過PI調節器實現功率模型的解耦，icd和icq分別與補償器輸出的有功功率和無功功率成線性關系，實現了對功率解耦。該方法實現簡單，計算量小，可使補償系統有很好的靜、動態性能。
根據圖1可得STATCOM在三相坐標系下的數學模型為：

根據坐標變換原理，可得補償裝置在d，q坐標系下的等值方程為：

4．2 分布式直流側控制策略
MMCC采用模塊化設計，每個模塊直流側電容彼此獨立，且開關損耗、電路損耗、開關分配狀態和脈沖延時等存在差異，這導致基于MMCC存在直流側電容電壓不均衡問題，會直接影響到設備的可靠安全運行。采用分層分布式直流側控制策略，分為上層控制和下層控制。其中，上層控制穩定總體直流側電容電壓，即整個裝置所有模塊直流側電容電壓的平均值；下層控制穩定每個模塊直流側電容電壓。
上層控制將所有模塊直流側電壓視為一個整體C，從而根據功率平衡可得，STATCOM直流側電容電壓在d，q坐標系下的數學模型為：

式中：Udc為直流側電容電壓平均值；K為SPWM的調制比；us為交流電網電壓峰值；δ為STATCOM輸出電壓矢量與電網側電壓矢量的夾角。