風(fēng)電場(chǎng)中級(jí)聯(lián)STATCOM直流側(cè)電壓控制方法

李圣清 徐文祥 栗偉周 曾歡悅

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 株洲 412008）

1 引言

級(jí)聯(lián) STATCOM投入到風(fēng)電場(chǎng)中可以有效地穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓，提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[1]介紹了應(yīng)用STATCOM 技術(shù)可以改善風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量和提高風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定性。然而級(jí)聯(lián) STATCOM各逆變橋直流側(cè)相互獨(dú)立，其直流側(cè)電壓難以平衡，特別在電壓波動(dòng)比較劇烈的風(fēng)電場(chǎng)中，其直流側(cè)電壓的不平衡將更加嚴(yán)重，直接危及到裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行，故迫切需要對(duì)其直流側(cè)電壓進(jìn)行平衡控制。文獻(xiàn)[2]指出逆變橋并聯(lián)損耗、開關(guān)損耗以及開關(guān)器件觸發(fā)脈沖的微小差異是造成穩(wěn)態(tài)電容電壓不平衡的主要原因。

目前，已有一些文獻(xiàn)針對(duì)級(jí)聯(lián)STATCOM的直流側(cè)電壓均衡提出了相應(yīng)的控制方法[3-13]。文獻(xiàn)[3]通過分布式控制來均壓，該方法在閉環(huán)控制下耦合性低，便于鏈節(jié)擴(kuò)展。文獻(xiàn)[4-6]提出通過外部能量交換的直流電壓平衡控制方法，該方法可以簡(jiǎn)化控制程序的算法，但需要額外的硬件電路和控制系統(tǒng)，無疑增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。文獻(xiàn)[7, 8]通過調(diào)節(jié)各單元逆變器的移相角來實(shí)現(xiàn)電壓平衡，但對(duì)于大容量逆變器，該移相角較小，改變移相角容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[9, 10]通過選擇合適的冗余矢量均壓，將閥組內(nèi)直流側(cè)電壓高（低）的開關(guān)狀態(tài)與直流側(cè)電壓降低（升高）的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行交換，改變電容的充放電時(shí)間以改變其電容電壓的大小，該方法易于實(shí)現(xiàn)，所需硬件資源少，但算法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[11, 12]提出通過疊加一個(gè)與電流同相位或者反相位的有功電壓矢量來平衡直流側(cè)電壓，該方法在實(shí)用的同時(shí)又受到穩(wěn)定工作區(qū)域的限制。

本文提出通過有功功率均等分配來控制級(jí)聯(lián)STATCOM 直流側(cè)電壓平衡，特別適合在風(fēng)電場(chǎng)這種電壓波動(dòng)比較劇烈的場(chǎng)合，響應(yīng)速度快、控制特性好、輸出電壓的諧波含量少，便于模塊化設(shè)計(jì)。

2 風(fēng)電場(chǎng)中級(jí)聯(lián)STATCOM的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)電場(chǎng)中級(jí)聯(lián)STATCOM主電路拓?fù)淙鐖D1所示，通過將級(jí)聯(lián)STATCOM并聯(lián)在風(fēng)電場(chǎng)的出口來穩(wěn)定其輸出電壓，保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)各開關(guān)器件工作在理想狀態(tài)下，連接電抗為L(zhǎng)S，各類電阻之和為 RS，系統(tǒng)電壓分別為 usa、usb、usc，級(jí)聯(lián) STATCOM 輸出電壓分別為 uca、ucb、ucc，補(bǔ)償電流分別為ica、icb、icc。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)中級(jí)聯(lián)STATCOM的主電路Fig.1 The main circuit of cascade STATCOM in wind farm

根據(jù)圖1可以得到級(jí)聯(lián)STATCOM的單相等效電路模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

對(duì)式（1）進(jìn)行解耦變換[14-16]可得

3 有功功率均等分配的直流側(cè)電壓控制

3.1 系統(tǒng)總體控制

級(jí)聯(lián)STATCOM系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。通過解耦控制分離有功、無功分量，實(shí)現(xiàn)有功、無功總體控制，然后利用模塊控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊直流側(cè)電壓的平衡控制。udcref為模塊額定直流電容電壓，udc為各模塊實(shí)際直流電容電壓的平均值，通過調(diào)節(jié)有功指令電流，改變系統(tǒng)吸收有功功率的大小來給直流側(cè)電容充電。

圖2 級(jí)聯(lián)STATCOM系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Cascade STATCOM control diagram

3.2 有功功率均等分配的原理

由于流經(jīng)各模塊的電流為同一電流 i，所以各模塊吸收的有功功率大小為

式中，u1, u2, …, uN為各模塊交流側(cè)輸出電壓；α為移相角。

又因?yàn)?/p>

式中，Ps1, Ps2, …, PsN為各逆變橋的有功損耗；C1,C2, …, CN為各模塊直流側(cè)電容大小；udc1, udc2, …,udcN為各模塊直流側(cè)電容電壓。

為了保證各模塊直流側(cè)電壓平衡，則需有ΔP1=ΔP2=…=ΔPN。由于各逆變橋的有功損耗基本不變，故可以通過調(diào)節(jié)各模塊吸收的有功功率大小來改變相應(yīng)直流側(cè)電容電壓的大小。

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，從級(jí)聯(lián)STATCOM的控制特性入手，考慮到在四象限下的分析結(jié)果大致相同，以下主要以感性工況為例，由式（4）知可以通過調(diào)節(jié)各模塊交流側(cè)輸出電壓大小或者移相角來改變各模塊有功功率的大小。由圖3可知，改變輸出電壓只改變其矢量的大小且不會(huì)改變其與電流的夾角，該方法耦合性低，穩(wěn)定性好。

圖3 改變輸出電壓的矢量分析Fig.3 Vector analysis of output voltage

圖4為通過改變移相角的平衡控制矢量分析，可以看出該方法會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，控制器參數(shù)設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜。

圖4 改變移相角的矢量分析Fig.4 Vector analysis of change phase shift angle

3.3 有功功率均等分配控制直流側(cè)電壓平衡

基于上述分析，本文采用調(diào)節(jié)各模塊輸出電壓的方法來調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)有功功率的大小，最終達(dá)到平衡各模塊直流電容電壓的目的。各模塊直流電容電壓平衡的控制框圖如圖5所示。共有N個(gè)模塊級(jí)聯(lián)，ucd1, …, ucdN為各模塊輸出電壓的有功分量，若各直流側(cè)電容電壓平衡，則有ΔP=ΔP1=ΔP2=…=ΔPN，則各模塊交流側(cè)吸收的有功功率為 Pj=ΔP+Psj（j=1,2, …, N），Δucd1, …, ΔucdN為各模塊需要合成電壓的有功分量，Δuc1, …, ΔucN為各模塊交流側(cè)需要合成電壓的大小。

圖5 各模塊直流電容電壓控制框圖Fig.5 Each module DC capacitor voltage balance control diagram

3.4 分層協(xié)調(diào)控制

主要采用分層協(xié)調(diào)控制的思想。中央處理器實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的上層解耦控制算法，包括總的有功、無功控制以及鎖相環(huán)控制等等，實(shí)現(xiàn)對(duì)級(jí)聯(lián)STATCOM的系統(tǒng)總體控制。

下層采用模塊控制器對(duì)每個(gè)級(jí)聯(lián)模塊進(jìn)行單獨(dú)控制，中央處理器將所得信息傳遞到各模塊控制器中，同時(shí)各模塊控制器將獲得的信息傳遞給中央處理器，實(shí)現(xiàn)資源共享的同步分層協(xié)調(diào)控制。對(duì)于 N模塊級(jí)聯(lián)的 STATCOM，通過將中央控制器得到總的有功電壓平均分成N份送入到模塊控制器中，最后得到每個(gè)單相級(jí)聯(lián)模塊交流側(cè)需要合成的電壓波形，實(shí)現(xiàn)有功功率均等分配控制。具體控制框圖如圖6所示。

圖6 分層協(xié)調(diào)控制框圖Fig.6 The hierarchical coordination control diagram

4 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

4.1 仿真

利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建圖1的系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)見下表。

圖7為平衡前后A相直流側(cè)電壓波形。由圖7a可以看出，只有上層控制時(shí)各模塊直流側(cè)電壓不平衡較為明顯，從240V到255V不等，且無明顯改善跡象。圖7b為加入有功功率均等分配控制后的直流側(cè)電壓波形，其直流側(cè)電壓基本趨于一致，穩(wěn)定在給定值 250V左右。由此看出該控制方法可以有效地穩(wěn)定級(jí)聯(lián)STATCOM的直流側(cè)電容電壓，達(dá)到很好的平衡效果。

表 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab Main simulation parameters

圖7 直流側(cè)電容電壓波形Fig.7 The waveforms of DC side capacitor voltage

圖8為平衡前后A相輸出電壓的頻譜圖，只有上層控制時(shí)，輸出電壓的諧波畸變率THD=1.16%；加入該平衡控制后，THD減少到0.13%。通過加入有功功率均等分配的平衡控制方法可以有效地減少輸出電壓的諧波含量，使得輸出電壓波形質(zhì)量良好。

圖8 A相輸出電壓頻譜Fig.8 The output voltage spectrum of single module A

圖9為風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的出口電壓波形，將電網(wǎng)電壓分別由 1.00(pu)跌落到 0.90(pu)再恢復(fù)到 1.00(pu)，由 1.00(pu)上升到 1.10(pu)再恢復(fù)到 1.00(pu)?？梢钥闯?，圖9a為只有上層控制時(shí)風(fēng)電場(chǎng)出口電壓波形，可以看出，該級(jí)聯(lián)STATCOM可以將風(fēng)電場(chǎng)的出口電壓由 0.90(pu)提高到 0.95(pu)左右，由1.10(pu)降低到1.04(pu)左右；圖9b為加入該平衡控制后的波形圖，可以看出，該級(jí)聯(lián) STATCOM 可以將其出口電壓由0.90(pu)提高到0.99(pu)左右，由1.10(pu)降低到1.01(pu)左右。比較兩圖可得，加入該平衡控制方法可以提高該級(jí)聯(lián)STATCOM風(fēng)電場(chǎng)出口電壓穩(wěn)定性的能力，保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 風(fēng)電場(chǎng)出口電壓波形Fig.9 The waveforms of wind farms export voltage

4.2 實(shí)驗(yàn)

級(jí)聯(lián)STATCOM每相采用3個(gè)H橋串聯(lián)而成，主電路采用三角形聯(lián)結(jié)，系統(tǒng)電壓為220V，直流側(cè)電容電壓參考值為 80V，控制系統(tǒng)為基于 DSP F2812的STATCOM控制器，主要實(shí)現(xiàn)控制算法，產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號(hào)等功能。圖10顯示為只有上層控制和加入平衡控制兩種情況下A相各模塊直流側(cè)電壓波形?？梢钥闯觯患悠胶饪刂茣r(shí)，A相各模塊直流側(cè)電壓差異較為明顯，最高電壓為102V，最低電壓為 64V，最大相差 38V，輸出電壓 THD為 2.78%；加入平衡控制后，各模塊直流側(cè)電壓基本趨于一致，最高電壓為102V，最低電壓為99V，最大相差僅為3V，輸出電壓THD僅為1.85%。實(shí)驗(yàn)證明了該控制方法的有效性。

圖10 各模塊直流側(cè)電容電壓波形Fig.10 Waveforms of each module’s DC capacitor voltage

5 結(jié)論

本文通過分析風(fēng)電場(chǎng)中級(jí)聯(lián)STATCOM的數(shù)學(xué)模型，就其直流側(cè)電壓難以平衡問題，提出有功功率均等分配的控制方法來平衡級(jí)聯(lián)STATCOM各橋直流側(cè)的電容電壓，該方法響應(yīng)速度快、平衡效果好，特別適合應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)這種波動(dòng)比較明顯的場(chǎng)合，保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓穩(wěn)定性，提高風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力。理論分析和仿真結(jié)果表明：該方法可以有效解決級(jí)聯(lián)STATCOM中直流側(cè)電容電壓的平衡問題，輸出電壓諧波含量少，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

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