風(fēng)電場中靜止同步補(bǔ)償器的前饋解耦控制

耿運(yùn)濤，唐杰，王璐

（邵陽學(xué)院，湖南邵陽 422000）

0 前言

隨著風(fēng)電資源的開發(fā)利用，風(fēng)電并網(wǎng)所帶來的諧波污染、電壓波動及閃變等配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題無論是對配電網(wǎng)本身的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還是對配電網(wǎng)中的敏感負(fù)荷都會造成重要的影響，成為了制約風(fēng)電資源開發(fā)的嚴(yán)重障礙。因此必須采取一定的措施使供電電壓維持穩(wěn)定。

靜止同步補(bǔ)償器( STATCOM ) 是一種重要的基于電力電子器件的“用戶電力”裝置, 能綜合治理配電網(wǎng)中的多種電能質(zhì)量問題[1-5]。STATCOM 通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)逆變橋交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或直接控制交流側(cè)電流就可以調(diào)節(jié)公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling,PCC）處的電壓幅值，使之維持恒定，有效的解決電壓波動和不穩(wěn)定問題。STATCOM 具有的動態(tài)響應(yīng)速度快,能夠連續(xù)調(diào)節(jié),裝置損耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn),使其性能優(yōu)越于傳統(tǒng)電壓質(zhì)量控制裝置，是一種治理風(fēng)電場電能質(zhì)量的有效方法。

STATCOM 的工作性能受其所采用的控制策略影響很大[6-9]。STATCOM 采用傳統(tǒng) PI控制策略實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制時存在很多不足：電流內(nèi)環(huán)存在的耦合現(xiàn)象使得有功電流和無功電流不能獨(dú)立控制，影響裝置的響應(yīng)速度和補(bǔ)償性能。且雙閉環(huán)控制系統(tǒng)采用的4個相互影響PI控制器，給控制器的設(shè)計帶來了困難，其參數(shù)的不當(dāng)設(shè)計有可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，采用合理的控制策略對STATCOM的工作性能至關(guān)重要。

論文采用了前饋解耦的控制策略[10-14]，給出了STATCOM的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，并通過仿真針對電壓補(bǔ)償?shù)男Чc傳統(tǒng)PI控制策略進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用前饋解耦控制策略設(shè)計的STATCOM滿足電壓補(bǔ)償要求且比傳統(tǒng)PI控制策略具有響應(yīng)速度快，有功電流和無功電流可獨(dú)立調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，滿足STATCOM應(yīng)用于風(fēng)電場的電壓控制要求，具有很好的工程應(yīng)用前景。

1 STATCOM系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

STATCOM接入系統(tǒng)的單相等效電路如圖1所示。

圖1 STATCOM接入系統(tǒng)的單相等效電路圖

圖1中，R、L分別為連接電抗器的等效電阻和電感，C為直流側(cè)電容，Upcc為公共連接點(diǎn)電壓，e和i分別表示STATCOM逆變器輸出電壓和電流，iL表示負(fù)載電流。

假設(shè)三相電網(wǎng)電壓是平衡的，利用圖1所示的STATCOM接入系統(tǒng)的單相等效電路在只考慮基波成分的條件下，建立同步坐標(biāo)系 STATCOM的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)基爾霍夫電壓定律在三相靜止坐標(biāo)系中建立 STATCOM 的數(shù)學(xué)模型如(1)式所示。其中，ua、ub、uc為電網(wǎng)PCC點(diǎn)的瞬時電壓，ia、ib、ic和ea、eb、ec分別為 STATCOM 交流側(cè)的瞬時電流和瞬時電壓。

把三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型(1)通過空間矢量變換理論變換為兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

對式(2)進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)變換，可得系統(tǒng)在兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

其中，ω為配電網(wǎng)的基波角頻率。

對式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換后得到的STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 STATCOM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由以上分析可以看出，電流內(nèi)環(huán)存在耦合現(xiàn)象，不利于有功電流和無功電流的獨(dú)立控制，影響裝置的響應(yīng)速度和補(bǔ)償性能。

2 STATCOM前饋解耦控制策略

前饋解耦控制策略是建立在STATCOM同步坐標(biāo)模型上的一種雙閉環(huán)控制策略，利用前饋解耦控制實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的解耦控制。將式(3)調(diào)整后寫成矩陣形式的狀態(tài)方程為：

當(dāng)采用前饋解耦控制策略時，

可得ed、eq的控制方程為：

將式（7）代入式（3）得：

由上式(8)可知，通過前饋解耦控制策略可以實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)有功電流和無功電流的控制互不影響，即實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)解耦控制，從而降低控制系統(tǒng)的設(shè)計難度，便于電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計。相應(yīng)的電流內(nèi)環(huán)控制器原理圖如圖3所示。

圖3 電流內(nèi)環(huán)前饋解耦控制原理圖

3 指令信號的獲取

STATCOM 在進(jìn)行電壓實(shí)時補(bǔ)償時系統(tǒng)存在的各種損耗使得直流電壓產(chǎn)生大的波動而使補(bǔ)償系統(tǒng)無法正常工作。因此必須采取措施使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定在正常范圍之內(nèi)。論文采用直流側(cè)電容電壓的參考值與實(shí)際測量值比較后產(chǎn)生的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后形成有功電流指令值，然后通過裝置與交流系統(tǒng)進(jìn)行有功交換的措施，如圖4所示。

圖4 直流側(cè)電壓PI調(diào)節(jié)

STATCOM 直接控制交流側(cè)向公共連接點(diǎn)（PCC）注入或者吸收滿足要求的無功電流可以使公共連接點(diǎn)處的電壓幅值維持恒定，有效的解決電壓波動和不穩(wěn)定問題。論文中STATCOM電壓外環(huán)采用傳統(tǒng) PI控制策略時的控制原理圖如圖5所示。公共連接點(diǎn)電壓指令值與實(shí)際測量值的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后形成無功指令電流信號。

圖5 交流側(cè)電壓PI調(diào)節(jié)

綜合電流內(nèi)環(huán)前饋解耦和電壓外環(huán)控制，可得STATCOM雙閉環(huán)控制原理圖。如圖6所示。圖中STATCOM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)包含了4個控制器：內(nèi)環(huán)d軸電流跟蹤控制器和外環(huán)直流側(cè)電壓控制器，內(nèi)環(huán)q軸電流跟蹤控制器和外環(huán)PCC電壓控制器。

4 仿真分析

4.1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

STATCOM 裝置在閉環(huán)并網(wǎng)用于電壓補(bǔ)償時的目的是維持公共連接點(diǎn)電壓和直流側(cè)電容電壓為各自的參考值。論文采用 Matlab仿真軟件對采用前饋解耦控制策略和采用傳統(tǒng) PI控制策略時STATCOM公共連接點(diǎn)電壓波形和直流側(cè)電容兩端的電壓波形分別進(jìn)行了比較分析。通過仿真對比分析驗(yàn)證STATCOM的前饋解耦控制策略的正確性和有效性。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

4.2 有功/無功解耦性能分析

通過有功電流和無功電流的階躍響應(yīng)驗(yàn)證在采用前饋解耦策控制器時對有功電流與無功電流的獨(dú)立控制，先設(shè)定有功電流和無功電流為一定值，在某個時間令有功電流突變，通過波形分析看是否影響無功電流。如圖7所示，圖a)中令id=0，iq=1，在時間0.05s時令iq突變?yōu)?，從圖b)可以看出，在iq突變時，保持id為0不變。圖7說明采用前饋解耦策控制器時，無功電流的突變對有功電流沒有影響，能實(shí)現(xiàn)無功電流與有功電流的獨(dú)立控制。

4.3 控制性能分析

為了驗(yàn)證控制器的控制性能，仿真過程中通過無功負(fù)荷的投切來模擬公共連接點(diǎn)電壓和直流側(cè)電壓的波動現(xiàn)象。

圖8給出了在t=0.2 s時突加無功負(fù)荷情況時兩種控制策略下公共連接點(diǎn)a相電壓的波形，在t=0.5 s時，去除無功負(fù)荷的影響使電壓恢復(fù)到原來的水平。從圖8中可以看出，在電壓突變時，采用解耦控制策略時的電壓波動比采用傳統(tǒng)的PI控制時較小，電壓更穩(wěn)定，說明解耦控制比傳統(tǒng)的PI控制具有更好的動態(tài)性能。

圖9給出了直流側(cè)電壓udc的波形，從圖9中可以看出，與采用傳統(tǒng)的PI控制策略相比，采用解耦控制策略時，直流側(cè)電壓超調(diào)量小，響應(yīng)速度快。在t=0.2 s至t=0.5 s無功負(fù)荷引起公共連接點(diǎn)電壓下降時，盡管兩種策略都會引起直流側(cè)電容兩端電壓的波動，但這種波動的幅度并不大,且采用解耦控制策略的時的直流側(cè)電容電壓波動更小。

5 結(jié)論

通過對系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的分析獲得了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，針對該系統(tǒng)存在的耦合性設(shè)計了STATCOM 的前饋解耦控制系統(tǒng)。采用前饋解耦控制策略實(shí)現(xiàn)有功電流和無功電流的解耦控制，建立了STATCOM的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真比較。仿真結(jié)果表明，采用前饋解耦控制后，PCC點(diǎn)電壓和直流側(cè)電壓都能及時、有效地調(diào)整到期望值，且與傳統(tǒng)PI控制系統(tǒng)相比，抗擾性能明顯，具有超調(diào)量更小、響應(yīng)速度更快等優(yōu)良的動態(tài)性能，滿足STATCOM應(yīng)用于風(fēng)電場的電壓控制要求，具有很好的工程應(yīng)用前景。

[1]賈嘉斌,袁佳歆,姜芳芳,等. 基于離散滑?？刂频腄STATCOM的研究[J]. 高電壓技術(shù)，2004, 30（8）：50-55.

[2]朱永強(qiáng),劉文華,宋 強(qiáng),等. DSTATCOM 不平衡負(fù)荷補(bǔ)償電流的優(yōu)化設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2005,29(8):65-70.

[3]許樹楷,宋 強(qiáng),劉文華,等. 配電系統(tǒng)大功率交流電弧爐電能質(zhì)量問題及方案治理研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2007，27(19):93-98.

[4]許樹楷,宋 強(qiáng),朱永強(qiáng),等. 用于不平衡補(bǔ)償?shù)淖儔浩鞲綦x型鏈?zhǔn)?D-STATCOM的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2006, 26(9):137-143.

[5]唐杰，王躍球，羅安.基于DSP的配電靜止無功發(fā)生器控制系統(tǒng)[J]. 低壓電器，2008,1：48-51.

[6]張博.靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）控制方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 鄭州大學(xué)，2012.

[7]唐杰,羅安,周柯.靜止同步補(bǔ)償器電壓控制器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2006，21（8）：103-106.

[8]唐杰，王躍球，尹進(jìn)田，等.配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償?shù)臒o電流傳感器電壓控制策略[J]. 電力自動化設(shè)備，2009, 29（2）：29-34.

[9]唐杰,羅安,歐劍波，等. 靜止同步補(bǔ)償器的模糊自適應(yīng)PI控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（2）：120-126.

[10]湯賜，羅安.配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的前饋解耦控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2010,30（6）：40-43.

[11]李正熙，鄭春雨，樊生文.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的前饋解耦控制[J]. 北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，23（1）：56-59.

[12]丁奇，嚴(yán)東超，曹啟蒙.三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)設(shè)計方法的研究[J]. 2009, 37(23):84-88.

[13]王光政,平增,張娟,韓永杰.配電網(wǎng)靜止無功補(bǔ)償器的解耦控制策略[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2013, 13(21):6256-6259.

[14]楊承上.電網(wǎng)電壓含諧波情況下 STATCOM 的控制[D]. 浙江大學(xué)，2013.