風電場中級聯STATCOM直流側電壓控制方法

李圣清 徐文祥 栗偉周 曾歡悅

（湖南工業大學電氣與信息工程學院 株洲 412008）

1 引言

級聯 STATCOM投入到風電場中可以有效地穩定風電場并網電壓，提高風電場低電壓穿越能力，具有非常廣闊的應用前景。文獻[1]介紹了應用STATCOM 技術可以改善風電場的電能質量和提高風電場穩定性。然而級聯 STATCOM各逆變橋直流側相互獨立，其直流側電壓難以平衡，特別在電壓波動比較劇烈的風電場中，其直流側電壓的不平衡將更加嚴重，直接危及到裝置安全穩定運行，故迫切需要對其直流側電壓進行平衡控制。文獻[2]指出逆變橋并聯損耗、開關損耗以及開關器件觸發脈沖的微小差異是造成穩態電容電壓不平衡的主要原因。

目前，已有一些文獻針對級聯STATCOM的直流側電壓均衡提出了相應的控制方法[3-13]。文獻[3]通過分布式控制來均壓，該方法在閉環控制下耦合性低，便于鏈節擴展。文獻[4-6]提出通過外部能量交換的直流電壓平衡控制方法，該方法可以簡化控制程序的算法，但需要額外的硬件電路和控制系統，無疑增加了系統的成本和復雜性。文獻[7, 8]通過調節各單元逆變器的移相角來實現電壓平衡，但對于大容量逆變器，該移相角較小，改變移相角容易造成系統的不穩定。文獻[9, 10]通過選擇合適的冗余矢量均壓，將閥組內直流側電壓高（低）的開關狀態與直流側電壓降低（升高）的開關狀態進行交換，改變電容的充放電時間以改變其電容電壓的大小，該方法易于實現，所需硬件資源少，但算法較為復雜。文獻[11, 12]提出通過疊加一個與電流同相位或者反相位的有功電壓矢量來平衡直流側電壓，該方法在實用的同時又受到穩定工作區域的限制。

本文提出通過有功功率均等分配來控制級聯STATCOM 直流側電壓平衡，特別適合在風電場這種電壓波動比較劇烈的場合，響應速度快、控制特性好、輸出電壓的諧波含量少，便于模塊化設計。

2 風電場中級聯STATCOM的數學模型

風電場中級聯STATCOM主電路拓撲如圖1所示，通過將級聯STATCOM并聯在風電場的出口來穩定其輸出電壓，保證風電場并網穩定運行。設各開關器件工作在理想狀態下，連接電抗為LS，各類電阻之和為 RS，系統電壓分別為 usa、usb、usc，級聯 STATCOM 輸出電壓分別為 uca、ucb、ucc，補償電流分別為ica、icb、icc。

圖1 風電場中級聯STATCOM的主電路Fig.1 The main circuit of cascade STATCOM in wind farm

根據圖1可以得到級聯STATCOM的單相等效電路模型的數學表達式為

對式（1）進行解耦變換[14-16]可得

3 有功功率均等分配的直流側電壓控制

3.1 系統總體控制

級聯STATCOM系統控制框圖如圖2所示。通過解耦控制分離有功、無功分量，實現有功、無功總體控制，然后利用模塊控制器實現對各模塊直流側電壓的平衡控制。udcref為模塊額定直流電容電壓，udc為各模塊實際直流電容電壓的平均值，通過調節有功指令電流，改變系統吸收有功功率的大小來給直流側電容充電。

圖2 級聯STATCOM系統控制框圖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為各模塊交流側輸出電壓；α為移相角。

又因為

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

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

為了保證系統穩定，從級聯STATCOM的控制特性入手，考慮到在四象限下的分析結果大致相同，以下主要以感性工況為例，由式（4）知可以通過調節各模塊交流側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改變其與電流的夾角，該方法耦合性低，穩定性好。

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，可以看出該方法會造成系統的不穩定，控制器參數設計也較為復雜。

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電壓平衡

基于上述分析，本文采用調節各模塊輸出電壓的方法來調節對應有功功率的大小，最終達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個模塊級聯，ucd1, …, ucdN為各模塊輸出電壓的有功分量，若各直流側電容電壓平衡，則有ΔP=ΔP1=ΔP2=…=ΔPN，則各模塊交流側吸收的有功功率為 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 分層協調控制

主要采用分層協調控制的思想。中央處理器實現雙閉環的上層解耦控制算法，包括總的有功、無功控制以及鎖相環控制等等，實現對級聯STATCOM的系統總體控制。

下層采用模塊控制器對每個級聯模塊進行單獨控制，中央處理器將所得信息傳遞到各模塊控制器中，同時各模塊控制器將獲得的信息傳遞給中央處理器，實現資源共享的同步分層協調控制。對于 N模塊級聯的 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，最后得到每個單相級聯模塊交流側需要合成的電壓波形，實現有功功率均等分配控制。具體控制框圖如圖6所示。

圖6 分層協調控制框圖Fig.6 The hierarchical coordination control diagram

4 仿真與實驗分析

4.1 仿真

利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建圖1的系統仿真模型，仿真參數見下表。

圖7為平衡前后A相直流側電壓波形。由圖7a可以看出，只有上層控制時各模塊直流側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電壓波形，其直流側電壓基本趨于一致，穩定在給定值 250V左右。由此看出該控制方法可以有效地穩定級聯STATCOM的直流側電容電壓，達到很好的平衡效果。

表 系統仿真參數Tab Main simulation parameters

圖7 直流側電容電壓波形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，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為風電場并網的出口電壓波形，將電網電壓分別由 1.00(pu)跌落到 0.90(pu)再恢復到 1.00(pu)，由 1.00(pu)上升到 1.10(pu)再恢復到 1.00(pu)。可以看出，圖9a為只有上層控制時風電場出口電壓波形，可以看出，該級聯STATCOM可以將風電場的出口電壓由 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，該級聯 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聯STATCOM風電場出口電壓穩定性的能力，保證風電場并網安全穩定運行。

圖9 風電場出口電壓波形Fig.9 The waveforms of wind farms export voltage

4.2 實驗

級聯STATCOM每相采用3個H橋串聯而成，主電路采用三角形聯結，系統電壓為220V，直流側電容電壓參考值為 80V，控制系統為基于 DSP F2812的STATCOM控制器，主要實現控制算法，產生脈沖觸發信號等功能。圖10顯示為只有上層控制和加入平衡控制兩種情況下A相各模塊直流側電壓波形。可以看出，不加平衡控制時，A相各模塊直流側電壓差異較為明顯，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%。實驗證明了該控制方法的有效性。

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

5 結論

本文通過分析風電場中級聯STATCOM的數學模型，就其直流側電壓難以平衡問題，提出有功功率均等分配的控制方法來平衡級聯STATCOM各橋直流側的電容電壓，該方法響應速度快、平衡效果好，特別適合應用于風電場這種波動比較明顯的場合，保證風電場并網電壓穩定性，提高風電場低電壓穿越能力。理論分析和仿真結果表明：該方法可以有效解決級聯STATCOM中直流側電容電壓的平衡問題，輸出電壓諧波含量少，具有較高的工程實用價值。

[1]范高峰, 遲永寧, 趙海翔, 等.用 STATCOM 提高風電場暫態電壓穩定性[J].電工技術學報,2007,22(11): 158-16 2.Fan Gaofeng, Chi Yongning, Zhao Haixiang, et al.Transient voltage stability enhancement of wind farm using STATCOM[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(11): 158-16 2.

[2]耿俊成, 劉文華, 俞旭峰, 等.鏈式 STATCOM 的數學模型[J].中國電機工程學報,2003,23(6):66-70.Geng Juncheng, Liu Wenhua, Yu Xufeng, et al.Modeling of cascade STATCOM[J].Proceedings of the CSEE,2003,23(6): 66-70.

[3]宮力, 康勇, 陳晶晶.鏈式 STATCOM 直流電容電壓分布式控制[J].電工技術學報,2011,26(10):217-22 3.Gong Li, Kang Yong, Chen Jingjing.DC capacitor voltage distributed control system for cascaded multilevel STATCOM[J].Transactions of China Electro-technical Society,2011,26(10): 217-22 3.

[4]Woodhouse M L, Donoghue M W, Osbome M M.Type testing of the GTO valves for a novel STATCOM converter[C].7th International Conference on AC-DC Power Transmission, London, United Kingdom,2001.

[5]Akagi H, Inoue S, Yoshii T.Control and performance of a transformer-less cascade PWM STATCOM with star configuration[J].IEEE Transations on Industry Applications,2007, 43(4): 1041-1049.

[6]劉文華, 宋強.基于鏈式逆變器的±50Mvar靜止同步補償器的直流電壓平衡控制[J].中國電機工程學報,2004,24(2): 145-150.Liu Wenhua, Song Qiang, Teng Letian, et al.Balancing control of DC voltage of 50Mvar STATCOM based on cascade multilevel inverters[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(2): 145-150.

[7]Liang Yiqiao, Nwankpa C O.A new type of STATCOM based on cascading voltage-source inverters with phase shifted unipolar STATCOM[J].IEEE Transations on Industry Applications, 1999,35(5): 1919-1927.

[8]Yidan Li, Bin Wu.A novel DC voltage detection technique in the CHB inverter based STATCOM[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2008,23(3):1613-1619.

[9]Song Q, Liu W, Yuan Z.Multilevel optimal modulation and dynamic control strategies for STATCOM using cascaded multilevel inverters [J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(3):1937-1946.

[10]袁志昌, 宋強, 滕樂天, 等.大容量鏈式STATCOM 150Hz優化 PWM 控制策略的研究[J].電工技術學報,2004, 19(8): 83-87.Yuan Zhichang, Song Qiang, Teng Letian, et al.150Hz optimal PWM control for high-power STATCOM employing cascade multilevel inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2004, 19(8): 83-87.

[11]Barrena J A, Marroyo L, Vidal M A R, et al.Individual voltage balancing strategy for PWM cascaded H-bridge converter based STATCOM[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(l): 21-29.

[12]劉釗, 劉邦銀, 段善旭, 等.鏈式靜止同步補償器的直流電容電壓平衡控制[J].中國電機工程學報,2009,29(30): 7-1 2.Liu Zhao, Liu Bangyin, Duan Shanxu, et al.capacitor voltage balancing control for cascade multilevel STATCOM[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(30): 7-1 2.

[13]陶興華, 李永東, 孫敏.一種H橋級聯型PWM整流器的直流母線電壓平衡控制新方法[J].電工技術學報,2011,26(8): 85-90.Tao Xinghua, Li Yongdong, Sun Min.A novel DC-link voltages balancing control method for cascaded H-Bridge rectifier[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(8): 85-90.

[14]江道灼, 張振華.單相 H橋級聯靜止同步補償器反饋線性化解耦控制[J].電網技術,2011, 35(17):74-79.Jiang Daozhuo, Zhang Zhenhua.Control scheme of decoupled state feedback linearization of single phase H-bridge cascaded STATCOM[J].Power System Technology,2011, 35(17): 74-79.

[15]Han Chong, Yang Zhaoning, Chen Bin, et al.Evaluation of cascade multilevel converter based STATCOM for arc furnace flicker mitigation[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2007, 43(2):378-385.

[16]Cheng Ying, Qian Chang, Mariesa L C, et al.A comparison of diode-clamped and cascaded multilevel converter for a STATCOM with energy storage[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2006,53(5): 1512-1521.