風(fēng)電場中靜止同步補(bǔ)償器的前饋解耦控制

耿運濤，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（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,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。實驗結(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立調(diào)節(jié)的優(yōu)點，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（PCC）注入或者吸收滿足要求的無功電流可以使公共連接點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。公共連接點電壓指令值與實際測量值的誤差經(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，能實現(xiàn)無功電流與有功電流的獨立控制。

4.3 控制性能分析

為了驗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。

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