風電場中靜止同步補償器的前饋解耦控制

耿運濤，唐杰，王璐

（邵陽學院，湖南邵陽 422000）

0 前言

隨著風電資源的開發利用，風電并網所帶來的諧波污染、電壓波動及閃變等配電網電能質量問題無論是對配電網本身的安全、穩定、經濟運行，還是對配電網中的敏感負荷都會造成重要的影響，成為了制約風電資源開發的嚴重障礙。因此必須采取一定的措施使供電電壓維持穩定。

靜止同步補償器( STATCOM ) 是一種重要的基于電力電子器件的“用戶電力”裝置, 能綜合治理配電網中的多種電能質量問題[1-5]。STATCOM 通過適當地調節逆變橋交流側輸出電壓的相位和幅值或直接控制交流側電流就可以調節公共連接點（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定問題。STATCOM 具有的動態響應速度快,能夠連續調節,裝置損耗低、體積小等優點,使其性能優越于傳統電壓質量控制裝置，是一種治理風電場電能質量的有效方法。

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 PI控制策略實現雙閉環控制時存在很多不足：電流內環存在的耦合現象使得有功電流和無功電流不能獨立控制，影響裝置的響應速度和補償性能。且雙閉環控制系統采用的4個相互影響PI控制器，給控制器的設計帶來了困難，其參數的不當設計有可能引起系統的不穩定。因此，采用合理的控制策略對STATCOM的工作性能至關重要。

論文采用了前饋解耦的控制策略[10-14]，給出了STATCOM的雙閉環控制結構，并通過仿真針對電壓補償的效果與傳統PI控制策略進行比較。實驗結果表明采用前饋解耦控制策略設計的STATCOM滿足電壓補償要求且比傳統PI控制策略具有響應速度快，有功電流和無功電流可獨立調節的優點，滿足STATCOM應用于風電場的電壓控制要求，具有很好的工程應用前景。

1 STATCOM系統數學模型

STATCOM接入系統的單相等效電路如圖1所示。

圖1 STATCOM接入系統的單相等效電路圖

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表示負載電流。

假設三相電網電壓是平衡的，利用圖1所示的STATCOM接入系統的單相等效電路在只考慮基波成分的條件下，建立同步坐標系 STATCOM的數學模型。根據基爾霍夫電壓定律在三相靜止坐標系中建立 STATCOM 的數學模型如(1)式所示。其中，ua、ub、uc為電網PCC點的瞬時電壓，ia、ib、ic和ea、eb、ec分別為 STATCOM 交流側的瞬時電流和瞬時電壓。

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

對式(2)進行同步旋轉變換，可得系統在兩相旋轉d-q坐標系下的數學模型：

其中，ω為配電網的基波角頻率。

對式(3)進行拉普拉斯變換后得到的STATCOM系統結構圖如圖2所示。

圖2 STATCOM系統結構圖

由以上分析可以看出，電流內環存在耦合現象，不利于有功電流和無功電流的獨立控制，影響裝置的響應速度和補償性能。

2 STATCOM前饋解耦控制策略

前饋解耦控制策略是建立在STATCOM同步坐標模型上的一種雙閉環控制策略，利用前饋解耦控制實現電流內環的解耦控制。將式(3)調整后寫成矩陣形式的狀態方程為：

當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電流內環有功電流和無功電流的控制互不影響，即實現電流內環解耦控制，從而降低控制系統的設計難度，便于電流調節器的設計。相應的電流內環控制器原理圖如圖3所示。

圖3 電流內環前饋解耦控制原理圖

3 指令信號的獲取

STATCOM 在進行電壓實時補償時系統存在的各種損耗使得直流電壓產生大的波動而使補償系統無法正常工作。因此必須采取措施使得直流側電壓穩定在正常范圍之內。論文采用直流側電容電壓的參考值與實際測量值比較后產生的差值經過PI調節后形成有功電流指令值，然后通過裝置與交流系統進行有功交換的措施，如圖4所示。

圖4 直流側電壓PI調節

STATCOM 直接控制交流側向公共連接點（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定問題。論文中STATCOM電壓外環采用傳統 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PI調節后形成無功指令電流信號。

圖5 交流側電壓PI調節

綜合電流內環前饋解耦和電壓外環控制，可得STATCOM雙閉環控制原理圖。如圖6所示。圖中STATCOM雙閉環控制系統包含了4個控制器：內環d軸電流跟蹤控制器和外環直流側電壓控制器，內環q軸電流跟蹤控制器和外環PCC電壓控制器。

4 仿真分析

4.1 系統仿真參數

STATCOM 裝置在閉環并網用于電壓補償時的目的是維持公共連接點電壓和直流側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 PI控制策略時STATCOM公共連接點電壓波形和直流側電容兩端的電壓波形分別進行了比較分析。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。系統相關參數如表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突變為2，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荷的投切來模擬公共連接點電壓和直流側電壓的波動現象。

圖8給出了在t=0.2 s時突加無功負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，去除無功負荷的影響使電壓恢復到原來的水平。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的PI控制時較小，電壓更穩定，說明解耦控制比傳統的PI控制具有更好的動態性能。

圖9給出了直流側電壓udc的波形，從圖9中可以看出，與采用傳統的PI控制策略相比，采用解耦控制策略時，直流側電壓超調量小，響應速度快。在t=0.2 s至t=0.5 s無功負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電容電壓波動更小。

5 結論

通過對系統電路結構的分析獲得了系統的數學模型，針對該系統存在的耦合性設計了STATCOM 的前饋解耦控制系統。采用前饋解耦控制策略實現有功電流和無功電流的解耦控制，建立了STATCOM的雙閉環控制系統，并與傳統PI控制系統進行仿真比較。仿真結果表明，采用前饋解耦控制后，PCC點電壓和直流側電壓都能及時、有效地調整到期望值，且與傳統PI控制系統相比，抗擾性能明顯，具有超調量更小、響應速度更快等優良的動態性能，滿足STATCOM應用于風電場的電壓控制要求，具有很好的工程應用前景。

[1]賈嘉斌,袁佳歆,姜芳芳,等. 基于離散滑模控制的DSTATCOM的研究[J]. 高電壓技術，2004, 30（8）：50-55.

[2]朱永強,劉文華,宋 強,等. DSTATCOM 不平衡負荷補償電流的優化設計[J].電力系統自動化，2005,29(8):65-70.

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

[4]許樹楷,宋 強,朱永強,等. 用于不平衡補償的變壓器隔離型鏈式 D-STATCOM的研究[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(9):137-143.

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

[6]張博.靜止同步補償器（STATCOM）控制方法的研究與實現[D]. 鄭州大學，2012.

[7]唐杰,羅安,周柯.靜止同步補償器電壓控制器的設計與實現[J]. 電工技術學報， 2006，21（8）：103-106.

[8]唐杰，王躍球，尹進田，等.配電網靜止同步補償的無電流傳感器電壓控制策略[J]. 電力自動化設備，2009, 29（2）：29-34.

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

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

[11]李正熙，鄭春雨，樊生文.風力發電并網逆變器的前饋解耦控制[J]. 北方工業大學學報，2011，23（1）：56-59.

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

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

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