應用于風電場的D-STATCOM控制器設計

劉 貝，唐 杰，耿運濤，楊 允

（湖南邵陽學院電氣工程系，湖南 邵陽 422000）

0 引言

分布式發電是解決能源緊缺與能源需求增加矛盾的有效途徑[1-3]。分布式發電一般以風能、太陽能、生物質能等可再生能源為原料，與傳統的以煤炭、石油等不可再生能源作為原料的火力發電相比，分布式發電具有清潔環保、投資小、靈活性高等特點，越來越受到人們的關注。風力發電作為一種發展較為成熟的發電方式備受關注，其裝機容量也在逐年增加。然而，一方面風能所具有的隨機性和間歇性，使風力發電的輸出功率具有波動性，大量的風機并網后，對所接入配電網的穩定性、電能質量，尤其是電壓質量產生了嚴重的影響。配電網的電壓暫降、電壓波動與閃變等電壓質量問題也隨之變得更加嚴重。另一方面分布式電源在并網的過程中，由于大量電力電子裝置如逆變器、整流器等的投入使用，也使得配電網的電能質量進一步惡化。因此，由于以上原因造成的電能質量問題對風力發電的發展帶來了不利影響，必須在含有風力發電分布式電源的配電網中裝設電能質量治理裝置，提高配電網的供電質量和供電可靠性。

配電網靜止同步補償器（D-STATCOM）可以治理風電場電壓跌落、電壓波動與閃變等電能質量問題[4-6]。D-STATCOM具有補償時間快、可連續補償、裝置損耗低、體積小、精準控制電壓、具有自適應功能等優點，所以D-STATCOM的工作性能比傳統電壓質量控制裝置具有更多的優勢，因此，D-STATCOM是一種治理風電場電壓質量問題的有效裝置。針對D-STATCOM數學模型非線性、強耦合的特性，結合風電場的實際情況，論文提出了一種基于非線性PI控制和前饋解耦控制相結合的雙閉環控制策略，并設計出了以TMS320F2812系列DSP為核心的D-STATCOM電壓控制器，同時給出了原理樣機治理電壓質量的實驗結果。

1 風電場用D-STATCOM的系統構成

風電場用D-STATCOM裝置的系統構成結構圖如圖1所示，裝置由主電路、控制電路、驅動電路和緩沖電路構成。圖1中，us為電網電壓，Upcc為公共連接點電壓，Udc為D-STATCOM直流側電容電壓，ic為D-STATCOM交流側輸出電流。D-STATCOM主電路選用VSI-SPWM的拓撲結構，電路中功率開關器件選用IGBT，逆變器與電抗器串聯后并入電網。D-STATCOM的控制系統以DPS處理器為核心，具有電壓/電流檢測、控制和形成觸發脈沖等功能。風電場用D-STATCOM裝置主要用于治理電壓，其控制系統的作用就是采用既定的控制策略發出滿足補償要求的觸發脈沖用以控制主電路功率開關器件IGBT。信號調理電路由數字和模擬電子電路組成，具有使電流電壓信號放大、反向等功能。工控機主要用來儲存數據，直觀、實時地顯示電氣參量等。

圖1 D-STATCOM裝置系統構成

2 電壓控制策略

風電場中D-STATCOM用于治理電壓質量問題時要求具有很好的動態性能，而控制器作為靜止同步補償器的關鍵部分，直接影響到D-STATCOM的運行性能。針對D-STATCOM數學模型非線性、強耦合的特性，結合風電場的實際情況，提出了一種基于非線性PI控制和前饋解耦控制相結合的雙閉環控制策略[7-10]。在控制策略中，電壓外環采用非線性PI控制，可以提高電壓外環控制器的快速性和穩定性能；電流內環采用前饋解耦控制，有效地解決有功電流和無功電流的耦合現象，實現有功電流和無功電流的獨立控制。論文提出的風電場用D-STATCOM控制器的電壓控制策略結構圖如圖2所示。

D-STATCOM電壓控制系統采用雙閉環控制結構，對于電壓外環，公共連接點電壓反饋值Upcc與其給定值U*pcc做比較，產生的誤差經非線性PI調節器后形成無功電流指令值iq*；直流側電容電壓反饋值Udc與其給定值U*dc做比較，產生的誤差經非線性PI調節器后形成有功電流指令值id*。而無功電流指令值iq*和有功電流指令值id*則作為電流內環的輸入。逆變器輸出交流電流ia、ib、ic經d-q變換所得的直流分量分別為id、iq。公共連接點三相電壓ua、ub、uc經d-q變換所得的直流分量分別為ud、uq。對于電流內環，有功電流指令值id*與id做比較，產生的差值經PI調節后與ud以及iq的耦合值做比較得到ed；無功電流指令值iq*與iq做比較，產生的差值經PI調節后與uq以及id的耦合值做比較得到eq。ed、eq經過dq/abc變換后的信號經過PWM波產生電路，生成3對互補的6路PWM信號PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。

3 基于DSP的D-STATCOM控制系統設計

3.1 控制系統硬件結構

基于上述控制策略的D-STATCOM控制系統框圖如圖3所示，整個控制系統由TMS320F2812系列DSP及其外圍電路、電壓/電流采集電路、電壓/電流信號調理電路、過壓保護電路、過溫保護電路等幾部份構成。

圖2 D-STATCOM電壓控制策略結構圖

圖3 D-STATCOM控制系統框圖

D-STATCOM控制系統為基于TMS320F2812的數字控制系統，控制系統的主要功能是根據電壓補償要求，采用論文提出的電壓控制策略發出滿足補償要求的觸發脈沖用以控制主電路功率開關器件IGBT。

TMS320F2812內置ADC模塊有16個通道，但由于其數據分辨率只有12位，采樣精度不足，控制效果不夠理想，因此，裝置通過采用外置AD芯片AD7656獲得采樣數據。AD7656是高集成度、6通道、16位、逐次逼近(SAR)型ADC，可采樣±10V范圍內的信號，不需要對采樣信號進行抬升；同時，它的最高采樣率為250kSPS，且芯片內置一個2.5 V內部基準電壓源以及一個基準緩沖器；此外，AD7656還包含一個寬帶采樣保持放大器(T/H)，其作用在于得到使計算更為準確的同一時刻的各路模擬信號。

控制系統中的電壓/電流采集電路用來實時采集逆變器直流側電壓、公共連接點電壓、電網電壓、逆變器輸出側電流，為DSP提供準確的電壓/電流信號。A相捕獲電路的作用是捕獲A相電網電壓的過零時刻，提供同步信號給軟件鎖相環，從而為逆變器的信號輸出提供相位標準。信號調理電路由數字和模擬電子電路組成，具有使電流電壓信號放大、反向等功能，在具體實施中，信號調理電路往往集成在DSP控制板上。此外，保護模塊為系統的穩定和安全運行提供了快速穩定的保護作用。在論文的控制系統設計中，采用了硬件和軟件相結合的雙重保護，主要包括過溫保護、輸出過流保護、直流側電壓保護、IGBT故障保護等幾種保護。

3.2 控制系統軟件功能模塊

控制系統以DSP處理器為核心，控制系統的軟件功能模塊結構如圖4所示，整個控制器的軟件功能模塊主要包括采樣模塊、補償信號檢測模塊、控制模塊、觸發脈沖形成模塊、故障檢測與保護模塊。DSP首先控制采樣模塊進行電壓、電流信號的采集，采樣完成之后DSP通過補償信號檢測模塊提取補償信號，然后DSP將補償信號提供給控制模塊，控制模塊執行包括非線性PI控制和解耦控制在內的控制算法，最后觸發脈沖形成模塊對控制模塊產生的控制信號進行處理生成3對6路互補的PWM調制信號。同時，DSP通過故障檢測與保護模塊為控制系統提供軟件保護，防止對控制系統造成損害。

圖4 控制系統軟件功能模塊結構圖

4 實驗結果

為了驗證論文設計的基于DSP的D-STATCOM控制器的電壓控制性能，將控制器應用于實驗室的D-STATCOM實驗樣機，并進行實驗。在實驗過程中，不啟動D-STATCOM裝置時，在某一時刻將感性無功負荷柜投入運行，從工控機中觀察此過程中公共連接點（PCC）電壓波形，實驗波形如圖5(1)所示。然后啟動D-STATCOM裝置重復進行同樣的實驗，觀察實驗過程中公共連接點電壓波形，實驗波形如圖5(2)所示。

從圖5可以看出，當D-STATCOM投運后，D-STATCOM對公共連接點電壓有很好的補償作用，且其響應時間略大于一個周波，證明所設計的控制器是有效的、可行的。

5 結論

針對風電場存在的電壓暫降、電壓波動與閃變等電壓問題，提出的一種基于DSP的D-STATCOM控制器的設計方案，給出了D-STATCOM控制器的軟、硬件設計。實驗結果表明，論文提出的D-STATCOM控制器設計方案，能夠有效地解決風電場電壓暫降、電壓波動與閃變等問題，滿足D-STATCOM電壓控制要求，能夠提高風電場的安全穩定運行能力，具有較好的工程應用前景。

圖5 D-STATCOM投運前后PCC電壓波形

[1]黨存祿,吳青峰．分布式電源對配電網電能質量的影響及其改善[J]．電力電子技術2013,47(11):58-60．

[2]蘇劍,周莉梅,李蕊．分布式光伏發電并網的成本/效益分析[J]．中國機電工程學報,2013,33(34):50-56．

[3]楊洋,駱曉菲,艾芊．分布式電源接入對智能電網的影響[J]．低壓電器,2011,(1):30-34．

[4]陳仲偉,鄒旭東．帶儲能的雙饋風力發電系統控制策略[J]．電力系統自動化,2014,38(18):1-6．

[5]劉繞龍,馬小平,張課．一種STATCOM控制器的設計[J]．工礦自動化2012,(1):59-62．

[6]付文秀，范春菊．SVG在雙饋風力發電系統電壓無功控制中的應用[J]．電力系統保護與控制,2015,43(3):61-68．

[7]張伊潔，莫伊．一種基于非線性PI的DSTATCOM串級解耦控制策略[J].低壓電器,2012,(1):56-60．

[8]廖柏林．一種新型非線性PI控制器的設計及其仿真[J].吉首大學學報:自然科學版,2013,34(4):46-49．

[9]李圣清,栗偉周．微網高滲透下配電網電能質量調節器定制[J]．低壓電器,2014,(8):53-57．

[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):40-44．