PV逆變器作為STATCOM在夜間調節風光儲系統電壓穩定性的研究

徐 群，李文升，崔力勃，姜 斌，程 濤

(國網山東青島供電公司經濟技術研究所 山東青島266002)

PV逆變器作為STATCOM在夜間調節風光儲系統電壓穩定性的研究

徐 群，李文升，崔力勃，姜 斌，程 濤

(國網山東青島供電公司經濟技術研究所 山東青島266002)

介紹了利用光伏和太陽能發電場作為柔性交流輸電系統控制器——靜態同步補償器。當太陽能發電廠在夜間不產生任何有功功率時，利用STATCOM調節公共耦合電壓。提出了一項控制技術，能夠提高風光儲系統接入配電網的穩定性，最后利用MATLAB/Simulink的仿真結果驗證了系統的可靠性。

靜態同步補償器 風光儲系統 配電網

0 引 言

當前，電網面臨的一個重大挑戰是在連接越來越多的以可再生能源為基礎的分布式發電機的同時，還要保證分布式發電機的穩定性、電壓的穩定調節以及電能的質量。通常情況下，夜間的饋線負載比白天低，而風電場由于風速的增加會產生更多電能，這可能會導致功率從公共耦合點反向流動，造成電網電壓高于允許的范圍。如果要連接更多的分布式發電機，配電網需要安裝昂貴的電壓調節裝置。電壓源逆變器是光伏系統中的重要部分，能夠在白天提供太陽能(正常運行)，在夜間幾乎不動作或者不產生任何輸出功率。因此，基于上述風光儲系統中出現的問題，本文提出使用現有的光伏逆變器作為STATCOM，調節在夜間由于間歇性電源或負載變化導致的電壓變化。

目前的控制方案主要用于光伏逆變器和功率控制。在風電場中，成百上千臺的兆瓦級風機正在驗證其應用的可靠性。變速恒頻雙饋風力發電機具有變速操作、四象限有功功率和無功功率的控制能力，低轉換成本、功率損失少等優點，已成為目前應用的主要類型(另一種是傳統的電磁感應發電機)。帶有儲能系統的風電系統并網結構圖如圖1所示。

圖1 帶有儲能系統的風電系統并網結構圖Fig.1Grid connected structure of wind power system with energy storage system

1 分布式發電的結構

圖2顯示了風力發電系統、儲能系統和光伏發電系統的連接結構圖。風電場以1個全控的整流器-逆變器為基礎的雙饋感應發電機建模，光伏發電廠以1個電壓源逆變器為基礎建模。

圖2 光伏逆變器作為儲能電池結構框圖Fig.2 Photovoltaic inverter as the structure of the energy storage battery

傳統的光伏發電廠在夜間基本無法動作，可以將光伏系統產生的太陽能直流電轉變為三相交流電的逆變器也無法動作。如圖2所示，光伏系統與電網相連的連接點被稱為公共連接點。圖2中的Vs和Is分別表示配電變壓器二次側的電壓和電流；Vpcc和Vl分別為公共連接點PCC和末端負荷提供的電壓支撐；表示經過光伏逆變器之后的電流，直流電流過儲能電池分別用ISF和Ibatt表示。儲能電池與光伏逆變器的直流側相連接，圖2中的開關S1的作用是在夜間關閉光伏發電系統并且使儲能裝置連接電網進行充電。

2 雙饋感應風力發電機

DFIG是雙饋感應風力發電機(Double Fed Induction Generator)的縮寫，其發電原理廣泛應用于風力發電機中。DFIG由1個具有多相繞組轉子和多相滑環組件的感應發電機組成，能夠充分避免多相滑環問題，但受其效率、成本和尺寸的約束性能較差。因而采用無刷繞線轉子的雙饋電機。

雙饋感應發電機的原理是：轉子繞組通過滑環和背靠背電壓源型變流器控制轉子和電網電流連接到電網。因此，轉子頻率可以不同于電網頻率(50,Hz或60,Hz)。采用變頻器控制轉子電流，可以調節有功功率和無功功率，并且定子能夠獨立控制發電機的轉速。使用的控制原理是兩個軸電流矢量控制和直接轉矩控制(DTC)。DTC已被證明比電流矢量控制具有更好的穩定性，在發電機需要無功電流的情況下尤為突出。

交流-直流-交流轉換器可分為兩個部分：轉子側變換器和網側變換器。電壓源轉換器使用強迫換向電力電子器件(IGBT)將直流側的直流電壓合成交流電壓。電容連接在直流側作為直流電壓源。耦合電感器LF可以連接到電網的電網側轉換器。三相轉子繞組連接到由滑環和刷子組成的轉子側變換器，三相定子繞組直接連接到電網。風力發電機獲得的電能由感應發電機轉換而成，由定子和轉子繞組傳遞到電網。

3 風力發電機建模

圖3是連接配電網中的一種常見的風力感應發電機——雙饋感應風力發電機的模型。感應發電機中繞線轉子上的定子連接到電網的低壓側，通過采用通用DC連接的PWM電壓源轉換器來調節三相電壓與繞子側的電壓。電網側的轉換器控制直流側的母線電壓和交流側的電流，并且允許系統在次同步和超同步的情況下運行。轉子勵磁由發電機的轉換器提供，通過矢量控制的方式控制定子和轉子上的有功功率和無功功率。

圖3 雙饋感應風力發電機Fig.3 Wind turbine driven DFIG

在定子磁鏈定向的參考系中，無功功率可通過控制d軸轉子電流來控制。在定子磁鏈定向控制中，定子和轉子是一種特殊的參考系。在穩定狀態下，參考軸的速度等于同步電機轉速。該模型被稱為動態矢量模型。

風機在旋轉空間中的主要變量是靜態空間中的磁鏈，[1]即將ω=ωr和帶入磁鏈方程中可以得到式1、式2、式3和式4。

通過磁鏈方程式可以計算出電流，電流由式5、式6、式7和式8表示：

對方程式8進行求解可以得到含有?mq和?md的方程式，如式9所示：

為了方便建模，[2]將上式分別分解在d軸、q軸和轉子方向上的分量。在d軸方向，方程式2、4、6、8和10參與計算，?qs、?q′r、iqs、iq′r和?qs、iqs用來計算電磁轉矩。在q軸方向，方程式3、5、7、9和11參與計算，?ds、?d′r、ids、 id′r和?ds、iqs用來計算電磁轉矩。轉子繞組通過式12可以計算

通過對上式?ds、iqs和?ds、iqs的求解，[3]可以推導出電子轉矩，如式11：

通過將慣性力矩和加速轉矩等同，可以得到控制轉子的運動方程，如式12：

近年來，以電壓源逆變器(VSI)為基礎的靜態VAR補償器已用于無功功率控制。這些系統被稱為先進的靜態VAR補償器(ASVC)或靜止同步補償器(STATCOM)，如圖4所示。

圖4 STATCOM接線圖Fig.4 Structure of STATCOM

靜止同步補償器(STATCOM)是一個并聯補償設備，它能夠生成和吸收無功功率，通過控制無功功率的輸出和輸入維持電力系統具體參數的變化。STATCOM提供操作特性類似于一個旋轉的無機械慣性的同步補償器。由于STATCOM采用固態功率開關器件，無論是在幅度和相位角，它都能實現三相電壓的快速可控性。STATCOM由1個帶有漏抗的降壓變壓器、三相GTO或IGBT電壓源逆變器(VSI)和1個直流電容器組成。

4 光伏逆變器的控制

圖5和圖6是控制方案框圖。控制器由兩個基于電壓調節回路的比例-積分控制器(PI)組成。[4-7]1條回路調節PCC電壓，另外1條回路保持光伏電容器在直流母線電壓下的穩定。PCC的電壓在下降和上升過程中分別提供超前或滯后的無功功率。以鎖相環(PLL)為基礎的控制方法可以保持電網與PCC電壓的同步。使用滯環電流控制器控制逆變器開關。為了方便無功功率交換，光伏系統的直流側電容器是自持模式，因此不必提供外部直流電源(如電池)。

圖5 同步系統Fig.5 Synchronous system

圖6 直流側母線電壓調節環Fig.6 DC bus voltage regulation loop

5 仿真研究

為了驗證本文提出的創新點，采用MATLAB/ SIMULINK搭建風光儲模型驗證。按照系統搭建SIMULINK仿真模型，其中，Us＝1，系統阻抗為0.035,6＋j0.207,9，地方負荷為S＝0.216＋j0.104,6，L1、L2、L3線路的長度分別為5,km、1,km和0.5,km。線路上的阻抗分別為0.055＋j0.039,5(正序)和0.176,3＋j1.029(零序)。當光伏系統脫離電網時，帶有儲能元件的光伏發電系統獨立系統支撐負載。在電池不充電情況下，光伏逆變器輸出的電流如圖7所示。

圖7 電池放電情況下PV系統逆變器與電網電流波形Fig.7 Inverter and grid current waveform in PV system

在光伏系統離網的情況下，光伏逆變器作為STATCOM調節系統的電壓。調節Vpcc的電壓仿真圖如圖8所示。

圖8 PCC點電壓調節波形Fig.8 PCC point voltage regulator

從圖中可以看出，公共連接點處的電壓波動在3%,(1～1.25,s之間)，處于標準狀態中。即使當系統在1.5,s時存在巨大的波動，光伏逆變器仍然能夠將的電壓維持在標幺值1.041,2，并且變壓器二次側的電壓波動同樣不到1%,。

圖9 PCC電壓調節標幺值Fig.9 PCC voltage regulator

此外，光伏逆變器與配電網之間的無功功率交換以及直流側母線電壓波形如圖9所示。從圖中可以看出，本文提出的將光伏系統作為STATCCOM調節公共連接點的電壓是可行的。

6 結 語

本文所提出利用光伏系統在夜間作為STATCOM調節配電網中公共連接點的電壓，經過MATLAB/Simulink仿真驗證是可行的。即使當系統出現大波動時，光伏逆變器仍然能夠調節配電網中公共連接點處的電壓，使之維持在特定的范圍內。因此，這種控制方式適用于沒有任何電壓調節裝置的大型風光儲系統。■

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Photovoltaic Solar Farm as STATCOM to Regulate Voltage of the Grid at Night

XU Qun，LI Wensheng，CUI Libo，JIANG Bin，CHENG Tao
(Institute of Economic Technology，Qingdao Power Supply Company of Shandong State Grid，Qingdao 266002，Shandong Province，China)

This paper introduces the use of photovoltaic and solar farms as controller of flexible AC transmission system： Static Synchronous Compensator．It proposes the regulating of public coupling voltage by using STATCOM whensolar power plant does not produce any active power at night．The proposed control technique can improve the stability of storage system which accesses to distribution network．Finally，the results validated the reliability of the system by using MATLAB/ Simulink simulation.

Static Synchronous Compensator；storage system；distribution network

TK81

A

1006-8945(2016)03-0041-04

2016-02-02