基于DPC控制策略的STATCOM/BESS裝置研究

李雪松+劉建業+張峰

摘 要：帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器（STATCOM/BESS）在解決快速補償系統所需要的有功功率和無功功率、靈活平抑新能源發電引起的供電波動等問題中是非常重要的裝備。直接功率控制（Direct Power Control， DPC）是瞬時功率理論的另一種表現形式，它無需借助其他變量，對有功功率和無功功率直接進行控制。文章主要對STATCOM/BESS裝置DPC控制策略和控制算法進行了理論分析，并將DPC控制策略及基于空間矢量調制的直接功率控制策略（Direct power control with space vector modulation， DPC-SVM）運用到系統中，在Matlab/Simulink中進行仿真分析。

關鍵詞：STATCOM/BESS裝置；直接功率控制；DPC-SVM；Matlab/Simulink

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0004-03

1 概述

靜止同步補償器STATCOM是柔性交流輸電系統（FACTS）較為廣泛應用的補償器，能夠及時補償電網的無功功率。蓄電池BESS能有效控制有功波動，減少功率波動對電網的沖擊。因此STATCOM/BESS裝置不僅可以提供無功補償，而且還能夠提供必要的有功支持。直接功率控制（Direct Power Control， DPC）是瞬時功率理論的另一種表現形式，它無需借助其他變量，對有功功率和無功功率直接進行控制。DPC的功率因數高、算法和結構簡單，對于STATCOM/BESS這種動態性能較高的設備發揮著顯著的效果。

2 STATCOM/BESS裝置結構及工作原理

傳統的電壓型逆變電路作為STATCOM/BESS裝置主電路，由蓄電池組BESS和靜止同步補償器STATCOM組成。STATCOM/BESS既能夠提供容性/感性無功支持，又可以完成有功功率雙向流動，能夠在四個象限工作。現取單相電路分析，S、為公共電網電壓、STATCOM交流側電壓，為輸出電流，X、R為連接電抗、連接電阻。

其有功功率、無功功率可表示為：

（1）

由式（1）可知，控制夾角？啄能夠使STATCOM/BESS工作狀態。sin？啄>0時，P<0，系統發出有功功率，工作在逆變狀態；sin？啄<0時，P>0，系統吸收有功功率，工作在整流狀態。改變US與Ucos？啄之間的大小關系，能夠控制系統輸出感性/容性無功功率，USUcos？啄時，Q>0，輸出感性無功功率。所以通過改變的幅值及相位，可使系統運行于四種狀態。

3 STATCOM/BESS裝置的控制策略

3.1 直接功率控制

直接瞬時功率控制對有功/無功功率直接進行控制，根據功率給定和瞬時功率的誤差去選擇開關表進行控制。DPC由瞬時功率檢測模塊、扇區選擇模塊、滯環比較器模塊、開關表模塊和脈沖生成模塊構成，如圖1所示。

直接瞬時功率控制的原理是通過開關狀態的改變，引起STATCOM/BESS裝置交流側電壓矢量的改變，各電壓矢量作用在功率上的效果不同，所以，選擇恰當的電壓矢量，就能滿足各種功率要求。

3.2 基于空間矢量調制的直接功率控制

這種控制策略是將SVPWM與預測控制算法相結合，以消除傳統DPC帶來的系統開關頻率不固定、引入大量諧波、濾波器設計困難等缺陷。DPC-SVM依據無差拍控制，將系統的狀態方程及某一時刻的信息值作為基礎量，從而得到在開關周期TS內要輸出的平均電壓矢量，以削弱在TS末端時刻有功/無功跟蹤誤差值。使用這種控制策略，來獲得高品質的直接功率控制效果，并且使得STATCOM/BESS裝置工作在固定的開關頻率下，使得選用濾波器更加方便簡單，如圖2所示。

4 仿真

在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建系統仿真模型。STATCOM交流側通過連接R、L經延時裝置與電網相連，STATCOM直流側與儲能蓄電池BESS相連，其值為800V。電網電壓為380V，采樣周期為1×10-4s，在0.1s時接入STATCOM/BESS裝置。

下面對DPC控制策略下STATCOM/BESS裝置在四象限運行進行分析論證，如圖3-圖6所示。

根據圖7-圖8能夠得出，STATCOM/BESS裝置在DPC控制策略下能夠在四種工作狀態下運行，從波形圖上能夠看出，在投入STATCOM/BESS裝置后，需經過0.03s系統才能穩定工作，穩定運行后的波動性較高，因此，提高系統穩定性以及縮短過渡時間成為亟待解決的問題。

根據圖7能夠得出，STATCOM/BESS裝置在DPC-SVM控制策略下能夠改善DPC控制策略中存在的，穩定性較差的問題，從圖8中能夠看出，在投入STATCOM/BESS裝置后，需經過約0.02s后系統穩定工作，且穩定運行后的波動性較小。

5 結束語

本文對STATCOM/BESS裝置進行分析并提出兩種策略（DPC和DPC-SVM）進行仿真論證。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，在DPC控制策略下論證了STATCOM/BESS裝置能夠實現四種工作狀態，即吸收有功功率發出無功功率、吸收有功功率及無功功率、發出有功功率吸收無功功率、發出無功功率及有功功率。但由于DPC控制策略中開關表模塊是其核心，開關表的精準度決定著系統的精確性，因此不難看出，DPC控制策略存在精確度低，波動性大的缺點。在DPC-SVM控制策略仿真結果中，可以看出系統運行較穩定，改善了DPC控制策略存在的問題。STATCOM/BESS裝置能夠在四象限運行，可以靈活的運用于新能源并網中，減小新能源對電網的沖擊。

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