基于P-DPC的STATCOM/BESS微電網協同控制策略改進

吳淵軍，陳 亮，王亞迪，葛 愿*，王宗躍，陳方靜

(1.安徽工程大學 電氣工程學院 ，安徽 蕪湖 241000；2.安徽省科學技術研究院 項目管理中心，安徽 合肥 230001；3.淮海技師學院 機電工程系， 江蘇 宿遷 223800)

分布式微電網技術作為現代電力系統的關鍵技術之一引起了各國電力行業科研人員的高度重視.靜止同步補償器(STATCOM)在電網中的無功補償能力和穩定電壓的作用使得其在微電網中被廣泛應用，但是STATCOM中的電壓型逆變器在工作過程中主要是與微電網系統進行無功交換，當系統中存在有功損耗時STATCOM的作用就有所欠缺了.而如果在STATCOM系統中加入蓄電池系統(BESS)，組合成一種既可以對系統進行無功補償又可以調節有功功率的新裝置[1]，即帶蓄電池儲能系統的靜止同步補償器(簡稱STATCOM/BESS)，對該裝置進行合理的控制能有效地實現電能質量的優化[2].

傳統直接功率控制(DPC)是由開關表中預存的電壓矢量選擇開關狀態，并由脈沖生成模塊對三相橋臂上的開關管進行通斷控制進而實現對功率的調節.傳統預測功率下的直接功率控制(P-DPC)可以在沒有開關表上電壓矢量和開關狀態的固定的對應關系下實現開關頻率的靈活變化[3]，從而對STATCOM/BESS裝置進行控制.但這種多應用于PWM整流器中的控制方法為了簡化算法往往是將無功功率置零后再進行控制，而在具有STATCOM/BESS裝置的微電網系統中需綜合考慮對有功功率和無功功率的控制效果，因此這種控制方法會導致對無功功率控制不足[4]，并且該控制方法采用的線性插值預測參考功率的誤差較大.

與傳統預測功率下的直接功率控制不同，為了克服無功補償不足的缺點而將無功功率作為一項控制指標，重新推導了STATCOM交流側電壓的表達式；為了避免線性插值預測參考功率算法引起的誤差較大因此采用二階拉格朗日插值法預測參考功率.仿真結果表明，提出的方法使得STATCOM/BESS系統輸出功率波動小、直流側電壓穩定，且具有很好的功率跟蹤控制和快速調節功率的能力.

1 STATCOM/BESS的工作原理

STATCOM/BESS系統拓撲結構圖如圖1所示.圖1中STATCOM的直流側蓄電池與電容并聯之后通過電感并聯在電網上.因為有了蓄電池的有功調節作用使得STATCOM/BESS系統在運行時能夠實現有功無功的雙向補償，也就實現了該系統的四象限補償能力[5].

圖1 STATCOM/BESS系統拓撲結構圖

STATCOM/BESS系統四象限運行模式圖如圖2所示.圖2中E、I分別為STATCOM/BESS裝置的輸出電壓和輸出電流相量；V為微電網系統電壓相量；X為與裝置串聯的電抗器；與電抗器X串聯的電阻R代表整個線路及裝置的有功損耗等效阻值.從圖2中可以看出，通過改變STATCOM/BESS裝置的輸出電壓大小和相位即可改變輸出的無功功率與有功功率的正負與大小，從而實現電力系統的有功無功雙向補償.

圖2 STATCOM/BESS系統四象限運行模式圖

2 STATCOM/BESS的數學模型

2.1 STATCOM/BESS電路的簡化

STATCOM/BESS控制系統簡化的電路圖如圖3所示.圖3中vabc是微電網系統的電壓，eabc是STATCOM/BESS的輸出電壓.將裝置中的蓄電池看成一個理想電壓源Us與阻值為Rs的電阻串聯.STATCOM/BESS裝置電路包括三相全橋變流電路、蓄電池組和電抗器，在工作中與微電網并聯.由于其本身存在非線性器件而使得數學建模以及控制器設計的難度大大增加[6].STATCOM/BESS數學模型建立的準確性是研究STATCOM/BESS運行特性以及控制器設計的基礎，STATCOM/BESS整體裝置建立準確的數學模型是STATCOM/BESS裝置性能特性分析以及運用正確的控制方法的必要條件[7]，所以建立的數學模型的準確程度將直接影響控制器的設計和系統仿真.

圖3 STATCOM/BESS控制系統簡化的電路圖

為了保證STATCOM/BESS系統數學模型的準確性，需要進行以下3點假設[8]：

①系統中的電壓均為三相對稱正弦波型電壓；

②系統中的電流與電壓的諧波不考慮；

③STATCOM中的三相變流電路所使用的開關器件及其他器件均為理想器件，不考慮損耗.

2.2 數學模型的建立[9]

STATCOM/BESS系統中儲能蓄電池采用理想電壓源Us和電阻Rs串聯的模型，建立了集成的控制系統拓撲結構如圖3所示.其中vabc是微電網系統的三相線電壓系統，也就是低壓母線的電壓.eabc和iabc分別是STATCOM/BESS裝置輸出的電壓和電流；us為蓄電池最大的斷路電壓；is為蓄電池的輸出電流；Udc是電容的兩端電壓；Idc是STATCOM/BESS裝置的輸入電流.R是STATCOM/BESS裝置的等效電阻、X是隔離三相變流電路和微電網系統的等效電抗.蓄電池的數學模型采用線性電路模型[10],STATCOM的數學模型采用三相逆變兩電平橋式電路模型，通過改變交流輸出電壓的幅值和相位就能實現STATCOM/BESS裝置發出或者吸收滿足需要的無功和有功電流，進而實現動態的補償系統所需的無功功率和有功功率.

由基爾霍夫電壓定律，可知：

(1)

對式(1)作park變換，得到：

(2)

并且有

(3)

輸入STATCOM/BESS裝置的有功功率、無功功率分別為：

(4)

則由式(4)可得：

(5)

由能量守恒可得：

(6)

將式(2)、式(4)代入式(6)得：

(7)

將式(3)、式(7)聯立得到STATCOM/BESS裝置的狀態方程數學模型為：

(8)

式(8)表明：根據數學模型中對控制量的分解與運算，可以通過對補償電流id、iq的控制來實現對STATCOM交流側電壓的控制.因此，可以通過控制STATCOM交流側電壓在d-q軸上對應電流的大小來實現對STATCOM/BESS輸出功率的控制.

3 基于預測功率的STATCOM/BESS直接功率控制改進策略

3.1 改進策略

傳統P-DPC控制是由功率預測模型與DPC控制相結合的一種控制策略.將其應用在STATCOM/BESS時，一般是將無功功率置零從而簡化控制算法.然而STATCOM/BESS系統的無功功率存在且不容忽略，傳統P-DPC控制無法對無功功率進行調節.為了加強對無功功率的控制，重新進行了P-DPC算法的推導，得到STATCOM交流輸出電壓的新表達式，實現了SVPWM對裝置的定頻控制.并且采用二階拉格朗日插值法代替之前的線性插值預測參考功率，不僅簡化了算法，還提高了系統的動態響應速度.

3.2 P-DPC改進算法的推導

如圖3所示，將微電網電壓vabc、交流變流器交流側電壓eabc及電流iabc進行clark變換，得usα、usβ為微電網電壓，esα、esβ為交流變流器交流側電壓，iα、iβ為電流.則由瞬時功率理論可知STATCOM/BESS裝置的輸出有功功率、無功功率分別為：

P=usαiα+usβiβ,Q=-usαiβ+usβiα,

(9)

將式(9)中變量離散化，則得到在k時刻的瞬時功率分別為：

P(k)=usα(k)iα(k)+usβ(k)iβ(k)，Q(k)=-usα(k)iβ(k)+usβ(k)iα(k)，

(10)

由采樣理論知：當采樣頻率遠遠高于電網電壓頻率時，可以將電網電壓看作是不變的，即:

uα(k+1)=uα(k)，uβ(k+1)=uβ(k)，

(11)

將式(10)、式(11)聯立，可得STATCOM/BESS裝置輸出功率在時刻k到時刻k+1的變化為：

(12)

令采樣周期為Ts，則k+1時刻的預測電流為：

(13)

將式(13)代入式(12)得：

(14)

則由式(14)得到STATCOM交流側電壓的矢量esα、esβ：

(15)

式(15)中的P(k+1)、Q(k+1)為實際功率值，但是不能直接得到，只能由預測得到.在實際工程應用時，參考功率Pref及Qref是會隨負載改變而變化的變化量，因此是無法準確預測Pref(k+1)、Qref(k+1)的.傳統P-DPC控制中所采用的線性插值算法在實際工程應用中負載變化較大會導致產生的誤差較大.因此，采用二階拉格朗日插值法.設有已知3點，其坐標分別為(x0,y0)，(x1,y1)，(x2,y2)，則預測點坐標為:

(16)

則(k+1)時刻的參考功率為:

(17)

為了確保控制的準確度，使得:

(18)

將式(17)、式(18)代入式(15)中，得：

(19)

式(19)中，usα、usβ和iα、iβ可以通過測量得到，采樣周期Ts、電阻R和電抗L已知.歷史參考功率可以由歷史測量的瞬時功率經過計算得到.從式(19)中計算得到的電壓矢量esα、esβ可用來直接在固定的頻率下通過SVPWM模塊實現對三相變流器的開關控制.

3.3 控制系統結構

改進后的P-DPC控制框圖如圖4所示.由圖4可知，P-DPC控制主要包括瞬時功率檢測模塊、功率預測模塊、SVPWM模塊.瞬時功率檢測模塊檢測電路中參數并計算出STATCOM/BESS裝置輸出功率和負載功率，并根據負載功率生成STATCOM/BESS裝置參考功率，使STATCOM/BESS發揮抑制功率波動的作用.功率預測模塊實現目標矢量esα、esβ的計算，并由SVPWM模塊驅動三相橋臂，實現對變流器的跟蹤控制.

圖4 改進后的P-DPC控制框圖

4 仿真分析驗證

為了驗證改進后的P-DPC控制策略有效性，在MATLAB/simulink中建立具有非線性的負載的微電網系統仿真模型.整個系統的等效電路圖如圖3所示，系統相關參數如表1所示[11].

表1仿真系統參數

參數數值裝置容量Q30kvar三相電壓源線電壓U380V開關頻率f5kHz采樣時間Ts5*10-6s

4.1 具有感性負載的系統仿真分析

在具有感性負載的微電網系統中進行仿真，負載容量設定為100 kw/60 kvar.為了驗證改進后的P-DPC控制的有效性，通過在Simulink中搭建微電網系統模型進行改進前后的控制策略仿真分析，仿真時令STATCOM/BESS裝置在0.1 s前不投入運行，在0.1 s時投入使用.由于三相電壓中的每相電壓只是相位差異，其他特性都相同，所以研究只對A相電進行研究分析，仿真結果如圖5所示.在0～0.1 s時，由于沒有補償裝置投入系統使用，系統將呈現感性負載特性，如圖5a所示，A相電流滯后于電壓大約75°.在0.1 s時投入STATCOM/BESS裝置后，系統輸出的電壓和電流波形的相位在改進前后都趨近一致，從圖5a、圖5b能看出，改進后的電壓和電流波形相位基本實現了一致，說明改進后基本實現了無功功率的完全補償.由圖5c、圖5d可知，STATCOM/BESS裝置在0.1 s投入后很快地發揮了提供無功功率的作用，改進后的系統在投入0.02 s之后就能保持穩定的無功功率輸出，比改進前響應更快.

圖5 在具有感性負載的微電網系統中仿真結果

4.2 系統中感性負載突變為容性負載仿真分析

在始終有STATCOM/BESS裝置工作的系統中，在0～0.1 s時接入100 kw/60 kvar的感性負載，在0.1 s時突變為60 kw/100 kvar的容性負載.這樣的系統仿真結果如圖6所示.如圖6a、圖6b所示，微電網系統中的負載類型在0.1 s時發生突變，但是系統電流基本保持不變，是由于STATCOM/BESS裝置的無功調節.在圖6a中，在0.1 s前電流波形比電壓波形滯后一些，而在0.1 s之后電流波形又超前于電壓波形，這是由于微電網系統中的負載類型在0.1 s時從感性負載突變成容性負載.在圖6b中，改進后的控制策略使得系統的電壓波形與電流波形基本實現了相位一致，比改進前具有更好的功率調節能力.從圖6c、圖6d可以看出，STATCOM/BESS裝置在系統中負載類型發生突變時進行了無功功率補償或者吸收，并且改進后的調節時間更短，說明改進后的裝置更具有快速功率調節的作用.

圖6 微電網系統中感性負載突變為容性負載仿真結果

5 結論

對STATCOM/BESS系統裝置中將功率預測和直接功率控制相結合的P-DPC控制的改進算法進行研究.針對傳統的P-DPC控制對無功功率控制不足，且控制響應速度慢導致功率跟蹤不足等問題，在描述STATCOM/BESS系統裝置的工作原理、推導數學模型后,提出對傳統P-DPC控制的改進方案.即在考慮無功功率下重新推導了P-DPC控制算法，并采用了算法更簡單、控制精度更高的拉格朗日插值法代替傳統的線性插值法.最后，通過仿真說明改進后的算法可以使微電網系統中STATCOM/BESS裝置在保證直流側電壓穩定的前提下，能夠快速調節功率且具有很好的功率跟蹤控制.