儲能型SVG 的虛擬硬件在環仿真系統

魏小萌，劉 健

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430205）

隨著我國工業化的發展，越來越多的工業用戶對配電網產生不同程度的影響。為了提高工業領域的電能質量，并在緊急狀態和電網故障情況下為系統提供后備支持[1]，無功補償裝置和儲能裝置得到了廣泛的應用，但目前一體化結合在主電路和控制技術方面仍有問題需要解決。因此，針對以上問題，本文為解決大無功補償與儲能系統的一體化融合關鍵技術，建立完善的仿真分析平臺，研究應對極端工況的措施與控制策略，對協助分布式電源高效、安全并網具有重要的理論意義和工程實用價值[2]。

目前已有論文對一體化的拓撲及控制策略進行研究。在拓撲結構方面，文獻[3-4]提出了一種兩電平的STATCOM 裝置，該電路所用開關器件少，控制容易，但是現在分布式光伏發電逐漸增加，容量也越來越大，兩電平電路已經很難滿足要求。在控制方面，文獻[5]采用新型三電平光儲一體機，對PCC處有功支撐進行頻率微分調節，但未考慮到電壓的穩定性的需求。文獻[6]針對破碎機生產線的大功率異步電動機，采取一種基于級聯式SVG 的異步電動機軟啟動和無功補償控制策略，但沒有對控制策略做出相應的優化，不能適應油田領域配電網的極端工況。文獻[7]提出含分布式光儲配電網時變最優潮流追蹤的模型和分布式在線算法，該控制策略通過控制儲能參與系統有功調控，提升系統的穩定性運行，但實現過程相對繁瑣。

針對上述問題，本文對儲能型SVG 及其控制策略展開研究。首先，提出了一種儲能型SVG 的一體化主電路拓撲結構；其次，提出了適應極端工況的控制策略；最后利用虛擬硬件在環技術，對新拓撲和控制策略進行仿真建模和典型工況下的仿真驗證。

1 儲能型SVG 一體化主電路

圖1 為儲能型SVG 一體化主電路拓撲結構。A為儲能模塊；B，C，D 組成隔離型DAB 雙向DC/DC模塊，B，D 分別為2 個H 橋電路，中間由高頻變壓器鏈接，同時也可以作為擴展端口；E 為一個H 橋逆變子模塊。

圖1 主電路單相拓撲結構Fig.1 Single-phase topology of main circuit

2 控制系統

整體控制策略主要分為雙閉環PI 前饋解耦控制策略和相間電壓均衡策略，如圖2 所示。

圖2 裝置整體控制策略Fig.2 Overall control strategy of the device

2.1 雙閉環PI 前饋解耦控制

雙閉環PI 前饋解耦控制的核心是電流控制。將三相abc 坐標軸下的三相電流，通過PACK 變換，旋轉到dq 坐標系下，基波電流表現為直流分量，經過閉環結構中的PI 調節器，可以實現對裝置輸出電流的無靜差跟蹤。

根據三相H 橋的數學模型公式：

式中：icd，icq為儲能型SVG 輸出電流的dq 分量；ugd，ugq為PCC 處電壓。

可以看出有功和無功控制存在耦合現象，同時電網電壓的擾動也會對輸出電流產生一定的影響。

采用電壓前饋解耦控制策略。引入中間變量x1和x2，令：

將式（2）中的x1，x2代入時域數學模型，得：

由此，通過對icd和icq的控制，可實現儲能型SVG與電網進行功率的交換，達到控制有功提供直流側電壓支撐，控制無功以跟蹤指令電流。如圖3 所示為雙閉環PI 前饋解耦控制框圖。

圖3 雙閉環PI 前饋解耦控制框圖Fig.3 Double closed-loop PI feedforward decoupling control block diagram

2.2 電壓不平衡下的電壓均衡控制

由于裝置與電網之間的能量交換引起的直流側電容電壓不平衡，可通過控制裝置與電網之間流動的有功功率來控制直流側電容的充放電。本文采用分層控制理論，從兩個方面考慮：總體電容電壓控制，控制三相H 橋功率模塊的直流側電壓的平均值與給定值相等；相間電容電壓平衡控制，控制每相直流側電壓的大小與相位相等。

控制框圖如圖4 所示，Udc*為單相H 橋模塊直流側電壓設定參考值，Udc_avg為三相直流側電壓平均值，經過PI 調節器，輸出為SVG 裝置運行需要的總有功功率P*，將P*與電網電壓d 軸分量的比值，即有功電流的參考值，給入雙環控制，輸出電流追蹤給定值。

圖4 直流側電壓全局控制策略Fig.4 DC side voltage global control strategy

星型連接結構的中性點O 懸空，當裝置輸出三相電流不對稱時，O 點對地電壓不為零。此時可以通過注入零序電壓來控制相間電壓使其達到均衡，圖5 表達了零序電壓調節有功功率的作用機理，圖中u0為注入電壓，um為儲能型SVG 輸出電壓，ump，umn分別為輸出電壓的正序分量和負序分量，im為輸出電流，m=a，b，c。

圖5 零序電壓作用原理Fig.5 Action principle of zero-sequence voltage

假設注入零序電壓如式（4）所示：

式中：U0，φ0分別為注入零序電壓的幅值和初相角。根據圖5 可得出輸出電壓在abc 坐標系下的表示為

式中：Up，Un分別為正序電壓和負序電壓幅值；θ 為負序電壓與正序電壓相位差；Ip，In分別為正序電流和負序電流幅值；φp，φn分別為正序電流和負序電流相角。

可得SVG 各相有功功率Pa，Pb，Pc的表達式：

式中：ΔPa，ΔPb，ΔPc為各相的有功波動量，注入零序電壓后總有功功率沒有發生變化。此時增加了零序電壓的相關功率調節量，通過調節零序電壓的幅值和相位就可以使SVG 三相有功功率均衡，波動量相等，且相加為零，即：

聯立式（6）和式（7）并求解可得零序電壓的幅值和相角，如式（8）和式（9）：

式中：A，B 的計算公式如下：

式中：Ki，Ku分別為

3 虛擬硬件仿真建模

為了將來能更有效地利用現有代碼，采用模塊化編程方法，將仿真系統分為用戶界面、控制邏輯、硬件驅動以及虛擬硬件4 個模塊。

（1）控制邏輯與驅動模塊不僅需要實現儲能型SVG 的頂層控制算法和底層SPWM 調控算法，還需要對它們進行協調控制。

（2）虛擬硬件模塊包含了裝置中的各個硬件部分，主要是裝置的主電路部分。

（3）被控對象模塊，主要參考的是基于江漢油田中的某游梁式抽油機的設備參數，搭建典型負載模型，其設備電機參數如表1 所示。

表1 異步電機電機參數Tab.1 Asynchronous motor parameters

（4）圖形用戶界面模塊主要實現與用戶進行交互的界面接口，如參數設置、運行狀態顯示，數據波形圖等。

4 仿真分析

如圖6 為基于PSCAD/EMTDC 仿真平臺搭建的儲能型SVG 虛擬硬件在環系統。

圖6 虛擬硬件在環仿真系統Fig.6 Virtual hardware-in-the-loop simulation system

4.1 算法性能驗證

在電力系統的功率穩定的情況下，有功功率為150 kW，無功功率為120 kVar 的穩定功率下，進行仿真實驗，得到的仿真系統如圖7 所示。

圖7 投入裝置前系統有功無功波形Fig.7 Active and reactive waveform of the system before the device is put into oaaaperation

由圖7 和圖8 可以看出，在未切入無功補償裝置時，有功無功的測量值均在給定值附近波動，此時功率因數為0.78。投入儲能型SVG 裝置后，無功波形曲線經過短時調整，穩定在零值附近，功率因數可達0.98。由此可見，電力系統電能質量得到了改善，說明系統算法的可行性與有效性。

圖8 投入裝置后系統有功無功波形Fig.8 Active and reactive waveform of the system after the device is put into operation

直流側電容電壓波形如圖9 所示，裝置的直流側的電容電壓在運行的過程中，一直穩定在設定值（560 V）附近。

圖9 A 相直流側電容電壓值Fig.9 A-phase DC side capacitance voltage value

將直流側電容電壓的穩定值，取其中的一節波形放大觀察直流側三相電容電壓，如圖10 所示，相位互相相差120°，表明相間電壓均衡控制策略能夠保證直流側電容電壓的穩定。

圖10 三相直流側電容電壓值Fig.10 Three-phase DC side capacitance voltage value

4.2 典型工況裝置性能驗證

在一個周期的工作期間內，由于存在抽油機驢頭的上升工況和下降工況。導致抽油機存在周期性的變換無功功率缺額、有功功率突變的問題。本文采用的Y280M-6 型電動機銘牌額定功率為55 kW，但其工作時平均負載功率僅有18 kW 左右，即電機長期處于非額定功率運行，運行經濟性較差。圖11所示為搭建基于抽油機工況的被控對象，在仿真系統中搭建電機模型，復原油田領域的極端工況。

圖11 投入裝置前，抽油機的仿真波形Fig.11 Simulation waveform of pumping unit before putting the unit into operation

圖12 所示為投入儲能型STATCOM 裝置下的系統無功波形曲線，裝置采用多目標趨優控制策略，可實現在極端工況下，完成無功補償，抑制諧波污染，提高油田領域的電能質量。

圖12 投入裝置后，系統的無功波形Fig.12 Reactive waveform of the system after the device is put into operation

5 結語

本文主要針對儲能型SVG 裝置的工作原理和控制策略進行研究。首先建立了三相H 橋的數學模型，分析解耦控制算法，研究雙閉環PI 前饋解耦控制策略。其次從能量守恒的角度分析電壓均衡控制原理，并給出了計算方法。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平臺，搭建虛擬硬件在環仿真系統，通過模擬抽油機的運行工況，實現無功補償，提高功率因數，平衡直流側電容電壓的目的。