多级联H 桥STATCOM 在风电场中的应用

孙 品，王 毅，张丽荣

0 引言

风能作为一种洁净、经济的可再生能源，将成为化石燃料的主要替代能源。但是风能具有间歇性、波动性、随机性的缺点，随着风力发电在电力能源中所占比例越来越大，风力发电系统对电网的影响已经不能忽略［1～2］。为了增强风电场的安全运行能力，目前各国风电场并网技术规范均已经明确要求采用静止无功补偿器(SVC)或STATCOM 来改善风电场的无功电压性能。对于风电场并网所面临的电能质量问题，文献［3］已经进行了简要概括，文献［4 ～5］使用STATCOM 来缓解由风速引起的电压波动，改善风电场的电能质量。

风电场的低电压穿越能力是衡量风电场安全运行的重要指标。我国出台的风电场接入电力系统技术规定对风电场低电压穿越能力进行了明确要求，即风电场并网点电压跌至20% 标称电压时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行625 ms;风电场并网点电压在发生跌落后2 s 内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行［6］。STATCOM 作为新一代的灵活交流输电(FACTS)技术，能够根据电压变化迅速对系统补偿无功功率，稳定系统电压，提高风电场的低电压穿越能力［7］。

作为风电场的集中无功功率补偿装置，STATCOM 需要具有较大的功率和电压等级。多电平STATCOM 虽然拓扑结构复杂，但更易于向高压大功率领域扩展。因此，本文主要研究多级联H 桥链式STATCOM 作为风电场的无功补偿装置，针对链式结构直流侧电压不平衡的缺点，文中采用了一种改进的直流侧电压平衡控制方法。最后通过对风力发电系统仿真分析，验证了所采用的直流侧电压平衡控制方法的有效性，同时验证了STATCOM 对风电场低电压穿越能力的改善。

1 STATCOM 的拓扑结构

常用的多电平逆变器主要有变压器移相多重化、二极管钳位和多级联H 桥链式结构。链式结构由于所有链接完全相同，N 个链接可以输出2N+1 个电平，谐波特性较好，可以模块化设计，通过简单地增加链接就可以提高装置容量，便于设置冗余和维护，因此与其余两种多电平结构相比，链式结构更有利于向高压大功率方向扩展，甚至可以不需要变压器直接并网，从而避免了变压器所带来的缺点［8］。

链式结构分为星形和三角形两种结构，星形结构每相承担的电压为系统相电压，三角形结构为星形结构的倍，从成本和电路复杂度考虑，星形结构更占优势。但是星形结构存在公共中性点，三相之间存在耦合，而三角形结构三相独立可以对三相分别独立控制［9］，因此在工作环境复杂的场合，三角形结构更为适合，星形和三角形两种结构各有优势，在实际应用中应予以综合考虑。

本文采用主电路结构为星形的三级联七电平链式逆变器作为STATCOM 主电路，拓扑结构如图1 所示。

图1 STATCOM 拓扑结构Fig．1 Topology structure of STATCOM

2 STATCOM 的控制策略

STATCOM 控制策略结构如图2 所示，控制系统由电压外环控制和电流内环控制两部分组成，电压外环首先对各相电压和各相H 桥电容总电压进行独立控制，产生三相电流的有功和无功分量参考值，再由两电流分量参考值合成内环控制所需的三相电流参考值进行电流内环控制。图2 中，，为系统相电压参考值，Ua，Ub，Uc为系统实际相电压有效值，ua，ub，uc为并网点相电压瞬时值，θa，θb，θc是经过锁相环PLL 得到的三相相电压相位，U，U，U是三链接直流侧总电容电压参考值，Udc-a，Udc-b，Udc-c为三链接直流侧电容总电压实际值，，，是三相相电流无功分量参考值，方向与相电压方向垂直，，，是三相相电流有功分量参考值，方向与相电压方向相同，ia，ib，ic为相电流瞬时值，，，为相电流参考值。

图2 STATCOM 的控制策略结构图Fig．2 Control diagram of STATCOM

与传统多电平结构相比，链式STATCOM 虽然有着自身的优点，但是它的直流侧电容是完全分开的，每个逆变桥各有一个电容，并且各电容相互独立。在理想情况下，链式STATCOM 各H桥级联单元参数完全相同，各个触发脉冲完全相同，不会存在直流侧电容电压不平衡现象。然而在实际应用中，由于各H 桥的并联损耗和混合型损耗不同，以及触发脉冲的延迟，导致各直流侧电容电压不平衡，文献［10 ～11］已经从数学模型上对导致链式STATCOM 直流侧电容电压不平衡的原因进行了详细描述。直流侧电容电压不平衡，会导致STATCOM 输出电压畸变，影响输出电流质量，导致IGBT 应力不均甚至损坏器件。因此为了保证装置正常工作，提高装置的安全可靠性，必须采取一定的控制措施使直流侧电压平衡。文献［12］分别从硬件和软件两方面给出了几种链式STATCOM 直流侧电压平衡控制方法，基于对几种方法的分析比较，在不增加硬件成本的前提下，文中采用了一种改进的直流侧电压平衡控制策略。

设在单个H 桥PWM 逆变器中，直流侧电压为Udc，逆变器开关函数和交流侧输出电压基波分量分别为［13］

式中:m 为PWM 调制比;Um为交流侧基波电压u(t)峰值;θ 为开关函数基波p(t)初始相角。由于u(t)= Udcp(t)，因此可得:

由式(2)可以看出通过调节调制比，可以对直流侧电压进行调节。

文中只考虑三相平衡条件下STATCOM 的工作方式，由于3 个链接的直流侧电压平衡控制在结构上相互对称，因此，以A 相链接为例进行说明，直流侧平衡控制结构如图3 所示。

图3 直流侧电压平衡控制框图Fig．3 Block diagram of DC voltage balance control

由式(3)可得:

因此可得:

以上都是在基波基础上进行分析，由式(5)可知这种平衡控制方法几乎不影响STATCOM 输出电压波形的基波分量。

3 仿真算例分析

为了验证STATCOM 对风电场运行性能的改善，以及直流侧电压平衡控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 仿真环境下搭建了风电系统仿真模型，仿真系统结构如图4 所示。风电场容量为10 MW，由5 个结构完全相同的永磁直驱风电机组(WT1～WT5)组成，每个风电机组容量为2 MW，为了调节风电机输出功率因数，每个风电机输出侧都链接一个电容器组，用来提供发电机所需的无功功率，风电场输出交流690 V 母线B1经变压器TR1与电网35 kV 母线B2连接，补偿装置STATCOM 经变压器TR2同样连接于并网点B2。发电机与变压器TR1，TR2，TR3参数见表1。

图4 风电场并网结构图Fig．4 Structure diagram of wind farm grid-connected

表1 风电机和变压器参数Tab．1 Parameters of wind－generators and transformers

在图4 所示风电系统中，将并网点Pcc电压、功率作为标幺值基值，其值分别为35 kV 和10 MW，补偿装置STATCOM 额定电压、功率分别为2 200 V 和5 MW，仿真步长设为0.000 05 s，风电场额定风速设为11 m/s，为使风电机能够快速稳定，初始0 ～1 s 内风速都定为额定风速11 m/s，风电机初始转速设定为1.17 p．u．，初始输出功率为0.83 p. u. 。

3.1 平衡控制策略验证

风电场无功补偿装置采用STATCOM 为三级联七电平星形结构，仿真过程中并网点电压稳定于额定电压，各H 桥直流侧电容为10 000 μF，电容电压参考值为800 V，采用载波移相调制，PWM 触发脉冲为900 Hz。为等效实际中各H 桥并联损耗的不同，模型中前两个H 桥设为理想无损，第3 个直流侧电容并联一个4 000 Ω 电阻为等效并联损耗。不采用任何平衡控制策略，各电容电压瞬时值与平均值如图5 所示，采用平衡控制策略以后，各个电容电压瞬时值与平均值如图6 所示。

由图5 可以看出在没有采用平衡控制策略情况下，3 个电容电压逐渐发散出现了明显的不平衡，由图6 可知由于平衡控制策略作用，3 个电容电压在参考值上下波动，验证了平衡控制策略的有效性。

3.2 风电场电压稳定性验证

为验证STATCOM 对风电场稳定性的改善，在图7 所示风速下对风电系统进行仿真分析，于3 s设置并网点电压跌落20%，持续时间为0.625 s，仿真波形如图8，9 所示。

由图8 可知STATCOM 可以根据并网点电压的变化向系统输出无功功率作为补偿，由图9 可知由于STATCOM 的补偿作用并网电压在跌落期间提升到了0.9 p．u．以上，增强了风电场的低电压穿越能力和安全可靠性。

4 结论

本文首先分析了采用链式STATCOM 作为风电场集中无功功率补偿装置所具有的优越性，然后针对链式STATCOM 自身的直流侧电压不平衡问题文中采用改变各H 桥调制波瞬时幅值的控制策略对各电容电压进行调节。仿真结果表明，文中所采用链式STATCOM 直流侧电压平衡控制策略有效，并且作为风电场的无功补偿装置，STATCOM 改善了风电场的电能质量，提高了风电场低电压故障穿越能力。

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