风电场中级联STATCOM直流侧电压控制方法

李圣清 徐文祥 栗伟周 曾欢悦

（湖南工业大学电气与信息工程学院 株洲 412008）

1 引言

级联 STATCOM投入到风电场中可以有效地稳定风电场并网电压，提高风电场低电压穿越能力，具有非常广阔的应用前景。文献[1]介绍了应用STATCOM 技术可以改善风电场的电能质量和提高风电场稳定性。然而级联 STATCOM各逆变桥直流侧相互独立，其直流侧电压难以平衡，特别在电压波动比较剧烈的风电场中，其直流侧电压的不平衡将更加严重，直接危及到装置安全稳定运行，故迫切需要对其直流侧电压进行平衡控制。文献[2]指出逆变桥并联损耗、开关损耗以及开关器件触发脉冲的微小差异是造成稳态电容电压不平衡的主要原因。

目前，已有一些文献针对级联STATCOM的直流侧电压均衡提出了相应的控制方法[3-13]。文献[3]通过分布式控制来均压，该方法在闭环控制下耦合性低，便于链节扩展。文献[4-6]提出通过外部能量交换的直流电压平衡控制方法，该方法可以简化控制程序的算法，但需要额外的硬件电路和控制系统，无疑增加了系统的成本和复杂性。文献[7, 8]通过调节各单元逆变器的移相角来实现电压平衡，但对于大容量逆变器，该移相角较小，改变移相角容易造成系统的不稳定。文献[9, 10]通过选择合适的冗余矢量均压，将阀组内直流侧电压高（低）的开关状态与直流侧电压降低（升高）的开关状态进行交换，改变电容的充放电时间以改变其电容电压的大小，该方法易于实现，所需硬件资源少，但算法较为复杂。文献[11, 12]提出通过叠加一个与电流同相位或者反相位的有功电压矢量来平衡直流侧电压，该方法在实用的同时又受到稳定工作区域的限制。

本文提出通过有功功率均等分配来控制级联STATCOM 直流侧电压平衡，特别适合在风电场这种电压波动比较剧烈的场合，响应速度快、控制特性好、输出电压的谐波含量少，便于模块化设计。

2 风电场中级联STATCOM的数学模型

风电场中级联STATCOM主电路拓扑如图1所示，通过将级联STATCOM并联在风电场的出口来稳定其输出电压，保证风电场并网稳定运行。设各开关器件工作在理想状态下，连接电抗为LS，各类电阻之和为 RS，系统电压分别为 usa、usb、usc，级联 STATCOM 输出电压分别为 uca、ucb、ucc，补偿电流分别为ica、icb、icc。

图1 风电场中级联STATCOM的主电路Fig.1 The main circuit of cascade STATCOM in wind farm

根据图1可以得到级联STATCOM的单相等效电路模型的数学表达式为

对式（1）进行解耦变换[14-16]可得

3 有功功率均等分配的直流侧电压控制

3.1 系统总体控制

级联STATCOM系统控制框图如图2所示。通过解耦控制分离有功、无功分量，实现有功、无功总体控制，然后利用模块控制器实现对各模块直流侧电压的平衡控制。udcref为模块额定直流电容电压，udc为各模块实际直流电容电压的平均值，通过调节有功指令电流，改变系统吸收有功功率的大小来给直流侧电容充电。

图2 级联STATCOM系统控制框图Fig.2 Cascade STATCOM control diagram

3.2 有功功率均等分配的原理

由于流经各模块的电流为同一电流 i，所以各模块吸收的有功功率大小为

式中，u1, u2, …, uN为各模块交流侧输出电压；α为移相角。

又因为

式中，Ps1, Ps2, …, PsN为各逆变桥的有功损耗；C1,C2, …, CN为各模块直流侧电容大小；udc1, udc2, …,udcN为各模块直流侧电容电压。

为了保证各模块直流侧电压平衡，则需有ΔP1=ΔP2=…=ΔPN。由于各逆变桥的有功损耗基本不变，故可以通过调节各模块吸收的有功功率大小来改变相应直流侧电容电压的大小。

为了保证系统稳定，从级联STATCOM的控制特性入手，考虑到在四象限下的分析结果大致相同，以下主要以感性工况为例，由式（4）知可以通过调节各模块交流侧输出电压大小或者移相角来改变各模块有功功率的大小。由图3可知，改变输出电压只改变其矢量的大小且不会改变其与电流的夹角，该方法耦合性低，稳定性好。

图3 改变输出电压的矢量分析Fig.3 Vector analysis of output voltage

图4为通过改变移相角的平衡控制矢量分析，可以看出该方法会造成系统的不稳定，控制器参数设计也较为复杂。

图4 改变移相角的矢量分析Fig.4 Vector analysis of change phase shift angle

3.3 有功功率均等分配控制直流侧电压平衡

基于上述分析，本文采用调节各模块输出电压的方法来调节对应有功功率的大小，最终达到平衡各模块直流电容电压的目的。各模块直流电容电压平衡的控制框图如图5所示。共有N个模块级联，ucd1, …, ucdN为各模块输出电压的有功分量，若各直流侧电容电压平衡，则有ΔP=ΔP1=ΔP2=…=ΔPN，则各模块交流侧吸收的有功功率为 Pj=ΔP+Psj（j=1,2, …, N），Δucd1, …, ΔucdN为各模块需要合成电压的有功分量，Δuc1, …, ΔucN为各模块交流侧需要合成电压的大小。

图5 各模块直流电容电压控制框图Fig.5 Each module DC capacitor voltage balance control diagram

3.4 分层协调控制

主要采用分层协调控制的思想。中央处理器实现双闭环的上层解耦控制算法，包括总的有功、无功控制以及锁相环控制等等，实现对级联STATCOM的系统总体控制。

下层采用模块控制器对每个级联模块进行单独控制，中央处理器将所得信息传递到各模块控制器中，同时各模块控制器将获得的信息传递给中央处理器，实现资源共享的同步分层协调控制。对于 N模块级联的 STATCOM，通过将中央控制器得到总的有功电压平均分成N份送入到模块控制器中，最后得到每个单相级联模块交流侧需要合成的电压波形，实现有功功率均等分配控制。具体控制框图如图6所示。

图6 分层协调控制框图Fig.6 The hierarchical coordination control diagram

4 仿真与实验分析

4.1 仿真

利用Matlab/Simulink仿真软件搭建图1的系统仿真模型，仿真参数见下表。

图7为平衡前后A相直流侧电压波形。由图7a可以看出，只有上层控制时各模块直流侧电压不平衡较为明显，从240V到255V不等，且无明显改善迹象。图7b为加入有功功率均等分配控制后的直流侧电压波形，其直流侧电压基本趋于一致，稳定在给定值 250V左右。由此看出该控制方法可以有效地稳定级联STATCOM的直流侧电容电压，达到很好的平衡效果。

表 系统仿真参数Tab Main simulation parameters

图7 直流侧电容电压波形Fig.7 The waveforms of DC side capacitor voltage

图8为平衡前后A相输出电压的频谱图，只有上层控制时，输出电压的谐波畸变率THD=1.16%；加入该平衡控制后，THD减少到0.13%。通过加入有功功率均等分配的平衡控制方法可以有效地减少输出电压的谐波含量，使得输出电压波形质量良好。

图8 A相输出电压频谱Fig.8 The output voltage spectrum of single module A

图9为风电场并网的出口电压波形，将电网电压分别由 1.00(pu)跌落到 0.90(pu)再恢复到 1.00(pu)，由 1.00(pu)上升到 1.10(pu)再恢复到 1.00(pu)。可以看出，图9a为只有上层控制时风电场出口电压波形，可以看出，该级联STATCOM可以将风电场的出口电压由 0.90(pu)提高到 0.95(pu)左右，由1.10(pu)降低到1.04(pu)左右；图9b为加入该平衡控制后的波形图，可以看出，该级联 STATCOM 可以将其出口电压由0.90(pu)提高到0.99(pu)左右，由1.10(pu)降低到1.01(pu)左右。比较两图可得，加入该平衡控制方法可以提高该级联STATCOM风电场出口电压稳定性的能力，保证风电场并网安全稳定运行。

图9 风电场出口电压波形Fig.9 The waveforms of wind farms export voltage

4.2 实验

级联STATCOM每相采用3个H桥串联而成，主电路采用三角形联结，系统电压为220V，直流侧电容电压参考值为 80V，控制系统为基于 DSP F2812的STATCOM控制器，主要实现控制算法，产生脉冲触发信号等功能。图10显示为只有上层控制和加入平衡控制两种情况下A相各模块直流侧电压波形。可以看出，不加平衡控制时，A相各模块直流侧电压差异较为明显，最高电压为102V，最低电压为 64V，最大相差 38V，输出电压 THD为 2.78%；加入平衡控制后，各模块直流侧电压基本趋于一致，最高电压为102V，最低电压为99V，最大相差仅为3V，输出电压THD仅为1.85%。实验证明了该控制方法的有效性。

图10 各模块直流侧电容电压波形Fig.10 Waveforms of each module’s DC capacitor voltage

5 结论

本文通过分析风电场中级联STATCOM的数学模型，就其直流侧电压难以平衡问题，提出有功功率均等分配的控制方法来平衡级联STATCOM各桥直流侧的电容电压，该方法响应速度快、平衡效果好，特别适合应用于风电场这种波动比较明显的场合，保证风电场并网电压稳定性，提高风电场低电压穿越能力。理论分析和仿真结果表明：该方法可以有效解决级联STATCOM中直流侧电容电压的平衡问题，输出电压谐波含量少，具有较高的工程实用价值。

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