风电场中静止同步补偿器的前馈解耦控制

耿运涛，唐杰，王璐

（邵阳学院，湖南邵阳 422000）

0 前言

随着风电资源的开发利用，风电并网所带来的谐波污染、电压波动及闪变等配电网电能质量问题无论是对配电网本身的安全、稳定、经济运行，还是对配电网中的敏感负荷都会造成重要的影响，成为了制约风电资源开发的严重障碍。因此必须采取一定的措施使供电电压维持稳定。

静止同步补偿器( STATCOM ) 是一种重要的基于电力电子器件的“用户电力”装置, 能综合治理配电网中的多种电能质量问题[1-5]。STATCOM 通过适当地调节逆变桥交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制交流侧电流就可以调节公共连接点（Point of Common Coupling,PCC）处的电压幅值，使之维持恒定，有效的解决电压波动和不稳定问题。STATCOM 具有的动态响应速度快,能够连续调节,装置损耗低、体积小等优点,使其性能优越于传统电压质量控制装置，是一种治理风电场电能质量的有效方法。

STATCOM 的工作性能受其所采用的控制策略影响很大[6-9]。STATCOM 采用传统 PI控制策略实现双闭环控制时存在很多不足：电流内环存在的耦合现象使得有功电流和无功电流不能独立控制，影响装置的响应速度和补偿性能。且双闭环控制系统采用的4个相互影响PI控制器，给控制器的设计带来了困难，其参数的不当设计有可能引起系统的不稳定。因此，采用合理的控制策略对STATCOM的工作性能至关重要。

论文采用了前馈解耦的控制策略[10-14]，给出了STATCOM的双闭环控制结构，并通过仿真针对电压补偿的效果与传统PI控制策略进行比较。实验结果表明采用前馈解耦控制策略设计的STATCOM满足电压补偿要求且比传统PI控制策略具有响应速度快，有功电流和无功电流可独立调节的优点，满足STATCOM应用于风电场的电压控制要求，具有很好的工程应用前景。

1 STATCOM系统数学模型

STATCOM接入系统的单相等效电路如图1所示。

图1 STATCOM接入系统的单相等效电路图

图1中，R、L分别为连接电抗器的等效电阻和电感，C为直流侧电容，Upcc为公共连接点电压，e和i分别表示STATCOM逆变器输出电压和电流，iL表示负载电流。

假设三相电网电压是平衡的，利用图1所示的STATCOM接入系统的单相等效电路在只考虑基波成分的条件下，建立同步坐标系 STATCOM的数学模型。根据基尔霍夫电压定律在三相静止坐标系中建立 STATCOM 的数学模型如(1)式所示。其中，ua、ub、uc为电网PCC点的瞬时电压，ia、ib、ic和ea、eb、ec分别为 STATCOM 交流侧的瞬时电流和瞬时电压。

把三相静止坐标系下的数学模型(1)通过空间矢量变换理论变换为两相静止αβ坐标系下的数学模型：

对式(2)进行同步旋转变换，可得系统在两相旋转d-q坐标系下的数学模型：

其中，ω为配电网的基波角频率。

对式(3)进行拉普拉斯变换后得到的STATCOM系统结构图如图2所示。

图2 STATCOM系统结构图

由以上分析可以看出，电流内环存在耦合现象，不利于有功电流和无功电流的独立控制，影响装置的响应速度和补偿性能。

2 STATCOM前馈解耦控制策略

前馈解耦控制策略是建立在STATCOM同步坐标模型上的一种双闭环控制策略，利用前馈解耦控制实现电流内环的解耦控制。将式(3)调整后写成矩阵形式的状态方程为：

当采用前馈解耦控制策略时，

可得ed、eq的控制方程为：

将式（7）代入式（3）得：

由上式(8)可知，通过前馈解耦控制策略可以实现电流内环有功电流和无功电流的控制互不影响，即实现电流内环解耦控制，从而降低控制系统的设计难度，便于电流调节器的设计。相应的电流内环控制器原理图如图3所示。

图3 电流内环前馈解耦控制原理图

3 指令信号的获取

STATCOM 在进行电压实时补偿时系统存在的各种损耗使得直流电压产生大的波动而使补偿系统无法正常工作。因此必须采取措施使得直流侧电压稳定在正常范围之内。论文采用直流侧电容电压的参考值与实际测量值比较后产生的差值经过PI调节后形成有功电流指令值，然后通过装置与交流系统进行有功交换的措施，如图4所示。

图4 直流侧电压PI调节

STATCOM 直接控制交流侧向公共连接点（PCC）注入或者吸收满足要求的无功电流可以使公共连接点处的电压幅值维持恒定，有效的解决电压波动和不稳定问题。论文中STATCOM电压外环采用传统 PI控制策略时的控制原理图如图5所示。公共连接点电压指令值与实际测量值的误差经PI调节后形成无功指令电流信号。

图5 交流侧电压PI调节

综合电流内环前馈解耦和电压外环控制，可得STATCOM双闭环控制原理图。如图6所示。图中STATCOM双闭环控制系统包含了4个控制器：内环d轴电流跟踪控制器和外环直流侧电压控制器，内环q轴电流跟踪控制器和外环PCC电压控制器。

4 仿真分析

4.1 系统仿真参数

STATCOM 装置在闭环并网用于电压补偿时的目的是维持公共连接点电压和直流侧电容电压为各自的参考值。论文采用 Matlab仿真软件对采用前馈解耦控制策略和采用传统 PI控制策略时STATCOM公共连接点电压波形和直流侧电容两端的电压波形分别进行了比较分析。通过仿真对比分析验证STATCOM的前馈解耦控制策略的正确性和有效性。系统相关参数如表1所示。

4.2 有功/无功解耦性能分析

通过有功电流和无功电流的阶跃响应验证在采用前馈解耦策控制器时对有功电流与无功电流的独立控制，先设定有功电流和无功电流为一定值，在某个时间令有功电流突变，通过波形分析看是否影响无功电流。如图7所示，图a)中令id=0，iq=1，在时间0.05s时令iq突变为2，从图b)可以看出，在iq突变时，保持id为0不变。图7说明采用前馈解耦策控制器时，无功电流的突变对有功电流没有影响，能实现无功电流与有功电流的独立控制。

4.3 控制性能分析

为了验证控制器的控制性能，仿真过程中通过无功负荷的投切来模拟公共连接点电压和直流侧电压的波动现象。

图8给出了在t=0.2 s时突加无功负荷情况时两种控制策略下公共连接点a相电压的波形，在t=0.5 s时，去除无功负荷的影响使电压恢复到原来的水平。从图8中可以看出，在电压突变时，采用解耦控制策略时的电压波动比采用传统的PI控制时较小，电压更稳定，说明解耦控制比传统的PI控制具有更好的动态性能。

图9给出了直流侧电压udc的波形，从图9中可以看出，与采用传统的PI控制策略相比，采用解耦控制策略时，直流侧电压超调量小，响应速度快。在t=0.2 s至t=0.5 s无功负荷引起公共连接点电压下降时，尽管两种策略都会引起直流侧电容两端电压的波动，但这种波动的幅度并不大,且采用解耦控制策略的时的直流侧电容电压波动更小。

5 结论

通过对系统电路结构的分析获得了系统的数学模型，针对该系统存在的耦合性设计了STATCOM 的前馈解耦控制系统。采用前馈解耦控制策略实现有功电流和无功电流的解耦控制，建立了STATCOM的双闭环控制系统，并与传统PI控制系统进行仿真比较。仿真结果表明，采用前馈解耦控制后，PCC点电压和直流侧电压都能及时、有效地调整到期望值，且与传统PI控制系统相比，抗扰性能明显，具有超调量更小、响应速度更快等优良的动态性能，满足STATCOM应用于风电场的电压控制要求，具有很好的工程应用前景。

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