应用于风电场的D-STATCOM控制器设计

刘 贝，唐 杰，耿运涛，杨 允

（湖南邵阳学院电气工程系，湖南 邵阳 422000）

0 引言

分布式发电是解决能源紧缺与能源需求增加矛盾的有效途径[1-3]。分布式发电一般以风能、太阳能、生物质能等可再生能源为原料，与传统的以煤炭、石油等不可再生能源作为原料的火力发电相比，分布式发电具有清洁环保、投资小、灵活性高等特点，越来越受到人们的关注。风力发电作为一种发展较为成熟的发电方式备受关注，其装机容量也在逐年增加。然而，一方面风能所具有的随机性和间歇性，使风力发电的输出功率具有波动性，大量的风机并网后，对所接入配电网的稳定性、电能质量，尤其是电压质量产生了严重的影响。配电网的电压暂降、电压波动与闪变等电压质量问题也随之变得更加严重。另一方面分布式电源在并网的过程中，由于大量电力电子装置如逆变器、整流器等的投入使用，也使得配电网的电能质量进一步恶化。因此，由于以上原因造成的电能质量问题对风力发电的发展带来了不利影响，必须在含有风力发电分布式电源的配电网中装设电能质量治理装置，提高配电网的供电质量和供电可靠性。

配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）可以治理风电场电压跌落、电压波动与闪变等电能质量问题[4-6]。D-STATCOM具有补偿时间快、可连续补偿、装置损耗低、体积小、精准控制电压、具有自适应功能等优点，所以D-STATCOM的工作性能比传统电压质量控制装置具有更多的优势，因此，D-STATCOM是一种治理风电场电压质量问题的有效装置。针对D-STATCOM数学模型非线性、强耦合的特性，结合风电场的实际情况，论文提出了一种基于非线性PI控制和前馈解耦控制相结合的双闭环控制策略，并设计出了以TMS320F2812系列DSP为核心的D-STATCOM电压控制器，同时给出了原理样机治理电压质量的实验结果。

1 风电场用D-STATCOM的系统构成

风电场用D-STATCOM装置的系统构成结构图如图1所示，装置由主电路、控制电路、驱动电路和缓冲电路构成。图1中，us为电网电压，Upcc为公共连接点电压，Udc为D-STATCOM直流侧电容电压，ic为D-STATCOM交流侧输出电流。D-STATCOM主电路选用VSI-SPWM的拓扑结构，电路中功率开关器件选用IGBT，逆变器与电抗器串联后并入电网。D-STATCOM的控制系统以DPS处理器为核心，具有电压/电流检测、控制和形成触发脉冲等功能。风电场用D-STATCOM装置主要用于治理电压，其控制系统的作用就是采用既定的控制策略发出满足补偿要求的触发脉冲用以控制主电路功率开关器件IGBT。信号调理电路由数字和模拟电子电路组成，具有使电流电压信号放大、反向等功能。工控机主要用来储存数据，直观、实时地显示电气参量等。

图1 D-STATCOM装置系统构成

2 电压控制策略

风电场中D-STATCOM用于治理电压质量问题时要求具有很好的动态性能，而控制器作为静止同步补偿器的关键部分，直接影响到D-STATCOM的运行性能。针对D-STATCOM数学模型非线性、强耦合的特性，结合风电场的实际情况，提出了一种基于非线性PI控制和前馈解耦控制相结合的双闭环控制策略[7-10]。在控制策略中，电压外环采用非线性PI控制，可以提高电压外环控制器的快速性和稳定性能；电流内环采用前馈解耦控制，有效地解决有功电流和无功电流的耦合现象，实现有功电流和无功电流的独立控制。论文提出的风电场用D-STATCOM控制器的电压控制策略结构图如图2所示。

D-STATCOM电压控制系统采用双闭环控制结构，对于电压外环，公共连接点电压反馈值Upcc与其给定值U*pcc做比较，产生的误差经非线性PI调节器后形成无功电流指令值iq*；直流侧电容电压反馈值Udc与其给定值U*dc做比较，产生的误差经非线性PI调节器后形成有功电流指令值id*。而无功电流指令值iq*和有功电流指令值id*则作为电流内环的输入。逆变器输出交流电流ia、ib、ic经d-q变换所得的直流分量分别为id、iq。公共连接点三相电压ua、ub、uc经d-q变换所得的直流分量分别为ud、uq。对于电流内环，有功电流指令值id*与id做比较，产生的差值经PI调节后与ud以及iq的耦合值做比较得到ed；无功电流指令值iq*与iq做比较，产生的差值经PI调节后与uq以及id的耦合值做比较得到eq。ed、eq经过dq/abc变换后的信号经过PWM波产生电路，生成3对互补的6路PWM信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。

3 基于DSP的D-STATCOM控制系统设计

3.1 控制系统硬件结构

基于上述控制策略的D-STATCOM控制系统框图如图3所示，整个控制系统由TMS320F2812系列DSP及其外围电路、电压/电流采集电路、电压/电流信号调理电路、过压保护电路、过温保护电路等几部份构成。

图2 D-STATCOM电压控制策略结构图

图3 D-STATCOM控制系统框图

D-STATCOM控制系统为基于TMS320F2812的数字控制系统，控制系统的主要功能是根据电压补偿要求，采用论文提出的电压控制策略发出满足补偿要求的触发脉冲用以控制主电路功率开关器件IGBT。

TMS320F2812内置ADC模块有16个通道，但由于其数据分辨率只有12位，采样精度不足，控制效果不够理想，因此，装置通过采用外置AD芯片AD7656获得采样数据。AD7656是高集成度、6通道、16位、逐次逼近(SAR)型ADC，可采样±10V范围内的信号，不需要对采样信号进行抬升；同时，它的最高采样率为250kSPS，且芯片内置一个2.5 V内部基准电压源以及一个基准缓冲器；此外，AD7656还包含一个宽带采样保持放大器(T/H)，其作用在于得到使计算更为准确的同一时刻的各路模拟信号。

控制系统中的电压/电流采集电路用来实时采集逆变器直流侧电压、公共连接点电压、电网电压、逆变器输出侧电流，为DSP提供准确的电压/电流信号。A相捕获电路的作用是捕获A相电网电压的过零时刻，提供同步信号给软件锁相环，从而为逆变器的信号输出提供相位标准。信号调理电路由数字和模拟电子电路组成，具有使电流电压信号放大、反向等功能，在具体实施中，信号调理电路往往集成在DSP控制板上。此外，保护模块为系统的稳定和安全运行提供了快速稳定的保护作用。在论文的控制系统设计中，采用了硬件和软件相结合的双重保护，主要包括过温保护、输出过流保护、直流侧电压保护、IGBT故障保护等几种保护。

3.2 控制系统软件功能模块

控制系统以DSP处理器为核心，控制系统的软件功能模块结构如图4所示，整个控制器的软件功能模块主要包括采样模块、补偿信号检测模块、控制模块、触发脉冲形成模块、故障检测与保护模块。DSP首先控制采样模块进行电压、电流信号的采集，采样完成之后DSP通过补偿信号检测模块提取补偿信号，然后DSP将补偿信号提供给控制模块，控制模块执行包括非线性PI控制和解耦控制在内的控制算法，最后触发脉冲形成模块对控制模块产生的控制信号进行处理生成3对6路互补的PWM调制信号。同时，DSP通过故障检测与保护模块为控制系统提供软件保护，防止对控制系统造成损害。

图4 控制系统软件功能模块结构图

4 实验结果

为了验证论文设计的基于DSP的D-STATCOM控制器的电压控制性能，将控制器应用于实验室的D-STATCOM实验样机，并进行实验。在实验过程中，不启动D-STATCOM装置时，在某一时刻将感性无功负荷柜投入运行，从工控机中观察此过程中公共连接点（PCC）电压波形，实验波形如图5(1)所示。然后启动D-STATCOM装置重复进行同样的实验，观察实验过程中公共连接点电压波形，实验波形如图5(2)所示。

从图5可以看出，当D-STATCOM投运后，D-STATCOM对公共连接点电压有很好的补偿作用，且其响应时间略大于一个周波，证明所设计的控制器是有效的、可行的。

5 结论

针对风电场存在的电压暂降、电压波动与闪变等电压问题，提出的一种基于DSP的D-STATCOM控制器的设计方案，给出了D-STATCOM控制器的软、硬件设计。实验结果表明，论文提出的D-STATCOM控制器设计方案，能够有效地解决风电场电压暂降、电压波动与闪变等问题，满足D-STATCOM电压控制要求，能够提高风电场的安全稳定运行能力，具有较好的工程应用前景。

图5 D-STATCOM投运前后PCC电压波形

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