大型光伏电站角形级联STATCOM电压控制策略

谢 宁 ，陈晓科 ，徐晓刚 ，曾 杰 ，张 弛 ，楚 烺

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院 广东省智能电网新技术企业重点实验室，广东 广州 510080；2.广州供电局有限公司，广东 广州 511450）

0 引言

光伏、风能、燃料电池等可再生能源发电具有损耗低、发电方式灵活、利于环保等优点得到了广泛的关注与研究，越来越多的新能源以分布式电源DG（Distributed Generation）的形式接入微电网，再连接至公共电网［1-2］。随着大量DG接入电网，DG的渗透率增大，给配电网乃至输电网的电压、电能质量等带来一系列的影响。间歇式电源输出有功功率的波动、大功率负载的突变、不对称负载的接入、电网发生的故障等都会导致公共连接点（PCC）电压波动，引起电压跌落、闪变及不对称等问题。电网电压波动会增大系统损耗、降低系统容量，影响功率负荷正常运行，降低DG出力，严重情况下会导致并网逆变器失去稳定而退出运行［3-4］。根据IEEE标准Std 1547.2—2008和国家电网公司《分布式电源接入电网技术规定》，DG并网后公共连接点电压波动不能超过±5%，三相电压不平衡度不应超过2%。因此，为充分发挥DG的优势，维持电网电压稳定，有必要对公共连接点电压进行控制。

静止同步补偿器（STATCOM）具有响应速度快、投入系统无谐振等优点，已在调节电网无功功率、稳定公共点电压、提高DG低电压穿越能力等方面得到广泛应用。文献［5］提出用静止无功发生器来抑制公共连接点不平衡电压，其既发挥了STATCOM补偿系统无功功率的优势，又在电网电压严重不平衡时扩展了STATCOM的补偿功能。电网电压跌落时，恒速风机需要消耗大量的无功功率容易引起电压振荡，为增强恒速风机的低电压穿越能力，提高风电场暂态电压稳定性，文献［6］利用STATCOM对风电场无功进行实时快速控制，抑制不平衡电压跌落时负序电压产生的转矩振荡；文献［7］针对DG渗透率高的配电网，采用STATCOM对负序电压进行补偿；文献［8］提出了一种STATCOM支撑正序电压和抑制负序电压的控制策略，减少电网电压波动，从而降低DG功率波动对配电网电压的影响。

STATCOM可以采用不同的拓扑结构设计，由于开关器件的限制，两电平式的STATCOM多应用于低电压等级，为实现高电压和大容量输出，文献［9］设计了一种六边形结构的功率补偿器。基于级联H桥结构的STATCOM具有结构模块化、输出特性理想等优点，是目前高压、大容量应用场合中解决电能质量问题最有效的方案之一。三相级联STATCOM可以采用2种典型的拓扑结构：H桥单元呈星形级联结构的STATCOM和H桥单元呈三角形级联结构的STATCOM。星形级联STATCOM承受相电压，但其负序补偿能力有限；角形级联STATCOM承受线电压，可以补偿负序电流。文献［10］详细分析了不平衡电压工况下星形级联STATCOM的运行特性，并提出了维持补偿器稳定运行的控制方法。为维持角形级联STATCOM的稳定运行，文献［11］提出了一种三级平衡控制策略，包括整体、相间和相内功率平衡控制，利用三相有功电流矢量合成零序电流指令；文献［12］提出了一种新的基于平衡分量法的无功补偿导纳计算方法，对系统电压不对称时的Steinmetz理想补偿网络算法进行了改进；文献［13］针对不对称电压下STATCOM补偿不平衡负载效果不理想的问题，分析了电网电压负序分量与补偿偏差之间的关系，提出了一种基于网侧电流闭环的角形级联STATCOM环流控制方法，从而消除负序电压造成的补偿偏差；文献［14］提出了角形级联STATCOM分相瞬时电流控制方法，并研究了不平衡电压下的电压控制模式，将三相链节等效为三相可变导纳，合适地选择补偿导纳可将负载补偿到平衡，同时三相电压也被补偿到平衡。上述角形级联STATCOM控制方法多侧重于不平衡负载的补偿导纳的求解或补偿性能的改进，而对公共连接点电压控制的说明较少。

DG出力的波动、不对称负载的接入、电压非对称性故障都会引起公共连接点电压波动。本文提出一种基于正负序同步旋转坐标系的角形级联STATCOM电压支撑策略。角形级联STATCOM可稳定电网正序电压，减少公共连接点电压波动，同时抑制公共连接点电压负序分量，改善电网电压不平衡度，并给出了正负序电流指令的求取方法。再结合角形级联STATCOM相电流与线电压的约束关系，提出一种角形级联STATCOM控制方法，改善变换器动态响应性能，并维持补偿器稳定运行。最后，在PSCAD／EMTDC环境中搭建角形级联STATCOM仿真模型，验证了所提控制策略的正确性和有效性。

1 电压控制策略

以大型光伏电站为例，其典型系统拓扑结构如图1所示。2台光伏逆变器（带有相应容量的光伏组件）与1个双分裂变压器组成一个发电单元，多个发电单元在交流母线汇流并经升压变升压至高压母线，其中Zg为线路阻抗，STATCOM直接连接在交流母线上，稳定电网正序电压，抑制负序电压，并且在故障状态下控制公共连接点电压以提高DG的故障穿越能力。

在电网发生故障的情况下，通过合理地控制并网逆变器输出的有功和无功功率可以支撑连接点电压，已有一些文献对故障工况下并网逆变器的控制策略进行了研究［15-16］，但单个并网逆变器的容量通常较小，需进行多逆变器的协同控制，级联多电平的STATCOM可直接接入中高压电网，在中高压电能质量控制领域中得到了广泛的应用，本文重点研究的是STATCOM电压支撑策略。光伏电站中逆变器一般采用电流源并网控制策略，对于配电网而言可将其等效为受控电流源［17-18］。

STATCOM向电网注入正序无功电流稳定正序电压，注入负序电流抑制负序电压。根据图1所示系统拓扑结构，可建立分布式光伏电站系统等值电路如图2所示。图中，e为电网电压；Zg=Rg+Lg为线路阻抗；u为公共连接点电压；ZT为变压器等效阻抗；ipv为光伏逆变器输出电流；i为STATCOM输出电流；ig为电网侧电流。

图2 光伏系统等值电路Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic system

根据图2所示的系统等值电路，可得公共连接点电压和电网电流方程为：

由式（1）可知，合理地控制STATCOM输出的电流可调节公共连接点电压。不对称故障下STATCOM补偿公共连接点电压的矢量示意图如图3所示，正序电压发生跌落时产生负序电压。

图3 电压补偿矢量示意图Fig.3 Schematic diagram of voltage compensation vector

图中为STATCOM输出的正序无功电流相量，其与公共连接点电压正序相量垂直；IN为STATCOM输出的负序电流相量；和分别为无功电流和负序电流在线路阻抗上产生的电压相量。电网电压正、负序相量与线路阻抗上产生的电压叠加得到公共连接点电压的正、负序相量UP、UN，即：

根据图3所示的电压矢量示意图可知，设定正序无功电流和负序电流控制指令，可以调节线路阻抗上产生的电压，从而实现对公共连接点电压的控制。设定锁相环计算同步相角ωt时，同步相角是根据正序电压d轴分量与A相正序电压重合时计算得到，此时正序电压幅值为且连接点电压控制如图4所示。图中，和分别为正序电压d、q轴分量；和分别为负序电压d、q轴分量；和分别为负序电流d、q轴分量指令。

首先检测公共连接点三相电压，并提取其正、负序电压分量；然后将其分别与电压指令负序有功指令（0）及负序无功指令（0）作差，再经 PI控制器调节得到正序无功电流指令和负序电流指令通常设定正序电压幅值指令为电压额定值，而当设定负序电压指令为0时可实现负序电压的完全补偿，实际中也可根据STATCOM的容量具体设定指令值。

图4 公共连接点电压控制框图Fig.4 Block diagram of PCC voltage control

三相三线制电网不含零序电压，故公共连接点电压不平衡时含有正序和负序电压分量，公共连接点不平衡相电压可表示为：

根据图4得到的STATCOM电流指令为线电流指令，可以表示为：

根据式（3）和式（4）所示的电压和电流，可得补偿器的三相有功功率和无功功率的直流分量为：

由上可知，若负序电压和负序电流相量不垂直，则负序电压和电流产生的有功功率不为0，此时需在补偿器线电流中引入额外的正序有功电流分量使得补偿器正序电压与正序电流产生的有功功率抵消负序电压与负序电流产生的有功功率，从而维持补偿器整体功率平衡，即：

根据式（6）可得正序有功电流为：

2 角形级联STATCOM控制

角形级联STATCOM的结构示意图如图5所示，STATCOM三相呈角形连接，每相链节由N个H桥子模块与电抗器级联组成，三相可直接接入中高压电网。 图中，ua、ub、uc为接入点相电压；uab、ubc、uca为线电压；ia、ib、ic和 iab、ibc、ica分别为补偿器线电流和相电流；i0为角内零序环流。

图5 角形级联STATCOM结构示意图Fig.5 Schematic diagram of delta-connected cascaded STATCOM

角形补偿器常以相电流为控制量进行电流跟踪控制，设角形补偿器线电流指令信号为则相电流与线电流的转换关系如下：

上述转换矩阵非满秩，已知线电流求取相电流存在多组解。引入补偿器角内零序环流的约束条件：

可得相电流指令信号的唯一解为：

由式（10）可知，由线电流指令信号和零序环流指令信号便可得相电流指令信号。

角形级联STATCOM不含公共直流侧，不平衡工况下线电压与补偿器相电流在各相链节上产生的有功功率对称，零序电流可以作为角形STATCOM额外的控制自由度，转移链节间有功功率，从而实现三相功率再平衡。设电网线电压和补偿器相电流分别如式（11）、（12）所示：

可得角形级联STATCOM的三相有功功率为：

为维持STATCOM三相链节电容电压稳定，各相链节有功功率必须为0，即Pab=Pbc=Pca=0，结合式（4）、（7）、（12）所示电流指令和式（3）、（11）所示电压，可求解得零序电流表达式为：

由式（14）可知，零序电流分量与电压正序、负序分量，负序电流及引入的正序有功电流均有关。

本文所提角形级联STATCOM控制策略如图6所示。图中，为单个模块直流电压参考值；uavex为x相链节n个模块直流电压的平均值；Ip为基波正序电流幅值指令，由x相链节电压外环PI控制器得到；ixp为基波正序有功瞬时值指令信号；urx为级联STATCOM的x相链节调制指令信号；Δuxy为x相链节中第y个模块的电压平衡控制调制指令信号；udaby为ab相链节中第 y个模块的直流侧电压值，y∈｛1，2，…，n｝；udbcy为 bc 相链节中第 y 个模块的直流侧电压值；udcay为ca相链节中第y个模块的直流侧电压值；n为每一相链节所级联的模块数目；udxy为x相链节中第 y个模块的直流侧电压值，x∈｛ab，bc，ca｝。CPS-PWM是载波移相调制策略。多电平载波移相调制策略是采用多个三角形载波信号和正弦参考信号，通过它们之间的比较产生开关信号。H桥子模块个数为n的链节，各H桥分别采用频率幅值相同，相位依次相差π／n的三角载波和同一个调制波进行比较，根据载波和调制波幅值大小来得到开关器件脉冲。载波移相调制中，各级联模块输出功率基本均衡，特别适用于级联多电平变频器及不需要提供有功功率的场合。

本文所提角形级联STATCOM控制策略包括正负序电压电流检测、指令计算、指令合成和链节电压电流控制4个部分。

a.正负序电压电流检测。采用二阶广义积分法提取电压正负序信号及同步相角ωt，本文采用此方法检测得到正负序电压的dq轴分量信号

b.零序和正序有功电流指令计算。根据图4所得电流 dq 轴指令信号及式（7）、（14）所述正序有功和零序环流幅值表达式，计算环流和线电流有功电流幅值指令

c.相电流指令合成。正、负序电流dq轴指令信号经正负序 dq／abc变换得到线电流指令和根据式（10）所示线电流指令与零序电流指令，合成各相链节相电流指令信号和

d.H桥链节电压电流控制。每相链节电容电压控制包括整体电压平衡控制和相内电压平衡控制。整体电压平衡控制采用PI控制器，调节每相链节有功电流；通过在各H桥模块的调制信号中叠加纯有功调节信号，维持相内各模块电容电压平衡。内环电流采用准谐振PR控制得到各链节调制信号，经载波移相调制出PWM波控制各开关动作。

3 仿真分析

为验证本文理论推导及所提控制方法的正确性，在PSCAD／EMTDC环境中搭建了仿真模型。仿真参数如下：交流系统线电压为380V，桥臂子模块数为2，桥臂电抗L为3Ω，子模块电容值为5 mF，载波频率fs为5 kHz，线路电阻Rg为0.01 Ω，线路电抗Lg为 1 Ω。

设置0.4 s时电网侧发生接地故障，0.6 s时开始实施电压控制。仿真结果如图7所示，图中，从上至下依次为公共连接点三相电压、计算得到的正序和负序电压幅值、电压不平衡度k=UN／UP、角形级联STATCOM相电流、角形级联STATCOM线电流、角形级联STATCOM环流指令和环流电流及角形级联STATCOM三相链节电容电压的波形曲线。由图7可知：电网侧发生接地故障后，三相电压不再对称，产生了负序电压，且正序电压发生了跌落；在角形STATCOM控制下，公共连接点正序电压幅值回升至额定值，而负序电压得到了有效地抑制；角形补偿器相电流和线电流中含有正负序分量；采用本文所提控制策略角形级联STATCOM三相电容电压始终维持动态平衡。仿真结果验证了本文所提电压控制策略的正确性和有效性。

图6 角形级联STATCOM控制框图Fig.6 Block diagram of delta-connected cascaded STATCOM control

图7 仿真结果Fig.7 Simulative results

4 结论

STATCOM能够调节电网无功功率、稳定公共连接点电压、提高DG低电压穿越能力等。针对不平衡电压工况，本文提出了一种适用于角形级联STATCOM的电压控制策略，能够支持电网正序电压，减少公共连接点电压波动，并抑制公共连接点电压负序分量，改善电网电压不平衡度；给出了正负序电流指令的求取方法，并结合角形STATCOM相电流与线电压的约束关系，改进了角形级联STATCOM的控制方法，实现公共连接点电压控制的同时维持补偿器稳定运行。

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