链式STATCOM定频直接功率控制策略

王 伦,赵 悦

(国家电投集团 黄河上游水电开发有限责任公司,青海 西宁 810008)

0 引 言

电力电子设备增强了电力系统的可控性,但也有可能导致电网谐波失真、功率因数差、相位不平衡等电能质量问题[1-3]。为提高电网电能质量,提出了许多电力电子技术相关的电能质量方案。STATCOM是近年来发展起来的技术之一,它能为系统提供瞬时无功功率,有效提高系统的电能质量指标。在电压型STATCOM中,链式STATCOM具有模块化结构，扩展性好，响应速度快，增强输出电流波形等优点,是传统的两级VSC-STATCOM的高级替代方案[4-8]。

交流侧电流控制技术和直流侧电容电压平衡技术是链式STATCOM的核心技术。交流侧电流控制技术又可以分为外部控制策略和内部调制策略。链式STATCOM最常用的外部控制策略是系统电压和电流双闭环控制策略,然而在实际应用中,链式STATCOM的额定功率也是其重要指标。在双闭环控制系统中,如果电压出现一定的波动,其输出功率的波动为电压波动的平方,这将严重影响系统的功率平衡[9-10]。链式STATCOM的内部调制策略可以分为阶梯波调制[11]、多电平空间矢量PWM[12]、多载波PWM、载波相移PWM[13]等,其中,阶梯波调制法输出特性较差，多电平空间矢量PWM法实现较复杂，多载波PWM法和载波相移PWM法虽然实现简单,但是其直流电压利用率有待提高,且该方法对直流电容电压平衡的影响还需进一步分析。以上几种调制策略均未考虑到链式STATCOM子模块电容均压问题,需引入额外的电容电压平衡技术,主要的方法有电容侧并联电阻法[14]、调节各链节输出电压相角法[15]、外部能量交换法[16]、直流母线能量交换方法[17]等,但这些方法一方面可能需要外部硬件,增加了系统体积和重量,另一方面增加了装置损耗和成本,目前应用较多的是直流侧电容电压均衡软件算法[18-21]。

本文在现有功率控制理论的基础上,结合链式STATCOM的实际问题,系统推导了链式STATCOM直接功率控制(direct power control,DPC)策略的数学模型,提出一种适用于链式STATCOM的开关频率固定的DPC-SVM策略。DPC-SVM策略在调制部分采用直流电容电压自平衡的空间矢量调制策略,该调制策略采用参考电压分解和目标函数优化相结合的方式,通过参考电压分解法提高了系统直流电压利用率,降低了调制过程的复杂性,快速高效地找到所有的候选开关序列，并计算出各开关状态的作用时间,通过目标函数优化法选择最优开关序列实现调制和直流电容电压的平衡。DPC-SVM策略在控制部分采用电压功率双闭环控制,在电压外环中,采用电压的平方作为给定和反馈量降低电压的波动,在功率内环中应用PI控制器和解耦控制实现瞬时功率的快速稳定控制。

1 直接功率控制模型

根据经典的瞬时无功功率理论,链式STATCOM的直接功率控制数学模型如式(1)所示。

(1)

在该模型的基础上,提出一种链式STATCOM的DPC-SVM策略,其基本原理如图1所示。

图 1 链式STATCOM的DPC-SVM策略原理图

如图1所示,DPC-SVM策略对链式STATCOM各子模块直流电容电压的实时采样求和得到直流侧总电压Udc,Udc的平方和给定参考Udcr2的误差经过PI控制器得到链式STATCOM有功功率参考量p*,无功功率的参考量q*由系统实际所需无功功率决定。采样交流侧电压(usa,usb,usc)和电流(ica,icb,icc)可计算出系统瞬时有功功率p、瞬时无功功率q和网侧电压相位θ。系统给定有功功率p*、无功功率q*与实际值的差经PI控制器后得到d、q坐标系下参考电压urd、urq。urd、urq、θ及各子模块的电容电压即为链式STATCOM调制策略的给定。

2 链式STATCOM的SVM策略

本文提出一种基于参考电压分解和目标函数优化的新型SVM策略,在实现调制目标的同时兼顾子模块电容电压的平衡。新型SVM策略将链式STATCOM参考电压矢量Vref分解为偏移矢量Voff和新参考电压矢量。新参考电压矢量将位于以Voff为中心的两电平SVM区域,因此将新参考电压矢量命名为Vtwl。然后用两电平SVM策略确定构成Vtwl的基本矢量以及各矢量对应的作用时间。最后将得到的基本矢量与偏移矢量Voff相加即可得到合成链式STATCOM参考电压矢量Vref的各矢量及矢量作用时间。为实现子模块电容电压自平衡,在得到合成Vref的各矢量及矢量作用时间后,需确定各矢量构成的候选开关序并根据目标函数确定最终输出开关序列。

2.1 候选开关序列集的确定

2.2 目标函数的选择

本文通过目标函数选择合适的开关序列来实现直流电容电压的平衡。考虑到链式STATCOM中直流侧电容电压的相间不平衡和相内不平衡可能同时存在,因此在目标函数中将相间不平衡和相内不平衡都作为考虑因素,具体的目标函数为

(2)

式中:G(k+1)为第(k+1)周期的目标函数;udc，i(k+1)表示(k+1)周期i(i=a,b,c)相的总电压;udc，in(k+1)表示(k+1)周期i相第n(n=1,…,N)个模块的电容电压;N为子模块数;Udcr表示系统直流侧参考电压;k1和k2分别为相间不平衡和相内不平衡的权重系数;实际中认为相间不平衡和相内不平衡具有相同的重要性,选择k1=k2=0.5。

3 控制器设计

3.1 功率内环控制器设计

链式STATCOM的DPC-SVM策略由电压外环、功率内环组成。功率内环控制器的设计直接关系到系统的性能,以下给出DPC-SVM策略功率内环的设计方法。

系统d、q轴变量相互耦合,为了提高系统控制性能,采用前馈解耦控制策略,系统的控制方程为

(3)

3.2 电压外环控制器设计

外环控制器是本文所提DPC-SVM策略的另外一个核心,在传统电压电流双闭环系统中,直流电压作为外环给定,但在链式STATCOM直接功率控制系统中,外环的直流电压与内环的瞬时功率之间无法直接对应。为了得到更好的控制效果,需对链式STATCOM系统的电压外环进行重新设计。

考虑到功率内环的响应速度远远快于电压外环且可实现功率无差控制,在设计电压外环参数时,可以将功率内环等效为一阶惯性系统,设传递函数为

(4)

式中:Tp为功率内环的响应时间。

设RL为直流侧等效电阻,在链式STATCOM系统中,忽略功率在器件上的损耗,则针对三相有功功率p有

(5)

根据式(5),Udc与有功功率p的传递函数无法写出,但是可以写出Udc2(令U′=Udc2)与有功功率p的传递函数，即

(6)

根据式(6)可知,若外环给的为Udc2,经过PI控制器可得到内环功率的给定,根据典型II型系统PI参数设计准则[21],可以得到外环的PI参数(其中h为中频宽,工程上往往取5)如下:

(7)

式中:Kop,Koi分别为外环PI控制器的比例和积分增益。

4 仿真和实验

仿真实验中,三相交流电网电压为220 V,频率为50 Hz,并网电感为4 mH,模块直流电容容值为2 700 μF,每相子模块数为3,子模块额定直流电压为220 V,单模块功率器件的开关频率为5 kHz,采用三相阻感负载,其值为(10 Ω+10 mH),仿真和实验中电压环PI参数分别为0.1和6,电流环PI参数分别为7和100。

图2所示为链式STATCOM工作时的a相3个直流电容电压情况,仿真时长为0.1 s,3个模块电容初始电压为150 V,通过仿真可知,经过约一个周期(0.02 s)3个直流电容电压udc,a1,udc,a2和udc,a3就稳定在额定电压220 V。

图 2 链式STATCOM工作时a相3个直流电容电压情况

图3为链式STATCOM输出功率情况。由图2、3可知,链式STATCOM的每个子模块的直流电容电压超调很小且调节时间很短,这说明本文提出的链式STATCOM直接功率控制策略具有较好的控制效果和动态性能;在直流电容电压的平衡控制方面,每个直流电容电压被很好的控制在近似相等的范围内,在输出功率方面,除开始启动阶段链式STATCOM从电网吸收一定的有功功率外,在稳态时链式STATCOM基本不消耗有功功率。

图 3 链式STATCOM输出功率情况

图4为链式STATCOM输出线电压脉冲情况。从图4可知,本文提出的参考电压分解SVM策略能较好的完成调制功能。

图 4 链式STATCOM输出线电压脉冲情况

图5所示为链式STATCOM投入运行时a相各电容电压情况。

图 5 链式STATCOM中a相各子模块直流电容电压波形

图6为链式STATCOM工作时的电网电压、入网电流和系统瞬时功率波动情况。其中,入网电流THD在仿真和实验结果分别为2.54%和3.47%,瞬时有功功率波动在仿真和实验结果分别为22 W和26 W,瞬时无功功率波动在仿真和实验结果分别为10 var和24 var,模块直流电容电压波动仿真和实验中的结果分别为5 V和12 V。通过仿真和实验结果的对比可知,本文提出的DPC-SVM策略较好的控制了链式STATCOM的工作,补偿了负载中的无功成分,且保持了每个子模块直流电容电压的稳定,在满足入网电流THD要求的同时可以将瞬时功率波动控制在额定功率的1%以内。

图 6 电网电压、入网电流及瞬时功率波动

5 结 语

针对链式STATCOM,首先介绍了其控制策略和直流电容电压平衡的研究现状,在此基础上,结合链式STATCOM的实际问题,提出了一种开关频率固定的DPC-SVM策略,该策略在调制部分应用参考电压分解和目标函数优化的方法在高效快速实现调制目标的同时兼顾了单个链节直流电容电压的平衡。在控制部分,该策略应用电压功率双闭环和解耦控制实现了开关频率的固定。进一步的研究应该考虑该算法对系统开关损耗的影响,并对其进行优化。