基于光伏STATCOM/BESS装置的边缘物联终端控制策略研究

杨黄河 王勇 程鑫

摘 要：由于光伏发电本身具有随机性和波动性，在其并入大电网过程中容易引起较大冲击，造成电网频率、电压等指标的波动，影响电网安全运行。采用带有蓄电池（BESS）的柔性交流输电装置（STATCOM）来补偿光伏并网过程出现的问题。针对STATCOM/BESS装置传统直接控制策略（DPC）存在的不足，提出一种基于电压空间矢量技术（SVPWM）与预测直接功率控制（P-DPC）相结合的控制策略。该策略针对以往策略对无功补偿的不足，在控制指标里加入了无功功率，重新推导了STATCOM交流侧电压表达式;在功率预测时为减小误差，引入埃米尔特插值法（Hermite）进行功率插值;采用SVPWM技术完成三相桥臂导通状态的判断，避免引入电流谐波，降低对开关器件的损耗。Matlab/SimuLink仿真结果表明，所提策略与传统直接功率控制策略相比，具有更快的动态响应速度，以及较准确的功率追踪精度。

关键词：分布式电网;STATCOM/BESS装置;边缘物联终端;无功补偿;功率控制;电压空间矢量技术

中图分类号：TP211;TM714文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

微电网是为了使分布式光伏電源与大电网更好地相结合而产生的新型电网形式[1]，其是指由分布式电源、保护装置、负荷、储能装置和监控等组成的电网系统[2]。微电网旨在实现分布式电源的灵活和高效应用，对单独的大电网系统进行维护，不仅能保证系统供电质量的可靠性和稳定性，还可保证其在与大电网并网时造成的影响比较小。然而，光伏微网的输出功率受到分布式光伏电源输出功率的随机影响而产生波动，使得负载供电功率的可靠性受到很大威胁[3]，并且在与大电网并网后，也会影响电力系统的可靠性和稳定性[4]。因此光伏微网的功率平衡问题是一大难点。

静止无功补偿器（STATCOM）只能调节无功功率，如果将其输入端连接储能装置（BESS），这样就具有了双向调节有功功率的功能。当STATCOM/BESS装置应用于光伏微网中时，并加以合理的控制策略，就能够实现对功率进行选择性的补偿，保证电网的可靠性和稳定性[5]。所以，为STATCOM/BESS装置选取合适的控制策略也尤为重要[6]，准确适当的控制策略可以精确地追踪功率的变化，还能够根据功率的变化进行分析，从而决定下一步的动作。

STATCOM/BESS的控制策略多采用直接功率控制方式（Direct Power Control，DPC），其是根据瞬时功率理论建立起来的，DPC可以直接对有功和无功功率控制[7-9]。这种控制方式具有其他控制方式无法比拟的优越性，如相对简单的结构和算法，所需硬件配置要求不高;但经典DPC控制通过滞环比较器和预定的开关表选择输出的电压矢量。这种控制方式受较多因素影响，若滞环比较器具有不稳定的开关频率，则对输出端滤波电感的设计是较大的挑战，且对电路开关频率和采样频率要求很高。基于此，本文提出一种改进型预测直接功率控制策略，将预测直接功率控制（Predictive Direct Power Control，P-DPC）与空间电压矢量技术（Space Voltage Vector Technique，SVPWM）相结合，实现更好地控制STATCOM/BESS，以及电力系统的安全稳定运行。

1 传统直接功率控制

传统DPC控制策略改变功率大小的主要方法是查询开关表来设置开关状态，这种方式无需设置电流内环和PWM模块[10]。控制过程为：当开关状态发生调整后，STATCOM交流侧的电压值随之同时发生调整，而电压矢量的变化会不同程度地影响功率，因此电压矢量的适当选择会实现STATCOM/BESS正确增大或减小输出功率[11]，从而控制STATCOM/BESS输出合适的功率值。传统DPC的控制框图如图1所示，整体分成下列5部分：瞬时功率检测模块、滞环比较器模块、扇区选择模块、开关表模块以及脉冲生成模块。核心模块为开关表模块，开关表的准确程度决定了系统的准确与否[12]。

2 改进型预测直接功率控制策略算法建立

图2所示的电压型逆变电路是STATCOM/BESS的电气原理图。该结构由多节蓄电池共同组成的蓄电池组（BESS）以及静止同步补偿器（STATCOM）共同组成，由阻抗连接到电网中。其中的电压型逆变电路包括6个IGBT电力电子器件，每一个电力电子器件IGBT和二极管并联在一起，构建续流电路。

根据STATCOM/BESS装置的主电路，在α-β坐标下，系统输出瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q可以表示为：

式中：usα，usβ为电网电压（V）;iα，iβ为STATCOM/BESS与电网间的电流（A）。

对式（1）离散化处理，则第k时刻瞬时功率可表示为：

同理，第k+1时刻瞬时功率可表示为：

式（3）表示未来第k+1时刻STATCOM/BESS装置所输出功率。查阅资料可知，在采样频率远高于电网电压频率时，可近似认为：

可以得到k，k+1时刻STATCOM/BESS输出功率变化：

于是STATCOM/BESS主电路在α-β坐标下数学模型为：

为了提高STATCOM/BESS的响应速度，可以使STATCOM/BESS在下一时刻的输出功率P（k+1），Q（k+1）恰好等于参考功率，即：

整理得：

式中：usα，usβ是测量电网电压值得到的;icα，icβ利用测量STATCOM/BESS补偿电流值可以得到;采样周期TS和连接电抗R，L均已知;通过追踪负载瞬时功率可以得到k-1，k时刻的参考功率。因此，可根据式（8）计算出电压矢量ucα，ucβ，根据电压矢量与开关管导通关断的关系，然后利用SVPWM调制模块控制三相桥臂导通或关断，还能实现对变流器的开关频率进行固定。

3 改进型预测直接功率控制结构建立

图3为改进型直接功率控制框图，主要包括瞬时功率检测模块、功率预测模块和SVPWM调制模块。改进后的控制策略减少了两个模块：滞环比较器模块、开关表模块，增加了SVPWM模块和功率预测模块。控制流程为：

（1）首先检测出当前电网电压值usα，usβ，以及STATCOM/BESS补偿电流iα，iβ和负载电流iLα，iLβ;根据公式计算出当前STATCOM/BESS输出功率值P（k），Q（k）以及负载功率值PL（k），QL（k）。

（2）记录下k-1，k时刻功率参考值。为减小负载功率波动对电网的冲击，使光伏微网产生的电能在并入大电网后，不会影响公共电网的稳定运行。当负载有功功率增加时，增大STATCOM/BESS的输出有功功率;当负载无功功率增大时，也相应增大STATCOM/BESS输出的无功功率，以实现削峰填谷的功能。当实现电网单位功率因数运行时，令负载无功的赋值等于STATCOM/BESS的无功参考功率。

（3）将步骤（1）、步骤（2）所得到的功率P（k），Q（k）以及k-2，k-1，k时刻的参考功率，代入式（8）得到STATCOM/BESS交流侧电压ucα，ucβ。

（4）将得到的ucα，ucβ送至SVPWM模块，完成对变流器的定频控制。

4 仿真分析验证

为了验证改进后预测直接功率控制策略是否有效，在Matlab/SimuLink中分别搭建STATCOM/BESS基于傳统DPC和改进型DPC的系统仿真模型。查阅资料可知：感性负载和容性负载的明显区别是STATCOM/BESS最终补偿无功的正负，感性负载时，需要STATCOM/BESS吸收多余无功，所以最终无功为正值;容性负载时需要STATCOM/BESS发出无功，为负值。为了完成STATCOM/BESS系统无功补偿的目标，选择将感性负载P=500 kW，Q=500 kVar接入系统进行测试，并在t =0.1 s时将STATCOM/BESS投入运行。

图4为传统DPC控制策略与改进型DPC下STATCOM/BESS输出功率波形。图5为传统DPC与改进型DPC下投入STATCOM/BESS前后负载功率波形。

从图4可以看出，应用改进预测直接功率控制STATCOM/BESS时，t =0.1 s前，STATCOM/BESS尚未投入运行，其有功功率波形和无功功率波形维持在0，t =0.1 s后，STATCOM/BESS投入运行。在经过极短暂的延迟后，有功功率波形出现了短暂的过冲现象，随后在t =0.15 s附近趋近于0，无功功率波形在t =0.12 s时已经稳定下来，并维持在100 kVar;而传统DPC的有功功率在t =0.16 s时才接近稳定，无功功率波形在t =0.14 s之后才开始稳定，并存在轻微的波动。从图5可以看出，在t =0.1 s时，两种DPC下负载的功率波形均出现了波动，但传统DPC下负载功率的波动明显大于改进型DPC下负载功率的波动。

综上所述，能够看出改进预测直接功率的控制效果更好，能加快STATCOM/BESS调节功率的速度，且响应速度也明显加快，调节后尤其是无功功率的波动明显减小。对比传统DPC控制策略，改进的预测直接功率控制在调节功率速率、减小波动以及动态响应速度等方面都具有明显的优越性，对STATCOM/BESS的有效控制具有相当重要的意义。

5 结 语

首先为了克服无功补偿不足的缺点而将无功功率作为一项控制指标，对STATCOM交流侧电压表达式进行重新推导，并在功率预测时采用埃米尔特插值法进行插值，提高了预测精度，完成了功率预测;随后提出基于SVPWM技术的预测直接功率控制策略，目的是改善传统直接功率控制策略开关频率不固定及引入大量谐波的缺陷，文中对预测功率控制算法进行了分析说明。仿真结果表明，改进后控制策略应用在STATCOM/BESS中，可以实现无功补偿，具有较快的动态响应速度和较准确的功率追踪精度，且具有一定的有效性，对STATCOM/BESS的控制有重要意义。

图5 传统DPC与改进型DPC下负载功率波形

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