储能型SVG 的虚拟硬件在环仿真系统

魏小萌，刘 健

（武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430205）

随着我国工业化的发展，越来越多的工业用户对配电网产生不同程度的影响。为了提高工业领域的电能质量，并在紧急状态和电网故障情况下为系统提供后备支持[1]，无功补偿装置和储能装置得到了广泛的应用，但目前一体化结合在主电路和控制技术方面仍有问题需要解决。因此，针对以上问题，本文为解决大无功补偿与储能系统的一体化融合关键技术，建立完善的仿真分析平台，研究应对极端工况的措施与控制策略，对协助分布式电源高效、安全并网具有重要的理论意义和工程实用价值[2]。

目前已有论文对一体化的拓扑及控制策略进行研究。在拓扑结构方面，文献[3-4]提出了一种两电平的STATCOM 装置，该电路所用开关器件少，控制容易，但是现在分布式光伏发电逐渐增加，容量也越来越大，两电平电路已经很难满足要求。在控制方面，文献[5]采用新型三电平光储一体机，对PCC处有功支撑进行频率微分调节，但未考虑到电压的稳定性的需求。文献[6]针对破碎机生产线的大功率异步电动机，采取一种基于级联式SVG 的异步电动机软启动和无功补偿控制策略，但没有对控制策略做出相应的优化，不能适应油田领域配电网的极端工况。文献[7]提出含分布式光储配电网时变最优潮流追踪的模型和分布式在线算法，该控制策略通过控制储能参与系统有功调控，提升系统的稳定性运行，但实现过程相对繁琐。

针对上述问题，本文对储能型SVG 及其控制策略展开研究。首先，提出了一种储能型SVG 的一体化主电路拓扑结构；其次，提出了适应极端工况的控制策略；最后利用虚拟硬件在环技术，对新拓扑和控制策略进行仿真建模和典型工况下的仿真验证。

1 储能型SVG 一体化主电路

图1 为储能型SVG 一体化主电路拓扑结构。A为储能模块；B，C，D 组成隔离型DAB 双向DC/DC模块，B，D 分别为2 个H 桥电路，中间由高频变压器链接，同时也可以作为扩展端口；E 为一个H 桥逆变子模块。

图1 主电路单相拓扑结构Fig.1 Single-phase topology of main circuit

2 控制系统

整体控制策略主要分为双闭环PI 前馈解耦控制策略和相间电压均衡策略，如图2 所示。

图2 装置整体控制策略Fig.2 Overall control strategy of the device

2.1 双闭环PI 前馈解耦控制

双闭环PI 前馈解耦控制的核心是电流控制。将三相abc 坐标轴下的三相电流，通过PACK 变换，旋转到dq 坐标系下，基波电流表现为直流分量，经过闭环结构中的PI 调节器，可以实现对装置输出电流的无静差跟踪。

根据三相H 桥的数学模型公式：

式中：icd，icq为储能型SVG 输出电流的dq 分量；ugd，ugq为PCC 处电压。

可以看出有功和无功控制存在耦合现象，同时电网电压的扰动也会对输出电流产生一定的影响。

采用电压前馈解耦控制策略。引入中间变量x1和x2，令：

将式（2）中的x1，x2代入时域数学模型，得：

由此，通过对icd和icq的控制，可实现储能型SVG与电网进行功率的交换，达到控制有功提供直流侧电压支撑，控制无功以跟踪指令电流。如图3 所示为双闭环PI 前馈解耦控制框图。

图3 双闭环PI 前馈解耦控制框图Fig.3 Double closed-loop PI feedforward decoupling control block diagram

2.2 电压不平衡下的电压均衡控制

由于装置与电网之间的能量交换引起的直流侧电容电压不平衡，可通过控制装置与电网之间流动的有功功率来控制直流侧电容的充放电。本文采用分层控制理论，从两个方面考虑：总体电容电压控制，控制三相H 桥功率模块的直流侧电压的平均值与给定值相等；相间电容电压平衡控制，控制每相直流侧电压的大小与相位相等。

控制框图如图4 所示，Udc*为单相H 桥模块直流侧电压设定参考值，Udc_avg为三相直流侧电压平均值，经过PI 调节器，输出为SVG 装置运行需要的总有功功率P*，将P*与电网电压d 轴分量的比值，即有功电流的参考值，给入双环控制，输出电流追踪给定值。

图4 直流侧电压全局控制策略Fig.4 DC side voltage global control strategy

星型连接结构的中性点O 悬空，当装置输出三相电流不对称时，O 点对地电压不为零。此时可以通过注入零序电压来控制相间电压使其达到均衡，图5 表达了零序电压调节有功功率的作用机理，图中u0为注入电压，um为储能型SVG 输出电压，ump，umn分别为输出电压的正序分量和负序分量，im为输出电流，m=a，b，c。

图5 零序电压作用原理Fig.5 Action principle of zero-sequence voltage

假设注入零序电压如式（4）所示：

式中：U0，φ0分别为注入零序电压的幅值和初相角。根据图5 可得出输出电压在abc 坐标系下的表示为

式中：Up，Un分别为正序电压和负序电压幅值；θ 为负序电压与正序电压相位差；Ip，In分别为正序电流和负序电流幅值；φp，φn分别为正序电流和负序电流相角。

可得SVG 各相有功功率Pa，Pb，Pc的表达式：

式中：ΔPa，ΔPb，ΔPc为各相的有功波动量，注入零序电压后总有功功率没有发生变化。此时增加了零序电压的相关功率调节量，通过调节零序电压的幅值和相位就可以使SVG 三相有功功率均衡，波动量相等，且相加为零，即：

联立式（6）和式（7）并求解可得零序电压的幅值和相角，如式（8）和式（9）：

式中：A，B 的计算公式如下：

式中：Ki，Ku分别为

3 虚拟硬件仿真建模

为了将来能更有效地利用现有代码，采用模块化编程方法，将仿真系统分为用户界面、控制逻辑、硬件驱动以及虚拟硬件4 个模块。

（1）控制逻辑与驱动模块不仅需要实现储能型SVG 的顶层控制算法和底层SPWM 调控算法，还需要对它们进行协调控制。

（2）虚拟硬件模块包含了装置中的各个硬件部分，主要是装置的主电路部分。

（3）被控对象模块，主要参考的是基于江汉油田中的某游梁式抽油机的设备参数，搭建典型负载模型，其设备电机参数如表1 所示。

表1 异步电机电机参数Tab.1 Asynchronous motor parameters

（4）图形用户界面模块主要实现与用户进行交互的界面接口，如参数设置、运行状态显示，数据波形图等。

4 仿真分析

如图6 为基于PSCAD/EMTDC 仿真平台搭建的储能型SVG 虚拟硬件在环系统。

图6 虚拟硬件在环仿真系统Fig.6 Virtual hardware-in-the-loop simulation system

4.1 算法性能验证

在电力系统的功率稳定的情况下，有功功率为150 kW，无功功率为120 kVar 的稳定功率下，进行仿真实验，得到的仿真系统如图7 所示。

图7 投入装置前系统有功无功波形Fig.7 Active and reactive waveform of the system before the device is put into oaaaperation

由图7 和图8 可以看出，在未切入无功补偿装置时，有功无功的测量值均在给定值附近波动，此时功率因数为0.78。投入储能型SVG 装置后，无功波形曲线经过短时调整，稳定在零值附近，功率因数可达0.98。由此可见，电力系统电能质量得到了改善，说明系统算法的可行性与有效性。

图8 投入装置后系统有功无功波形Fig.8 Active and reactive waveform of the system after the device is put into operation

直流侧电容电压波形如图9 所示，装置的直流侧的电容电压在运行的过程中，一直稳定在设定值（560 V）附近。

图9 A 相直流侧电容电压值Fig.9 A-phase DC side capacitance voltage value

将直流侧电容电压的稳定值，取其中的一节波形放大观察直流侧三相电容电压，如图10 所示，相位互相相差120°，表明相间电压均衡控制策略能够保证直流侧电容电压的稳定。

图10 三相直流侧电容电压值Fig.10 Three-phase DC side capacitance voltage value

4.2 典型工况装置性能验证

在一个周期的工作期间内，由于存在抽油机驴头的上升工况和下降工况。导致抽油机存在周期性的变换无功功率缺额、有功功率突变的问题。本文采用的Y280M-6 型电动机铭牌额定功率为55 kW，但其工作时平均负载功率仅有18 kW 左右，即电机长期处于非额定功率运行，运行经济性较差。图11所示为搭建基于抽油机工况的被控对象，在仿真系统中搭建电机模型，复原油田领域的极端工况。

图11 投入装置前，抽油机的仿真波形Fig.11 Simulation waveform of pumping unit before putting the unit into operation

图12 所示为投入储能型STATCOM 装置下的系统无功波形曲线，装置采用多目标趋优控制策略，可实现在极端工况下，完成无功补偿，抑制谐波污染，提高油田领域的电能质量。

图12 投入装置后，系统的无功波形Fig.12 Reactive waveform of the system after the device is put into operation

5 结语

本文主要针对储能型SVG 装置的工作原理和控制策略进行研究。首先建立了三相H 桥的数学模型，分析解耦控制算法，研究双闭环PI 前馈解耦控制策略。其次从能量守恒的角度分析电压均衡控制原理，并给出了计算方法。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台，搭建虚拟硬件在环仿真系统，通过模拟抽油机的运行工况，实现无功补偿，提高功率因数，平衡直流侧电容电压的目的。