基于光伏STATCOM/BESS裝置的邊緣物聯(lián)終端控制策略研究

楊黃河 王勇 程鑫

摘 要：由于光伏發(fā)電本身具有隨機(jī)性和波動性，在其并入大電網(wǎng)過程中容易引起較大沖擊，造成電網(wǎng)頻率、電壓等指標(biāo)的波動，影響電網(wǎng)安全運行。采用帶有蓄電池（BESS）的柔性交流輸電裝置（STATCOM）來補(bǔ)償光伏并網(wǎng)過程出現(xiàn)的問題。針對STATCOM/BESS裝置傳統(tǒng)直接控制策略（DPC）存在的不足，提出一種基于電壓空間矢量技術(shù)（SVPWM）與預(yù)測直接功率控制（P-DPC）相結(jié)合的控制策略。該策略針對以往策略對無功補(bǔ)償?shù)牟蛔悖诳刂浦笜?biāo)里加入了無功功率，重新推導(dǎo)了STATCOM交流側(cè)電壓表達(dá)式;在功率預(yù)測時為減小誤差，引入埃米爾特插值法（Hermite）進(jìn)行功率插值;采用SVPWM技術(shù)完成三相橋臂導(dǎo)通狀態(tài)的判斷，避免引入電流諧波，降低對開關(guān)器件的損耗。Matlab/SimuLink仿真結(jié)果表明，所提策略與傳統(tǒng)直接功率控制策略相比，具有更快的動態(tài)響應(yīng)速度，以及較準(zhǔn)確的功率追蹤精度。

關(guān)鍵詞：分布式電網(wǎng);STATCOM/BESS裝置;邊緣物聯(lián)終端;無功補(bǔ)償;功率控制;電壓空間矢量技術(shù)

中圖分類號：TP211;TM714文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

微電網(wǎng)是為了使分布式光伏電源與大電網(wǎng)更好地相結(jié)合而產(chǎn)生的新型電網(wǎng)形式[1]，其是指由分布式電源、保護(hù)裝置、負(fù)荷、儲能裝置和監(jiān)控等組成的電網(wǎng)系統(tǒng)[2]。微電網(wǎng)旨在實現(xiàn)分布式電源的靈活和高效應(yīng)用，對單獨的大電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，不僅能保證系統(tǒng)供電質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，還可保證其在與大電網(wǎng)并網(wǎng)時造成的影響比較小。然而，光伏微網(wǎng)的輸出功率受到分布式光伏電源輸出功率的隨機(jī)影響而產(chǎn)生波動，使得負(fù)載供電功率的可靠性受到很大威脅[3]，并且在與大電網(wǎng)并網(wǎng)后，也會影響電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[4]。因此光伏微網(wǎng)的功率平衡問題是一大難點。

靜止無功補(bǔ)償器（STATCOM）只能調(diào)節(jié)無功功率，如果將其輸入端連接儲能裝置（BESS），這樣就具有了雙向調(diào)節(jié)有功功率的功能。當(dāng)STATCOM/BESS裝置應(yīng)用于光伏微網(wǎng)中時，并加以合理的控制策略，就能夠?qū)崿F(xiàn)對功率進(jìn)行選擇性的補(bǔ)償，保證電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性[5]。所以，為STATCOM/BESS裝置選取合適的控制策略也尤為重要[6]，準(zhǔn)確適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥梢跃_地追蹤功率的變化，還能夠根據(jù)功率的變化進(jìn)行分析，從而決定下一步的動作。

STATCOM/BESS的控制策略多采用直接功率控制方式（Direct Power Control，DPC），其是根據(jù)瞬時功率理論建立起來的，DPC可以直接對有功和無功功率控制[7-9]。這種控制方式具有其他控制方式無法比擬的優(yōu)越性，如相對簡單的結(jié)構(gòu)和算法，所需硬件配置要求不高;但經(jīng)典DPC控制通過滯環(huán)比較器和預(yù)定的開關(guān)表選擇輸出的電壓矢量。這種控制方式受較多因素影響，若滯環(huán)比較器具有不穩(wěn)定的開關(guān)頻率，則對輸出端濾波電感的設(shè)計是較大的挑戰(zhàn)，且對電路開關(guān)頻率和采樣頻率要求很高。基于此，本文提出一種改進(jìn)型預(yù)測直接功率控制策略，將預(yù)測直接功率控制（Predictive Direct Power Control，P-DPC）與空間電壓矢量技術(shù)（Space Voltage Vector Technique，SVPWM）相結(jié)合，實現(xiàn)更好地控制STATCOM/BESS，以及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1 傳統(tǒng)直接功率控制

傳統(tǒng)DPC控制策略改變功率大小的主要方法是查詢開關(guān)表來設(shè)置開關(guān)狀態(tài)，這種方式無需設(shè)置電流內(nèi)環(huán)和PWM模塊[10]?？刂七^程為：當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生調(diào)整后，STATCOM交流側(cè)的電壓值隨之同時發(fā)生調(diào)整，而電壓矢量的變化會不同程度地影響功率，因此電壓矢量的適當(dāng)選擇會實現(xiàn)STATCOM/BESS正確增大或減小輸出功率[11]，從而控制STATCOM/BESS輸出合適的功率值。傳統(tǒng)DPC的控制框圖如圖1所示，整體分成下列5部分：瞬時功率檢測模塊、滯環(huán)比較器模塊、扇區(qū)選擇模塊、開關(guān)表模塊以及脈沖生成模塊。核心模塊為開關(guān)表模塊，開關(guān)表的準(zhǔn)確程度決定了系統(tǒng)的準(zhǔn)確與否[12]。

2 改進(jìn)型預(yù)測直接功率控制策略算法建立

圖2所示的電壓型逆變電路是STATCOM/BESS的電氣原理圖。該結(jié)構(gòu)由多節(jié)蓄電池共同組成的蓄電池組（BESS）以及靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）共同組成，由阻抗連接到電網(wǎng)中。其中的電壓型逆變電路包括6個IGBT電力電子器件，每一個電力電子器件IGBT和二極管并聯(lián)在一起，構(gòu)建續(xù)流電路。

根據(jù)STATCOM/BESS裝置的主電路，在α-β坐標(biāo)下，系統(tǒng)輸出瞬時有功功率P和瞬時無功功率Q可以表示為：

式中：usα，usβ為電網(wǎng)電壓（V）;iα，iβ為STATCOM/BESS與電網(wǎng)間的電流（A）。

對式（1）離散化處理，則第k時刻瞬時功率可表示為：

同理，第k+1時刻瞬時功率可表示為：

式（3）表示未來第k+1時刻STATCOM/BESS裝置所輸出功率。查閱資料可知，在采樣頻率遠(yuǎn)高于電網(wǎng)電壓頻率時，可近似認(rèn)為：

可以得到k，k+1時刻STATCOM/BESS輸出功率變化：

于是STATCOM/BESS主電路在α-β坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型為：

為了提高STATCOM/BESS的響應(yīng)速度，可以使STATCOM/BESS在下一時刻的輸出功率P（k+1），Q（k+1）恰好等于參考功率，即：

整理得：

式中：usα，usβ是測量電網(wǎng)電壓值得到的;icα，icβ利用測量STATCOM/BESS補(bǔ)償電流值可以得到;采樣周期TS和連接電抗R，L均已知;通過追蹤負(fù)載瞬時功率可以得到k-1，k時刻的參考功率。因此，可根據(jù)式（8）計算出電壓矢量ucα，ucβ，根據(jù)電壓矢量與開關(guān)管導(dǎo)通關(guān)斷的關(guān)系，然后利用SVPWM調(diào)制模塊控制三相橋臂導(dǎo)通或關(guān)斷，還能實現(xiàn)對變流器的開關(guān)頻率進(jìn)行固定。

3 改進(jìn)型預(yù)測直接功率控制結(jié)構(gòu)建立

圖3為改進(jìn)型直接功率控制框圖，主要包括瞬時功率檢測模塊、功率預(yù)測模塊和SVPWM調(diào)制模塊。改進(jìn)后的控制策略減少了兩個模塊：滯環(huán)比較器模塊、開關(guān)表模塊，增加了SVPWM模塊和功率預(yù)測模塊?？刂屏鞒虨椋?/p>

（1）首先檢測出當(dāng)前電網(wǎng)電壓值usα，usβ，以及STATCOM/BESS補(bǔ)償電流iα，iβ和負(fù)載電流iLα，iLβ;根據(jù)公式計算出當(dāng)前STATCOM/BESS輸出功率值P（k），Q（k）以及負(fù)載功率值PL（k），QL（k）。

（2）記錄下k-1，k時刻功率參考值。為減小負(fù)載功率波動對電網(wǎng)的沖擊，使光伏微網(wǎng)產(chǎn)生的電能在并入大電網(wǎng)后，不會影響公共電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。當(dāng)負(fù)載有功功率增加時，增大STATCOM/BESS的輸出有功功率;當(dāng)負(fù)載無功功率增大時，也相應(yīng)增大STATCOM/BESS輸出的無功功率，以實現(xiàn)削峰填谷的功能。當(dāng)實現(xiàn)電網(wǎng)單位功率因數(shù)運行時，令負(fù)載無功的賦值等于STATCOM/BESS的無功參考功率。

（3）將步驟（1）、步驟（2）所得到的功率P（k），Q（k）以及k-2，k-1，k時刻的參考功率，代入式（8）得到STATCOM/BESS交流側(cè)電壓ucα，ucβ。

（4）將得到的ucα，ucβ送至SVPWM模塊，完成對變流器的定頻控制。

4 仿真分析驗證

為了驗證改進(jìn)后預(yù)測直接功率控制策略是否有效，在Matlab/SimuLink中分別搭建STATCOM/BESS基于傳統(tǒng)DPC和改進(jìn)型DPC的系統(tǒng)仿真模型。查閱資料可知：感性負(fù)載和容性負(fù)載的明顯區(qū)別是STATCOM/BESS最終補(bǔ)償無功的正負(fù)，感性負(fù)載時，需要STATCOM/BESS吸收多余無功，所以最終無功為正值;容性負(fù)載時需要STATCOM/BESS發(fā)出無功，為負(fù)值。為了完成STATCOM/BESS系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)，選擇將感性負(fù)載P=500 kW，Q=500 kVar接入系統(tǒng)進(jìn)行測試，并在t =0.1 s時將STATCOM/BESS投入運行。

圖4為傳統(tǒng)DPC控制策略與改進(jìn)型DPC下STATCOM/BESS輸出功率波形。圖5為傳統(tǒng)DPC與改進(jìn)型DPC下投入STATCOM/BESS前后負(fù)載功率波形。

從圖4可以看出，應(yīng)用改進(jìn)預(yù)測直接功率控制STATCOM/BESS時，t =0.1 s前，STATCOM/BESS尚未投入運行，其有功功率波形和無功功率波形維持在0，t =0.1 s后，STATCOM/BESS投入運行。在經(jīng)過極短暫的延遲后，有功功率波形出現(xiàn)了短暫的過沖現(xiàn)象，隨后在t =0.15 s附近趨近于0，無功功率波形在t =0.12 s時已經(jīng)穩(wěn)定下來，并維持在100 kVar;而傳統(tǒng)DPC的有功功率在t =0.16 s時才接近穩(wěn)定，無功功率波形在t =0.14 s之后才開始穩(wěn)定，并存在輕微的波動。從圖5可以看出，在t =0.1 s時，兩種DPC下負(fù)載的功率波形均出現(xiàn)了波動，但傳統(tǒng)DPC下負(fù)載功率的波動明顯大于改進(jìn)型DPC下負(fù)載功率的波動。

綜上所述，能夠看出改進(jìn)預(yù)測直接功率的控制效果更好，能加快STATCOM/BESS調(diào)節(jié)功率的速度，且響應(yīng)速度也明顯加快，調(diào)節(jié)后尤其是無功功率的波動明顯減小。對比傳統(tǒng)DPC控制策略，改進(jìn)的預(yù)測直接功率控制在調(diào)節(jié)功率速率、減小波動以及動態(tài)響應(yīng)速度等方面都具有明顯的優(yōu)越性，對STATCOM/BESS的有效控制具有相當(dāng)重要的意義。

5 結(jié) 語

首先為了克服無功補(bǔ)償不足的缺點而將無功功率作為一項控制指標(biāo)，對STATCOM交流側(cè)電壓表達(dá)式進(jìn)行重新推導(dǎo)，并在功率預(yù)測時采用埃米爾特插值法進(jìn)行插值，提高了預(yù)測精度，完成了功率預(yù)測;隨后提出基于SVPWM技術(shù)的預(yù)測直接功率控制策略，目的是改善傳統(tǒng)直接功率控制策略開關(guān)頻率不固定及引入大量諧波的缺陷，文中對預(yù)測功率控制算法進(jìn)行了分析說明。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后控制策略應(yīng)用在STATCOM/BESS中，可以實現(xiàn)無功補(bǔ)償，具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度和較準(zhǔn)確的功率追蹤精度，且具有一定的有效性，對STATCOM/BESS的控制有重要意義。

圖5 傳統(tǒng)DPC與改進(jìn)型DPC下負(fù)載功率波形

參考文獻(xiàn)

[1]王淑雅.電動汽車充電諧波對并網(wǎng)型微電網(wǎng)的影響與抑制補(bǔ)償方法研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（2）：77-78.

[2]王淑雅，周強(qiáng).基于微電網(wǎng)的電動汽車無線充電技術(shù)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（11）：62-63.

[3] GUO L，LIU W J，LI X L，et al. Energy management system for stand-alone wind-powered-desalination microgrid [J]. IEEE transactions on smart grid，2016，7（2）：1079-1087.

[4]吳波.PWM整流器前饋解耦控制策略[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（11）：40-41.

[5]李寧寧，王建賾，紀(jì)延超，等.STATCOM/BESS無差拍功率控制方法[J].電氣自動化，2015，37（6）：5-7.

[6] LIU B，LI K，NIU D D，et al. The characteristic analysis of the solar energy photovoltaic power generation system [J]. IOP conference series：materials science and engineering，2017，164：1-6.

[7] LI S H，XU L，HASKEW T A. Control of VSC-based STATCOM using conventional and direct-current vector control strategies [J]. International journal of electrical power & energy systems，2013，45（1）：175-186.

[8]劉世超，楊興武，姜建國.基于虛擬磁鏈的STATCOM定頻直接功率控制[J].電氣自動化，2009，31（5）：21-23.

[9]胡曉東，韓鹍，孫蘇坡.抽油機(jī)電機(jī)無功補(bǔ)償技術(shù)的研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（4）：58-60.

[10]羅瑜珣，李志勇，危韌勇，等.級聯(lián)三相光伏逆變器的虛擬磁鏈直接功率控制策略[J].中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，47（4）：1188-1195.

[11]張延遲，解蕾，解大，等.基于虛擬磁鏈直接功率控制的HVDCLight [J].電氣自動化，2008，30（5）：22-25.

[12] XIE Y，LIAO Y N，XIE H. Study on reactive power compensation control of STATCOM based on MMC [J]. Applied mechanics & materials，2014，530/531：1022-1025.