劉 貝，唐 杰，耿運(yùn)濤，楊 允

（湖南邵陽學(xué)院電氣工程系，湖南 邵陽 422000）

0 引言

分布式發(fā)電是解決能源緊缺與能源需求增加矛盾的有效途徑[1-3]。分布式發(fā)電一般以風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源為原料，與傳統(tǒng)的以煤炭、石油等不可再生能源作為原料的火力發(fā)電相比，分布式發(fā)電具有清潔環(huán)保、投資小、靈活性高等特點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電作為一種發(fā)展較為成熟的發(fā)電方式備受關(guān)注，其裝機(jī)容量也在逐年增加。然而，一方面風(fēng)能所具有的隨機(jī)性和間歇性，使風(fēng)力發(fā)電的輸出功率具有波動性，大量的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)后，對所接入配電網(wǎng)的穩(wěn)定性、電能質(zhì)量，尤其是電壓質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。配電網(wǎng)的電壓暫降、電壓波動與閃變等電壓質(zhì)量問題也隨之變得更加嚴(yán)重。另一方面分布式電源在并網(wǎng)的過程中，由于大量電力電子裝置如逆變器、整流器等的投入使用，也使得配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)一步惡化。因此，由于以上原因造成的電能質(zhì)量問題對風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展帶來了不利影響，必須在含有風(fēng)力發(fā)電分布式電源的配電網(wǎng)中裝設(shè)電能質(zhì)量治理裝置，提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和供電可靠性。

配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）可以治理風(fēng)電場電壓跌落、電壓波動與閃變等電能質(zhì)量問題[4-6]。D-STATCOM具有補(bǔ)償時間快、可連續(xù)補(bǔ)償、裝置損耗低、體積小、精準(zhǔn)控制電壓、具有自適應(yīng)功能等優(yōu)點(diǎn)，所以D-STATCOM的工作性能比傳統(tǒng)電壓質(zhì)量控制裝置具有更多的優(yōu)勢，因此，D-STATCOM是一種治理風(fēng)電場電壓質(zhì)量問題的有效裝置。針對D-STATCOM數(shù)學(xué)模型非線性、強(qiáng)耦合的特性，結(jié)合風(fēng)電場的實(shí)際情況，論文提出了一種基于非線性PI控制和前饋解耦控制相結(jié)合的雙閉環(huán)控制策略，并設(shè)計出了以TMS320F2812系列DSP為核心的D-STATCOM電壓控制器，同時給出了原理樣機(jī)治理電壓質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 風(fēng)電場用D-STATCOM的系統(tǒng)構(gòu)成

風(fēng)電場用D-STATCOM裝置的系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，裝置由主電路、控制電路、驅(qū)動電路和緩沖電路構(gòu)成。圖1中，us為電網(wǎng)電壓，Upcc為公共連接點(diǎn)電壓，Udc為D-STATCOM直流側(cè)電容電壓，ic為D-STATCOM交流側(cè)輸出電流。D-STATCOM主電路選用VSI-SPWM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電路中功率開關(guān)器件選用IGBT，逆變器與電抗器串聯(lián)后并入電網(wǎng)。D-STATCOM的控制系統(tǒng)以DPS處理器為核心，具有電壓/電流檢測、控制和形成觸發(fā)脈沖等功能。風(fēng)電場用D-STATCOM裝置主要用于治理電壓，其控制系統(tǒng)的作用就是采用既定的控制策略發(fā)出滿足補(bǔ)償要求的觸發(fā)脈沖用以控制主電路功率開關(guān)器件IGBT。信號調(diào)理電路由數(shù)字和模擬電子電路組成，具有使電流電壓信號放大、反向等功能。工控機(jī)主要用來儲存數(shù)據(jù)，直觀、實(shí)時地顯示電氣參量等。

圖1 D-STATCOM裝置系統(tǒng)構(gòu)成

2 電壓控制策略

風(fēng)電場中D-STATCOM用于治理電壓質(zhì)量問題時要求具有很好的動態(tài)性能，而控制器作為靜止同步補(bǔ)償器的關(guān)鍵部分，直接影響到D-STATCOM的運(yùn)行性能。針對D-STATCOM數(shù)學(xué)模型非線性、強(qiáng)耦合的特性，結(jié)合風(fēng)電場的實(shí)際情況，提出了一種基于非線性PI控制和前饋解耦控制相結(jié)合的雙閉環(huán)控制策略[7-10]。在控制策略中，電壓外環(huán)采用非線性PI控制，可以提高電壓外環(huán)控制器的快速性和穩(wěn)定性能；電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制，有效地解決有功電流和無功電流的耦合現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)有功電流和無功電流的獨(dú)立控制。論文提出的風(fēng)電場用D-STATCOM控制器的電壓控制策略結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

D-STATCOM電壓控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，對于電壓外環(huán)，公共連接點(diǎn)電壓反饋值Upcc與其給定值U*pcc做比較，產(chǎn)生的誤差經(jīng)非線性PI調(diào)節(jié)器后形成無功電流指令值iq*；直流側(cè)電容電壓反饋值Udc與其給定值U*dc做比較，產(chǎn)生的誤差經(jīng)非線性PI調(diào)節(jié)器后形成有功電流指令值id*。而無功電流指令值iq*和有功電流指令值id*則作為電流內(nèi)環(huán)的輸入。逆變器輸出交流電流ia、ib、ic經(jīng)d-q變換所得的直流分量分別為id、iq。公共連接點(diǎn)三相電壓ua、ub、uc經(jīng)d-q變換所得的直流分量分別為ud、uq。對于電流內(nèi)環(huán)，有功電流指令值id*與id做比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與ud以及iq的耦合值做比較得到ed；無功電流指令值iq*與iq做比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后與uq以及id的耦合值做比較得到eq。ed、eq經(jīng)過dq/abc變換后的信號經(jīng)過PWM波產(chǎn)生電路，生成3對互補(bǔ)的6路PWM信號PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6。

3 基于DSP的D-STATCOM控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

基于上述控制策略的D-STATCOM控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，整個控制系統(tǒng)由TMS320F2812系列DSP及其外圍電路、電壓/電流采集電路、電壓/電流信號調(diào)理電路、過壓保護(hù)電路、過溫保護(hù)電路等幾部份構(gòu)成。

圖2 D-STATCOM電壓控制策略結(jié)構(gòu)圖

圖3 D-STATCOM控制系統(tǒng)框圖

D-STATCOM控制系統(tǒng)為基于TMS320F2812的數(shù)字控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)電壓補(bǔ)償要求，采用論文提出的電壓控制策略發(fā)出滿足補(bǔ)償要求的觸發(fā)脈沖用以控制主電路功率開關(guān)器件IGBT。

TMS320F2812內(nèi)置ADC模塊有16個通道，但由于其數(shù)據(jù)分辨率只有12位，采樣精度不足，控制效果不夠理想，因此，裝置通過采用外置AD芯片AD7656獲得采樣數(shù)據(jù)。AD7656是高集成度、6通道、16位、逐次逼近(SAR)型ADC，可采樣±10V范圍內(nèi)的信號，不需要對采樣信號進(jìn)行抬升；同時，它的最高采樣率為250kSPS，且芯片內(nèi)置一個2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源以及一個基準(zhǔn)緩沖器；此外，AD7656還包含一個寬帶采樣保持放大器(T/H)，其作用在于得到使計算更為準(zhǔn)確的同一時刻的各路模擬信號。

控制系統(tǒng)中的電壓/電流采集電路用來實(shí)時采集逆變器直流側(cè)電壓、公共連接點(diǎn)電壓、電網(wǎng)電壓、逆變器輸出側(cè)電流，為DSP提供準(zhǔn)確的電壓/電流信號。A相捕獲電路的作用是捕獲A相電網(wǎng)電壓的過零時刻，提供同步信號給軟件鎖相環(huán)，從而為逆變器的信號輸出提供相位標(biāo)準(zhǔn)。信號調(diào)理電路由數(shù)字和模擬電子電路組成，具有使電流電壓信號放大、反向等功能，在具體實(shí)施中，信號調(diào)理電路往往集成在DSP控制板上。此外，保護(hù)模塊為系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行提供了快速穩(wěn)定的保護(hù)作用。在論文的控制系統(tǒng)設(shè)計中，采用了硬件和軟件相結(jié)合的雙重保護(hù)，主要包括過溫保護(hù)、輸出過流保護(hù)、直流側(cè)電壓保護(hù)、IGBT故障保護(hù)等幾種保護(hù)。

3.2 控制系統(tǒng)軟件功能模塊

控制系統(tǒng)以DSP處理器為核心，控制系統(tǒng)的軟件功能模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個控制器的軟件功能模塊主要包括采樣模塊、補(bǔ)償信號檢測模塊、控制模塊、觸發(fā)脈沖形成模塊、故障檢測與保護(hù)模塊。DSP首先控制采樣模塊進(jìn)行電壓、電流信號的采集，采樣完成之后DSP通過補(bǔ)償信號檢測模塊提取補(bǔ)償信號，然后DSP將補(bǔ)償信號提供給控制模塊，控制模塊執(zhí)行包括非線性PI控制和解耦控制在內(nèi)的控制算法，最后觸發(fā)脈沖形成模塊對控制模塊產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行處理生成3對6路互補(bǔ)的PWM調(diào)制信號。同時，DSP通過故障檢測與保護(hù)模塊為控制系統(tǒng)提供軟件保護(hù)，防止對控制系統(tǒng)造成損害。

圖4 控制系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證論文設(shè)計的基于DSP的D-STATCOM控制器的電壓控制性能，將控制器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的D-STATCOM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，不啟動D-STATCOM裝置時，在某一時刻將感性無功負(fù)荷柜投入運(yùn)行，從工控機(jī)中觀察此過程中公共連接點(diǎn)（PCC）電壓波形，實(shí)驗(yàn)波形如圖5(1)所示。然后啟動D-STATCOM裝置重復(fù)進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)過程中公共連接點(diǎn)電壓波形，實(shí)驗(yàn)波形如圖5(2)所示。

從圖5可以看出，當(dāng)D-STATCOM投運(yùn)后，D-STATCOM對公共連接點(diǎn)電壓有很好的補(bǔ)償作用，且其響應(yīng)時間略大于一個周波，證明所設(shè)計的控制器是有效的、可行的。

5 結(jié)論

針對風(fēng)電場存在的電壓暫降、電壓波動與閃變等電壓問題，提出的一種基于DSP的D-STATCOM控制器的設(shè)計方案，給出了D-STATCOM控制器的軟、硬件設(shè)計。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，論文提出的D-STATCOM控制器設(shè)計方案，能夠有效地解決風(fēng)電場電壓暫降、電壓波動與閃變等問題，滿足D-STATCOM電壓控制要求，能夠提高風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，具有較好的工程應(yīng)用前景。

圖5 D-STATCOM投運(yùn)前后PCC電壓波形

[1]黨存祿,吳青峰．分布式電源對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響及其改善[J]．電力電子技術(shù)2013,47(11):58-60．

[2]蘇劍,周莉梅,李蕊．分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的成本/效益分析[J]．中國機(jī)電工程學(xué)報,2013,33(34):50-56．

[3]楊洋,駱曉菲,艾芊．分布式電源接入對智能電網(wǎng)的影響[J]．低壓電器,2011,(1):30-34．

[4]陳仲偉,鄒旭東．帶儲能的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動化,2014,38(18):1-6．

[5]劉繞龍,馬小平,張課．一種STATCOM控制器的設(shè)計[J]．工礦自動化2012,(1):59-62．

[6]付文秀，范春菊．SVG在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓無功控制中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(3):61-68．

[7]張伊潔，莫伊．一種基于非線性PI的DSTATCOM串級解耦控制策略[J].低壓電器,2012,(1):56-60．

[8]廖柏林．一種新型非線性PI控制器的設(shè)計及其仿真[J].吉首大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,34(4):46-49．

[9]李圣清,栗偉周．微網(wǎng)高滲透下配電網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器定制[J]．低壓電器,2014,(8):53-57．

[10]湯賜,羅安．配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的前饋解耦控制策略[J]．電力自動化設(shè)備,2010,30(6):40-44．