李寧寧，王建賾，紀(jì)延超，劉揚(yáng)，周琳佳

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.山東黃金集團(tuán)煙臺設(shè)計(jì)研究工程有限公司，山東 煙臺 264006)

STATCOM/BESS無差拍功率控制方法

李寧寧1，王建賾1，紀(jì)延超1，劉揚(yáng)2，周琳佳2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.山東黃金集團(tuán)煙臺設(shè)計(jì)研究工程有限公司，山東 煙臺 264006)

將蓄電池儲能系統(tǒng)(Battery Energy Storage System，簡稱BESS)通過DC/DC變換器接到靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM)的直流側(cè)，不僅可以補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的無功功率，還可以實(shí)現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)。將無差拍功率控制應(yīng)用到STATCOM/BESS的控制中，可以實(shí)現(xiàn)在靜止坐標(biāo)系下的有功功率和無功功率的控制，并將儲能側(cè)的功率前饋到STATCOM側(cè)，可以降低直流電壓的波動。最后搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了STATCOM/BESS采用控制方法可以實(shí)現(xiàn)四象限補(bǔ)償，并降低了直流側(cè)電壓的波動，具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

靜止同步補(bǔ)償器;蓄電池儲能;無差拍控制;功率前饋;靜止坐標(biāo)系

0 引言

本文將無差拍控制應(yīng)用到STATCOM/BESS中，并提出了功率控制的方案，目的是為了降低直流側(cè)電壓波動，讓STATCOM/BESS快速地補(bǔ)償有功功率和無功功率。并對理論分析的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 主電路拓?fù)浜凸ぷ髟?/h2>

圖1給出了STATCOM/BESS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中蓄能單元通過雙向DC/DC變換器并聯(lián)在直流側(cè)電容的兩端，由雙向DC/DC變換器控制有功功率，STATCOM支撐直流側(cè)電壓穩(wěn)定，由于蓄電池提供有功功率，所以STATCOM/BESS可被視為輸出電壓的幅值與相位均可調(diào)的電壓源，可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的四象限補(bǔ)償。

圖1 STATCOM/BESS主電路

2 STATCOM/BESS的控制策略

圖2所示為STATCOM/BESS的整體控制框圖，整體的控制分為DC/DC的電流閉環(huán)控制和STATCOM側(cè)的無差拍功率控制兩部分。假如系統(tǒng)所需要補(bǔ)償?shù)挠泄β屎蜔o功功率的控制目標(biāo)為p*和q*，通過檢測蓄電池的輸出電壓，可以計(jì)算出DC/DC側(cè)的閉環(huán)電流控制目標(biāo)i*bat，然后與實(shí)測的電流 ibat做差，經(jīng)過PI控制，在經(jīng)過PWM調(diào)制模塊給DC/DC變換器輸出開關(guān)信號。

圖2 STATCOM/BESS的控制框圖

通過直流電壓udc的閉環(huán)控制可以得到STATCOM需要吸收或發(fā)出的有功功率，但在系統(tǒng)需要有功功率變化頻繁時，直流側(cè)電壓穩(wěn)定性差，本文將儲能模塊的有功功率作為功率前饋控制，檢測直流側(cè)各個儲能單元的輸出電流ibat和儲能單元電壓vb，計(jì)算功率前饋量，再加上直流電壓穩(wěn)定的PI輸出值，可以得到STATCOM側(cè)的有功控制目標(biāo)p*STATCOM。通過輸出電壓預(yù)測控制方法，可以得到最終控制電壓e*α和e*β，最終通過空間矢量調(diào)制方法，控制STATCOM補(bǔ)償系統(tǒng)需要的有功功率和無功功率。

2.1 STATCOM側(cè)的無差拍控制功率預(yù)測

假定系統(tǒng)的三相電壓平衡，STATCOM側(cè)輸出電流在αβ靜止坐標(biāo)系下的動態(tài)方程為［7］:

式中iα、iβ為在αβ靜止坐標(biāo)系下 STATCOM 輸出電流的分量;vα、vβ為在αβ靜止坐標(biāo)系下系統(tǒng)電壓的分量;eα、eβ為在αβ靜止坐標(biāo)系下STATCOM輸出電壓的分量;L為連接電感;R為連接電感的等效電阻。

根據(jù)直流母線電壓和STATCOM各個橋臂的開關(guān)狀態(tài)，可以得到STATCOM在αβ靜止坐標(biāo)系下輸出電壓:

式中Sa、Sb、Sc為STATCOM三相橋臂的開關(guān)狀態(tài)。

比如小班幼兒展開美麗的花活動時，教師結(jié)合季節(jié)和周圍環(huán)境的特點(diǎn)，帶領(lǐng)幼兒加入大自然，去觀察花朵。在觀察過程中，幼兒一定有很多疑問，這朵花的名字叫什么？為什么這朵花比那朵花多兩個花瓣？花中間的東西是什么？幼兒邊觀賞邊提問，教師耐心解答，并告訴幼兒花蕊是花的重要組成部分，是小蜜蜂和小蝴蝶經(jīng)常光顧的地方。繪畫展開后，教師引導(dǎo)幼兒利用多種方式畫花，可以使用蠟筆、彩筆、水粉等進(jìn)行自由創(chuàng)作，并隨時鼓勵、表揚(yáng)幼兒。接著教師指導(dǎo)幼兒，注意畫花瓣的時候要畫的大小一樣，花瓣的顏色可以是五顏六色的。

對式(1)進(jìn)行離散化，采樣周期為Ts，可以得到k+1時刻的電流為:

實(shí)際系統(tǒng)中因?yàn)椴蓸雍涂刂粕系难舆t，為了提高控制的精確度，預(yù)測2拍之后的電流，作為電壓矢量的計(jì)算。則k+2時刻的電流為:

實(shí)際控制系統(tǒng)中，第k+2時刻的電流，即為希望STATCOM側(cè)輸出的目標(biāo)電流:

采樣頻率相對于電網(wǎng)基頻很高，在采樣間隔時間內(nèi)，電網(wǎng)電壓幅值變化很小，所以有:

將式(2)離散化后，再結(jié)合式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)可以得到STATCOM在SVPWM調(diào)制模式下的電壓控制信號e*α和e*β。

2.2 DC/DC變換器的電流閉環(huán)控制

本文對DC/DC變換器采用上下管互補(bǔ)式驅(qū)動方式，可以讓電感工作在連續(xù)狀態(tài)，采用狀態(tài)平均法，可以得到:

式中d為DC/DC變換器上管的占空比;udc為直流側(cè)電壓;Cdc為直流電容的容值;vb為儲能模塊的輸出電壓;idc為STATCOM側(cè)流入直流側(cè)的電流;isc為直流側(cè)流入儲能側(cè)的電流;ibat為流經(jīng)蓄電池的電流。

忽略蓄電池電壓的變化，式(10)的小信號模型為:

通過式(11)可以看出，改變各個儲能單元DC/DC變換器開關(guān)管的占空比，可以控制儲能單元的充放電電流，同時，直流側(cè)電壓的波動大小，取決于直流側(cè)流入和流出電流的變化是否一致。

DC/DC側(cè)電感電流閉環(huán)控制，如圖3所示。

圖3 DC/DC側(cè)電感電流閉環(huán)控制

式中Giscnd(s)為控制器的傳遞函數(shù);Gicai(s)為采樣延遲環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù);GPWM(s)為PWM輸出環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù);Hiscn(s)為DC/DC變換器的等效傳遞函數(shù)。

忽略儲能電感的等效電阻Rn，得到閉環(huán)傳遞函數(shù):

應(yīng)用勞斯判據(jù)，設(shè)置 PI參數(shù) kpin＞0，τi1＞1.5Ts，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 功率前饋控制

當(dāng)STATCOM/BESS快速的補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的有功功率和無功功率時，直流側(cè)的有功功率交換頻繁，由式(11)可知只有時刻保證直流電容兩側(cè)的電流平衡，才能保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。則有:

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證控制方法的有效性，研制了一臺樣機(jī)，以德州儀器公司的TMS320F28335做為主控制器的控制芯片，具體試驗(yàn)參數(shù)如下:系統(tǒng)相電壓為220 V，50 Hz;連接電抗為3mH;開關(guān)頻率為6 400 Hz。

如圖4所示，STATCOM/BESS輸出的A相電流和系統(tǒng)A相電壓的波形，從圖中(a)可以看出STATCOM/BESS工作在第一象限，發(fā)出容性無功并且吸收系統(tǒng)有功功率;從圖中(b)可以看出STATCOM/BESS工作在第二象限，發(fā)出容性無功并且給系統(tǒng)提供有功功率;從圖中(c)可以看出STATCOM/BESS工作在第三象限，發(fā)出感性無功并且給系統(tǒng)提供有功功率;從圖中(d)可以看出STATCOM/BESS工作在第四象限，發(fā)出感性無功并且吸收系統(tǒng)有功功率?？梢詫?shí)現(xiàn)STATCOM/BESS的四象限補(bǔ)償。

圖4 STATCOM/BESS輸出的A相電流和系統(tǒng)A相電壓的波形

如圖5所示，STATCOM/BESS從吸收有功到發(fā)出有功的切換過程直流電壓的波動圖，(a)為采用功率前饋控制時直流電壓的波動圖;(b)為未采用功率前饋控制時直流電壓的波動圖，對比可以看出，采用功率前饋控制可以大大降低直流電壓的波動。

圖5 STATCOM/BESS直流電壓波形

4 結(jié)束語

本文將無差拍功率控制應(yīng)用到STATCOM/BESS中，在靜止坐標(biāo)系下就可以補(bǔ)償系統(tǒng)需要的有功功率和無功功率，將儲能側(cè)的功率前饋到STATCOM側(cè)，提高了直流電壓的穩(wěn)定性，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制方法的正確性。

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STATCOM/BESS Deadbeat Power ControlMethod

LINing-ning1，WANG Jian-ze1，JIYan-chao1，LIU Yang2，ZHOU Lin-jia2
(1.School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang150001，China;2.Shandong Gold Group Yantai Design Research Engineering Co.，Ltd.，Yantai Shandong264006，China)

By connecting the battery energy storage system(BESS)to the DC side of the static synchronous compensator(STATCOM)via the DC/DC converter，we can not only compensate for the reactive power needed by the system，but also realize the regulation of active power.By applying dead beat power control to the control of STATCOM/BESS，we can realize the control over active power and reactive power in the stationary frame，and feed forward the power of the energy storage side to the STATCOM side，thus reducing fluctuations of the DC voltage.Finally，an experimental platform is setup，and the experiment results show that the STATCOM/BESS adopting the proposed control method can realize four-quadrant compensation and reduce voltage fluctuation at the DC side.The controlmethod has a certain theoretical value and practical significance.

static synchronous compensator(STATCOM);battery energy storage;deadbeat control;power feed-forward;stationary frame

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.002

TM464

A

1000-3886(2015)06-0005-03

定稿日期:2014-12-12

李寧寧(1982-)，男，山東濰坊人，博士生，主要研究方向?yàn)闊o功補(bǔ)償與諧波抑制。 王建賾(1972-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量檢測與控制。