謝 寧 ，陳曉科 ，徐曉剛 ，曾 杰 ，張 弛 ，楚 烺

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 廣東省智能電網(wǎng)新技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510080；2.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 511450）

0 引言

光伏、風(fēng)能、燃料電池等可再生能源發(fā)電具有損耗低、發(fā)電方式靈活、利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注與研究，越來越多的新能源以分布式電源DG（Distributed Generation）的形式接入微電網(wǎng)，再連接至公共電網(wǎng)［1-2］。隨著大量DG接入電網(wǎng)，DG的滲透率增大，給配電網(wǎng)乃至輸電網(wǎng)的電壓、電能質(zhì)量等帶來一系列的影響。間歇式電源輸出有功功率的波動(dòng)、大功率負(fù)載的突變、不對(duì)稱負(fù)載的接入、電網(wǎng)發(fā)生的故障等都會(huì)導(dǎo)致公共連接點(diǎn)（PCC）電壓波動(dòng)，引起電壓跌落、閃變及不對(duì)稱等問題。電網(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)增大系統(tǒng)損耗、降低系統(tǒng)容量，影響功率負(fù)荷正常運(yùn)行，降低DG出力，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器失去穩(wěn)定而退出運(yùn)行［3-4］。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)Std 1547.2—2008和國家電網(wǎng)公司《分布式電源接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，DG并網(wǎng)后公共連接點(diǎn)電壓波動(dòng)不能超過±5%，三相電壓不平衡度不應(yīng)超過2%。因此，為充分發(fā)揮DG的優(yōu)勢(shì)，維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，有必要對(duì)公共連接點(diǎn)電壓進(jìn)行控制。

靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）具有響應(yīng)速度快、投入系統(tǒng)無諧振等優(yōu)點(diǎn)，已在調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率、穩(wěn)定公共點(diǎn)電壓、提高DG低電壓穿越能力等方面得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)［5］提出用靜止無功發(fā)生器來抑制公共連接點(diǎn)不平衡電壓，其既發(fā)揮了STATCOM補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率的優(yōu)勢(shì)，又在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重不平衡時(shí)擴(kuò)展了STATCOM的補(bǔ)償功能。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，恒速風(fēng)機(jī)需要消耗大量的無功功率容易引起電壓振蕩，為增強(qiáng)恒速風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力，提高風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性，文獻(xiàn)［6］利用STATCOM對(duì)風(fēng)電場(chǎng)無功進(jìn)行實(shí)時(shí)快速控制，抑制不平衡電壓跌落時(shí)負(fù)序電壓產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩振蕩；文獻(xiàn)［7］針對(duì)DG滲透率高的配電網(wǎng)，采用STATCOM對(duì)負(fù)序電壓進(jìn)行補(bǔ)償；文獻(xiàn)［8］提出了一種STATCOM支撐正序電壓和抑制負(fù)序電壓的控制策略，減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)，從而降低DG功率波動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響。

STATCOM可以采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于開關(guān)器件的限制，兩電平式的STATCOM多應(yīng)用于低電壓等級(jí)，為實(shí)現(xiàn)高電壓和大容量輸出，文獻(xiàn)［9］設(shè)計(jì)了一種六邊形結(jié)構(gòu)的功率補(bǔ)償器?；诩?jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)的STATCOM具有結(jié)構(gòu)模塊化、輸出特性理想等優(yōu)點(diǎn)，是目前高壓、大容量應(yīng)用場(chǎng)合中解決電能質(zhì)量問題最有效的方案之一。三相級(jí)聯(lián)STATCOM可以采用2種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：H橋單元呈星形級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的STATCOM和H橋單元呈三角形級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的STATCOM。星形級(jí)聯(lián)STATCOM承受相電壓，但其負(fù)序補(bǔ)償能力有限；角形級(jí)聯(lián)STATCOM承受線電壓，可以補(bǔ)償負(fù)序電流。文獻(xiàn)［10］詳細(xì)分析了不平衡電壓工況下星形級(jí)聯(lián)STATCOM的運(yùn)行特性，并提出了維持補(bǔ)償器穩(wěn)定運(yùn)行的控制方法。為維持角形級(jí)聯(lián)STATCOM的穩(wěn)定運(yùn)行，文獻(xiàn)［11］提出了一種三級(jí)平衡控制策略，包括整體、相間和相內(nèi)功率平衡控制，利用三相有功電流矢量合成零序電流指令；文獻(xiàn)［12］提出了一種新的基于平衡分量法的無功補(bǔ)償導(dǎo)納計(jì)算方法，對(duì)系統(tǒng)電壓不對(duì)稱時(shí)的Steinmetz理想補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了改進(jìn)；文獻(xiàn)［13］針對(duì)不對(duì)稱電壓下STATCOM補(bǔ)償不平衡負(fù)載效果不理想的問題，分析了電網(wǎng)電壓負(fù)序分量與補(bǔ)償偏差之間的關(guān)系，提出了一種基于網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)的角形級(jí)聯(lián)STATCOM環(huán)流控制方法，從而消除負(fù)序電壓造成的補(bǔ)償偏差；文獻(xiàn)［14］提出了角形級(jí)聯(lián)STATCOM分相瞬時(shí)電流控制方法，并研究了不平衡電壓下的電壓控制模式，將三相鏈節(jié)等效為三相可變導(dǎo)納，合適地選擇補(bǔ)償導(dǎo)納可將負(fù)載補(bǔ)償?shù)狡胶?，同時(shí)三相電壓也被補(bǔ)償?shù)狡胶狻Ｉ鲜鼋切渭?jí)聯(lián)STATCOM控制方法多側(cè)重于不平衡負(fù)載的補(bǔ)償導(dǎo)納的求解或補(bǔ)償性能的改進(jìn)，而對(duì)公共連接點(diǎn)電壓控制的說明較少。

DG出力的波動(dòng)、不對(duì)稱負(fù)載的接入、電壓非對(duì)稱性故障都會(huì)引起公共連接點(diǎn)電壓波動(dòng)。本文提出一種基于正負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角形級(jí)聯(lián)STATCOM電壓支撐策略。角形級(jí)聯(lián)STATCOM可穩(wěn)定電網(wǎng)正序電壓，減少公共連接點(diǎn)電壓波動(dòng)，同時(shí)抑制公共連接點(diǎn)電壓負(fù)序分量，改善電網(wǎng)電壓不平衡度，并給出了正負(fù)序電流指令的求取方法。再結(jié)合角形級(jí)聯(lián)STATCOM相電流與線電壓的約束關(guān)系，提出一種角形級(jí)聯(lián)STATCOM控制方法，改善變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，并維持補(bǔ)償器穩(wěn)定運(yùn)行。最后，在PSCAD／EMTDC環(huán)境中搭建角形級(jí)聯(lián)STATCOM仿真模型，驗(yàn)證了所提控制策略的正確性和有效性。

1 電壓控制策略

以大型光伏電站為例，其典型系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。2臺(tái)光伏逆變器（帶有相應(yīng)容量的光伏組件）與1個(gè)雙分裂變壓器組成一個(gè)發(fā)電單元，多個(gè)發(fā)電單元在交流母線匯流并經(jīng)升壓變升壓至高壓母線，其中Zg為線路阻抗，STATCOM直接連接在交流母線上，穩(wěn)定電網(wǎng)正序電壓，抑制負(fù)序電壓，并且在故障狀態(tài)下控制公共連接點(diǎn)電壓以提高DG的故障穿越能力。

在電網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，通過合理地控制并網(wǎng)逆變器輸出的有功和無功功率可以支撐連接點(diǎn)電壓，已有一些文獻(xiàn)對(duì)故障工況下并網(wǎng)逆變器的控制策略進(jìn)行了研究［15-16］，但單個(gè)并網(wǎng)逆變器的容量通常較小，需進(jìn)行多逆變器的協(xié)同控制，級(jí)聯(lián)多電平的STATCOM可直接接入中高壓電網(wǎng)，在中高壓電能質(zhì)量控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，本文重點(diǎn)研究的是STATCOM電壓支撐策略。光伏電站中逆變器一般采用電流源并網(wǎng)控制策略，對(duì)于配電網(wǎng)而言可將其等效為受控電流源［17-18］。

STATCOM向電網(wǎng)注入正序無功電流穩(wěn)定正序電壓，注入負(fù)序電流抑制負(fù)序電壓。根據(jù)圖1所示系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可建立分布式光伏電站系統(tǒng)等值電路如圖2所示。圖中，e為電網(wǎng)電壓；Zg=Rg+Lg為線路阻抗；u為公共連接點(diǎn)電壓；ZT為變壓器等效阻抗；ipv為光伏逆變器輸出電流；i為STATCOM輸出電流；ig為電網(wǎng)側(cè)電流。

圖2 光伏系統(tǒng)等值電路Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic system

根據(jù)圖2所示的系統(tǒng)等值電路，可得公共連接點(diǎn)電壓和電網(wǎng)電流方程為：

由式（1）可知，合理地控制STATCOM輸出的電流可調(diào)節(jié)公共連接點(diǎn)電壓。不對(duì)稱故障下STATCOM補(bǔ)償公共連接點(diǎn)電壓的矢量示意圖如圖3所示，正序電壓發(fā)生跌落時(shí)產(chǎn)生負(fù)序電壓。

圖3 電壓補(bǔ)償矢量示意圖Fig.3 Schematic diagram of voltage compensation vector

圖中為STATCOM輸出的正序無功電流相量，其與公共連接點(diǎn)電壓正序相量垂直；IN為STATCOM輸出的負(fù)序電流相量；和分別為無功電流和負(fù)序電流在線路阻抗上產(chǎn)生的電壓相量。電網(wǎng)電壓正、負(fù)序相量與線路阻抗上產(chǎn)生的電壓疊加得到公共連接點(diǎn)電壓的正、負(fù)序相量UP、UN，即：

根據(jù)圖3所示的電壓矢量示意圖可知，設(shè)定正序無功電流和負(fù)序電流控制指令，可以調(diào)節(jié)線路阻抗上產(chǎn)生的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)公共連接點(diǎn)電壓的控制。設(shè)定鎖相環(huán)計(jì)算同步相角ωt時(shí)，同步相角是根據(jù)正序電壓d軸分量與A相正序電壓重合時(shí)計(jì)算得到，此時(shí)正序電壓幅值為且連接點(diǎn)電壓控制如圖4所示。圖中，和分別為正序電壓d、q軸分量；和分別為負(fù)序電壓d、q軸分量；和分別為負(fù)序電流d、q軸分量指令。

首先檢測(cè)公共連接點(diǎn)三相電壓，并提取其正、負(fù)序電壓分量；然后將其分別與電壓指令負(fù)序有功指令（0）及負(fù)序無功指令（0）作差，再經(jīng) PI控制器調(diào)節(jié)得到正序無功電流指令和負(fù)序電流指令通常設(shè)定正序電壓幅值指令為電壓額定值，而當(dāng)設(shè)定負(fù)序電壓指令為0時(shí)可實(shí)現(xiàn)負(fù)序電壓的完全補(bǔ)償，實(shí)際中也可根據(jù)STATCOM的容量具體設(shè)定指令值。

圖4 公共連接點(diǎn)電壓控制框圖Fig.4 Block diagram of PCC voltage control

三相三線制電網(wǎng)不含零序電壓，故公共連接點(diǎn)電壓不平衡時(shí)含有正序和負(fù)序電壓分量，公共連接點(diǎn)不平衡相電壓可表示為：

根據(jù)圖4得到的STATCOM電流指令為線電流指令，可以表示為：

根據(jù)式（3）和式（4）所示的電壓和電流，可得補(bǔ)償器的三相有功功率和無功功率的直流分量為：

由上可知，若負(fù)序電壓和負(fù)序電流相量不垂直，則負(fù)序電壓和電流產(chǎn)生的有功功率不為0，此時(shí)需在補(bǔ)償器線電流中引入額外的正序有功電流分量使得補(bǔ)償器正序電壓與正序電流產(chǎn)生的有功功率抵消負(fù)序電壓與負(fù)序電流產(chǎn)生的有功功率，從而維持補(bǔ)償器整體功率平衡，即：

根據(jù)式（6）可得正序有功電流為：

2 角形級(jí)聯(lián)STATCOM控制

角形級(jí)聯(lián)STATCOM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，STATCOM三相呈角形連接，每相鏈節(jié)由N個(gè)H橋子模塊與電抗器級(jí)聯(lián)組成，三相可直接接入中高壓電網(wǎng)。 圖中，ua、ub、uc為接入點(diǎn)相電壓；uab、ubc、uca為線電壓；ia、ib、ic和 iab、ibc、ica分別為補(bǔ)償器線電流和相電流；i0為角內(nèi)零序環(huán)流。

圖5 角形級(jí)聯(lián)STATCOM結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of delta-connected cascaded STATCOM

角形補(bǔ)償器常以相電流為控制量進(jìn)行電流跟蹤控制，設(shè)角形補(bǔ)償器線電流指令信號(hào)為則相電流與線電流的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

上述轉(zhuǎn)換矩陣非滿秩，已知線電流求取相電流存在多組解。引入補(bǔ)償器角內(nèi)零序環(huán)流的約束條件：

可得相電流指令信號(hào)的唯一解為：

由式（10）可知，由線電流指令信號(hào)和零序環(huán)流指令信號(hào)便可得相電流指令信號(hào)。

角形級(jí)聯(lián)STATCOM不含公共直流側(cè)，不平衡工況下線電壓與補(bǔ)償器相電流在各相鏈節(jié)上產(chǎn)生的有功功率對(duì)稱，零序電流可以作為角形STATCOM額外的控制自由度，轉(zhuǎn)移鏈節(jié)間有功功率，從而實(shí)現(xiàn)三相功率再平衡。設(shè)電網(wǎng)線電壓和補(bǔ)償器相電流分別如式（11）、（12）所示：

可得角形級(jí)聯(lián)STATCOM的三相有功功率為：

為維持STATCOM三相鏈節(jié)電容電壓穩(wěn)定，各相鏈節(jié)有功功率必須為0，即Pab=Pbc=Pca=0，結(jié)合式（4）、（7）、（12）所示電流指令和式（3）、（11）所示電壓，可求解得零序電流表達(dá)式為：

由式（14）可知，零序電流分量與電壓正序、負(fù)序分量，負(fù)序電流及引入的正序有功電流均有關(guān)。

本文所提角形級(jí)聯(lián)STATCOM控制策略如圖6所示。圖中，為單個(gè)模塊直流電壓參考值；uavex為x相鏈節(jié)n個(gè)模塊直流電壓的平均值；Ip為基波正序電流幅值指令，由x相鏈節(jié)電壓外環(huán)PI控制器得到；ixp為基波正序有功瞬時(shí)值指令信號(hào)；urx為級(jí)聯(lián)STATCOM的x相鏈節(jié)調(diào)制指令信號(hào)；Δuxy為x相鏈節(jié)中第y個(gè)模塊的電壓平衡控制調(diào)制指令信號(hào)；udaby為ab相鏈節(jié)中第 y個(gè)模塊的直流側(cè)電壓值，y∈｛1，2，…，n｝；udbcy為 bc 相鏈節(jié)中第 y 個(gè)模塊的直流側(cè)電壓值；udcay為ca相鏈節(jié)中第y個(gè)模塊的直流側(cè)電壓值；n為每一相鏈節(jié)所級(jí)聯(lián)的模塊數(shù)目；udxy為x相鏈節(jié)中第 y個(gè)模塊的直流側(cè)電壓值，x∈｛ab，bc，ca｝。CPS-PWM是載波移相調(diào)制策略。多電平載波移相調(diào)制策略是采用多個(gè)三角形載波信號(hào)和正弦參考信號(hào)，通過它們之間的比較產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。H橋子模塊個(gè)數(shù)為n的鏈節(jié)，各H橋分別采用頻率幅值相同，相位依次相差π／n的三角載波和同一個(gè)調(diào)制波進(jìn)行比較，根據(jù)載波和調(diào)制波幅值大小來得到開關(guān)器件脈沖。載波移相調(diào)制中，各級(jí)聯(lián)模塊輸出功率基本均衡，特別適用于級(jí)聯(lián)多電平變頻器及不需要提供有功功率的場(chǎng)合。

本文所提角形級(jí)聯(lián)STATCOM控制策略包括正負(fù)序電壓電流檢測(cè)、指令計(jì)算、指令合成和鏈節(jié)電壓電流控制4個(gè)部分。

a.正負(fù)序電壓電流檢測(cè)。采用二階廣義積分法提取電壓正負(fù)序信號(hào)及同步相角ωt，本文采用此方法檢測(cè)得到正負(fù)序電壓的dq軸分量信號(hào)

b.零序和正序有功電流指令計(jì)算。根據(jù)圖4所得電流 dq 軸指令信號(hào)及式（7）、（14）所述正序有功和零序環(huán)流幅值表達(dá)式，計(jì)算環(huán)流和線電流有功電流幅值指令

c.相電流指令合成。正、負(fù)序電流dq軸指令信號(hào)經(jīng)正負(fù)序 dq／abc變換得到線電流指令和根據(jù)式（10）所示線電流指令與零序電流指令，合成各相鏈節(jié)相電流指令信號(hào)和

d.H橋鏈節(jié)電壓電流控制。每相鏈節(jié)電容電壓控制包括整體電壓平衡控制和相內(nèi)電壓平衡控制。整體電壓平衡控制采用PI控制器，調(diào)節(jié)每相鏈節(jié)有功電流；通過在各H橋模塊的調(diào)制信號(hào)中疊加純有功調(diào)節(jié)信號(hào)，維持相內(nèi)各模塊電容電壓平衡。內(nèi)環(huán)電流采用準(zhǔn)諧振PR控制得到各鏈節(jié)調(diào)制信號(hào)，經(jīng)載波移相調(diào)制出PWM波控制各開關(guān)動(dòng)作。

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文理論推導(dǎo)及所提控制方法的正確性，在PSCAD／EMTDC環(huán)境中搭建了仿真模型。仿真參數(shù)如下：交流系統(tǒng)線電壓為380V，橋臂子模塊數(shù)為2，橋臂電抗L為3Ω，子模塊電容值為5 mF，載波頻率fs為5 kHz，線路電阻Rg為0.01 Ω，線路電抗Lg為 1 Ω。

設(shè)置0.4 s時(shí)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生接地故障，0.6 s時(shí)開始實(shí)施電壓控制。仿真結(jié)果如圖7所示，圖中，從上至下依次為公共連接點(diǎn)三相電壓、計(jì)算得到的正序和負(fù)序電壓幅值、電壓不平衡度k=UN／UP、角形級(jí)聯(lián)STATCOM相電流、角形級(jí)聯(lián)STATCOM線電流、角形級(jí)聯(lián)STATCOM環(huán)流指令和環(huán)流電流及角形級(jí)聯(lián)STATCOM三相鏈節(jié)電容電壓的波形曲線。由圖7可知：電網(wǎng)側(cè)發(fā)生接地故障后，三相電壓不再對(duì)稱，產(chǎn)生了負(fù)序電壓，且正序電壓發(fā)生了跌落；在角形STATCOM控制下，公共連接點(diǎn)正序電壓幅值回升至額定值，而負(fù)序電壓得到了有效地抑制；角形補(bǔ)償器相電流和線電流中含有正負(fù)序分量；采用本文所提控制策略角形級(jí)聯(lián)STATCOM三相電容電壓始終維持動(dòng)態(tài)平衡。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提電壓控制策略的正確性和有效性。

圖6 角形級(jí)聯(lián)STATCOM控制框圖Fig.6 Block diagram of delta-connected cascaded STATCOM control

圖7 仿真結(jié)果Fig.7 Simulative results

4 結(jié)論

STATCOM能夠調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功功率、穩(wěn)定公共連接點(diǎn)電壓、提高DG低電壓穿越能力等。針對(duì)不平衡電壓工況，本文提出了一種適用于角形級(jí)聯(lián)STATCOM的電壓控制策略，能夠支持電網(wǎng)正序電壓，減少公共連接點(diǎn)電壓波動(dòng)，并抑制公共連接點(diǎn)電壓負(fù)序分量，改善電網(wǎng)電壓不平衡度；給出了正負(fù)序電流指令的求取方法，并結(jié)合角形STATCOM相電流與線電壓的約束關(guān)系，改進(jìn)了角形級(jí)聯(lián)STATCOM的控制方法，實(shí)現(xiàn)公共連接點(diǎn)電壓控制的同時(shí)維持補(bǔ)償器穩(wěn)定運(yùn)行。

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