PV逆变器作为STATCOM在夜间调节风光储系统电压稳定性的研究

徐 群，李文升，崔力勃，姜 斌，程 涛

(国网山东青岛供电公司经济技术研究所 山东青岛266002)

PV逆变器作为STATCOM在夜间调节风光储系统电压稳定性的研究

徐 群，李文升，崔力勃，姜 斌，程 涛

(国网山东青岛供电公司经济技术研究所 山东青岛266002)

介绍了利用光伏和太阳能发电场作为柔性交流输电系统控制器——静态同步补偿器。当太阳能发电厂在夜间不产生任何有功功率时，利用STATCOM调节公共耦合电压。提出了一项控制技术，能够提高风光储系统接入配电网的稳定性，最后利用MATLAB/Simulink的仿真结果验证了系统的可靠性。

静态同步补偿器 风光储系统 配电网

0 引 言

当前，电网面临的一个重大挑战是在连接越来越多的以可再生能源为基础的分布式发电机的同时，还要保证分布式发电机的稳定性、电压的稳定调节以及电能的质量。通常情况下，夜间的馈线负载比白天低，而风电场由于风速的增加会产生更多电能，这可能会导致功率从公共耦合点反向流动，造成电网电压高于允许的范围。如果要连接更多的分布式发电机，配电网需要安装昂贵的电压调节装置。电压源逆变器是光伏系统中的重要部分，能够在白天提供太阳能(正常运行)，在夜间几乎不动作或者不产生任何输出功率。因此，基于上述风光储系统中出现的问题，本文提出使用现有的光伏逆变器作为STATCOM，调节在夜间由于间歇性电源或负载变化导致的电压变化。

目前的控制方案主要用于光伏逆变器和功率控制。在风电场中，成百上千台的兆瓦级风机正在验证其应用的可靠性。变速恒频双馈风力发电机具有变速操作、四象限有功功率和无功功率的控制能力，低转换成本、功率损失少等优点，已成为目前应用的主要类型(另一种是传统的电磁感应发电机)。带有储能系统的风电系统并网结构图如图1所示。

图1 带有储能系统的风电系统并网结构图Fig.1Grid connected structure of wind power system with energy storage system

1 分布式发电的结构

图2显示了风力发电系统、储能系统和光伏发电系统的连接结构图。风电场以1个全控的整流器-逆变器为基础的双馈感应发电机建模，光伏发电厂以1个电压源逆变器为基础建模。

图2 光伏逆变器作为储能电池结构框图Fig.2 Photovoltaic inverter as the structure of the energy storage battery

传统的光伏发电厂在夜间基本无法动作，可以将光伏系统产生的太阳能直流电转变为三相交流电的逆变器也无法动作。如图2所示，光伏系统与电网相连的连接点被称为公共连接点。图2中的Vs和Is分别表示配电变压器二次侧的电压和电流；Vpcc和Vl分别为公共连接点PCC和末端负荷提供的电压支撑；表示经过光伏逆变器之后的电流，直流电流过储能电池分别用ISF和Ibatt表示。储能电池与光伏逆变器的直流侧相连接，图2中的开关S1的作用是在夜间关闭光伏发电系统并且使储能装置连接电网进行充电。

2 双馈感应风力发电机

DFIG是双馈感应风力发电机(Double Fed Induction Generator)的缩写，其发电原理广泛应用于风力发电机中。DFIG由1个具有多相绕组转子和多相滑环组件的感应发电机组成，能够充分避免多相滑环问题，但受其效率、成本和尺寸的约束性能较差。因而采用无刷绕线转子的双馈电机。

双馈感应发电机的原理是：转子绕组通过滑环和背靠背电压源型变流器控制转子和电网电流连接到电网。因此，转子频率可以不同于电网频率(50,Hz或60,Hz)。采用变频器控制转子电流，可以调节有功功率和无功功率，并且定子能够独立控制发电机的转速。使用的控制原理是两个轴电流矢量控制和直接转矩控制(DTC)。DTC已被证明比电流矢量控制具有更好的稳定性，在发电机需要无功电流的情况下尤为突出。

交流-直流-交流转换器可分为两个部分：转子侧变换器和网侧变换器。电压源转换器使用强迫换向电力电子器件(IGBT)将直流侧的直流电压合成交流电压。电容连接在直流侧作为直流电压源。耦合电感器LF可以连接到电网的电网侧转换器。三相转子绕组连接到由滑环和刷子组成的转子侧变换器，三相定子绕组直接连接到电网。风力发电机获得的电能由感应发电机转换而成，由定子和转子绕组传递到电网。

3 风力发电机建模

图3是连接配电网中的一种常见的风力感应发电机——双馈感应风力发电机的模型。感应发电机中绕线转子上的定子连接到电网的低压侧，通过采用通用DC连接的PWM电压源转换器来调节三相电压与绕子侧的电压。电网侧的转换器控制直流侧的母线电压和交流侧的电流，并且允许系统在次同步和超同步的情况下运行。转子励磁由发电机的转换器提供，通过矢量控制的方式控制定子和转子上的有功功率和无功功率。

图3 双馈感应风力发电机Fig.3 Wind turbine driven DFIG

在定子磁链定向的参考系中，无功功率可通过控制d轴转子电流来控制。在定子磁链定向控制中，定子和转子是一种特殊的参考系。在稳定状态下，参考轴的速度等于同步电机转速。该模型被称为动态矢量模型。

风机在旋转空间中的主要变量是静态空间中的磁链，[1]即将ω=ωr和带入磁链方程中可以得到式1、式2、式3和式4。

通过磁链方程式可以计算出电流，电流由式5、式6、式7和式8表示：

对方程式8进行求解可以得到含有ϕmq和ϕmd的方程式，如式9所示：

为了方便建模，[2]将上式分别分解在d轴、q轴和转子方向上的分量。在d轴方向，方程式2、4、6、8和10参与计算，ϕqs、ϕq′r、iqs、iq′r和ϕqs、iqs用来计算电磁转矩。在q轴方向，方程式3、5、7、9和11参与计算，ϕds、ϕd′r、ids、 id′r和ϕds、iqs用来计算电磁转矩。转子绕组通过式12可以计算

通过对上式ϕds、iqs和ϕds、iqs的求解，[3]可以推导出电子转矩，如式11：

通过将惯性力矩和加速转矩等同，可以得到控制转子的运动方程，如式12：

近年来，以电压源逆变器(VSI)为基础的静态VAR补偿器已用于无功功率控制。这些系统被称为先进的静态VAR补偿器(ASVC)或静止同步补偿器(STATCOM)，如图4所示。

图4 STATCOM接线图Fig.4 Structure of STATCOM

静止同步补偿器(STATCOM)是一个并联补偿设备，它能够生成和吸收无功功率，通过控制无功功率的输出和输入维持电力系统具体参数的变化。STATCOM提供操作特性类似于一个旋转的无机械惯性的同步补偿器。由于STATCOM采用固态功率开关器件，无论是在幅度和相位角，它都能实现三相电压的快速可控性。STATCOM由1个带有漏抗的降压变压器、三相GTO或IGBT电压源逆变器(VSI)和1个直流电容器组成。

4 光伏逆变器的控制

图5和图6是控制方案框图。控制器由两个基于电压调节回路的比例-积分控制器(PI)组成。[4-7]1条回路调节PCC电压，另外1条回路保持光伏电容器在直流母线电压下的稳定。PCC的电压在下降和上升过程中分别提供超前或滞后的无功功率。以锁相环(PLL)为基础的控制方法可以保持电网与PCC电压的同步。使用滞环电流控制器控制逆变器开关。为了方便无功功率交换，光伏系统的直流侧电容器是自持模式，因此不必提供外部直流电源(如电池)。

图5 同步系统Fig.5 Synchronous system

图6 直流侧母线电压调节环Fig.6 DC bus voltage regulation loop

5 仿真研究

为了验证本文提出的创新点，采用MATLAB/ SIMULINK搭建风光储模型验证。按照系统搭建SIMULINK仿真模型，其中，Us＝1，系统阻抗为0.035,6＋j0.207,9，地方负荷为S＝0.216＋j0.104,6，L1、L2、L3线路的长度分别为5,km、1,km和0.5,km。线路上的阻抗分别为0.055＋j0.039,5(正序)和0.176,3＋j1.029(零序)。当光伏系统脱离电网时，带有储能元件的光伏发电系统独立系统支撑负载。在电池不充电情况下，光伏逆变器输出的电流如图7所示。

图7 电池放电情况下PV系统逆变器与电网电流波形Fig.7 Inverter and grid current waveform in PV system

在光伏系统离网的情况下，光伏逆变器作为STATCOM调节系统的电压。调节Vpcc的电压仿真图如图8所示。

图8 PCC点电压调节波形Fig.8 PCC point voltage regulator

从图中可以看出，公共连接点处的电压波动在3%,(1～1.25,s之间)，处于标准状态中。即使当系统在1.5,s时存在巨大的波动，光伏逆变器仍然能够将的电压维持在标幺值1.041,2，并且变压器二次侧的电压波动同样不到1%,。

图9 PCC电压调节标幺值Fig.9 PCC voltage regulator

此外，光伏逆变器与配电网之间的无功功率交换以及直流侧母线电压波形如图9所示。从图中可以看出，本文提出的将光伏系统作为STATCCOM调节公共连接点的电压是可行的。

6 结 语

本文所提出利用光伏系统在夜间作为STATCOM调节配电网中公共连接点的电压，经过MATLAB/Simulink仿真验证是可行的。即使当系统出现大波动时，光伏逆变器仍然能够调节配电网中公共连接点处的电压，使之维持在特定的范围内。因此，这种控制方式适用于没有任何电压调节装置的大型风光储系统。■

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Photovoltaic Solar Farm as STATCOM to Regulate Voltage of the Grid at Night

XU Qun，LI Wensheng，CUI Libo，JIANG Bin，CHENG Tao
(Institute of Economic Technology，Qingdao Power Supply Company of Shandong State Grid，Qingdao 266002，Shandong Province，China)

This paper introduces the use of photovoltaic and solar farms as controller of flexible AC transmission system： Static Synchronous Compensator．It proposes the regulating of public coupling voltage by using STATCOM whensolar power plant does not produce any active power at night．The proposed control technique can improve the stability of storage system which accesses to distribution network．Finally，the results validated the reliability of the system by using MATLAB/ Simulink simulation.

Static Synchronous Compensator；storage system；distribution network

TK81

A

1006-8945(2016)03-0041-04

2016-02-02