基于DPC控制策略的STATCOM/BESS装置研究
2017-11-16李雪松刘建业张峰
李雪松+刘建业+张峰
摘 要：帶蓄电池储能装置的静止同步补偿器（STATCOM/BESS）在解决快速补偿系统所需要的有功功率和无功功率、灵活平抑新能源发电引起的供电波动等问题中是非常重要的装备。直接功率控制（Direct Power Control， DPC）是瞬时功率理论的另一种表现形式，它无需借助其他变量，对有功功率和无功功率直接进行控制。文章主要对STATCOM/BESS装置DPC控制策略和控制算法进行了理论分析，并将DPC控制策略及基于空间矢量调制的直接功率控制策略（Direct power control with space vector modulation， DPC-SVM）运用到系统中，在Matlab/Simulink中进行仿真分析。
关键词：STATCOM/BESS装置；直接功率控制；DPC-SVM；Matlab/Simulink
中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0004-03
1 概述
静止同步补偿器STATCOM是柔性交流输电系统（FACTS）较为广泛应用的补偿器，能够及时补偿电网的无功功率。蓄电池BESS能有效控制有功波动，减少功率波动对电网的冲击。因此STATCOM/BESS装置不仅可以提供无功补偿，而且还能够提供必要的有功支持。直接功率控制（Direct Power Control， DPC）是瞬时功率理论的另一种表现形式，它无需借助其他变量，对有功功率和无功功率直接进行控制。DPC的功率因数高、算法和结构简单，对于STATCOM/BESS这种动态性能较高的设备发挥着显著的效果。
2 STATCOM/BESS装置结构及工作原理
传统的电压型逆变电路作为STATCOM/BESS装置主电路，由蓄电池组BESS和静止同步补偿器STATCOM组成。STATCOM/BESS既能够提供容性/感性无功支持，又可以完成有功功率双向流动，能够在四个象限工作。现取单相电路分析，S、为公共电网电压、STATCOM交流侧电压，为输出电流，X、R为连接电抗、连接电阻。
其有功功率、无功功率可表示为：
（1）
由式（1）可知，控制夹角？啄能够使STATCOM/BESS工作状态。sin？啄>0时，P<0，系统发出有功功率，工作在逆变状态；sin？啄<0时，P>0，系统吸收有功功率，工作在整流状态。改变US与Ucos？啄之间的大小关系，能够控制系统输出感性/容性无功功率，US
3 STATCOM/BESS装置的控制策略
3.1 直接功率控制
直接瞬时功率控制对有功/无功功率直接进行控制，根据功率给定和瞬时功率的误差去选择开关表进行控制。DPC由瞬时功率检测模块、扇区选择模块、滞环比较器模块、开关表模块和脉冲生成模块构成，如图1所示。
直接瞬时功率控制的原理是通过开关状态的改变，引起STATCOM/BESS装置交流侧电压矢量的改变，各电压矢量作用在功率上的效果不同，所以，选择恰当的电压矢量，就能满足各种功率要求。
3.2 基于空间矢量调制的直接功率控制
这种控制策略是将SVPWM与预测控制算法相结合，以消除传统DPC带来的系统开关频率不固定、引入大量谐波、滤波器设计困难等缺陷。DPC-SVM依据无差拍控制，将系统的状态方程及某一时刻的信息值作为基础量，从而得到在开关周期TS内要输出的平均电压矢量，以削弱在TS末端时刻有功/无功跟踪误差值。使用这种控制策略，来获得高品质的直接功率控制效果，并且使得STATCOM/BESS装置工作在固定的开关频率下，使得选用滤波器更加方便简单，如图2所示。
4 仿真
在Matlab/Simulink仿真软件中搭建系统仿真模型。STATCOM交流侧通过连接R、L经延时装置与电网相连，STATCOM直流侧与储能蓄电池BESS相连，其值为800V。电网电压为380V，采样周期为1×10-4s，在0.1s时接入STATCOM/BESS装置。
下面对DPC控制策略下STATCOM/BESS装置在四象限运行进行分析论证，如图3-图6所示。
根据图7-图8能够得出，STATCOM/BESS装置在DPC控制策略下能够在四种工作状态下运行，从波形图上能够看出，在投入STATCOM/BESS装置后，需经过0.03s系统才能稳定工作，稳定运行后的波动性较高，因此，提高系统稳定性以及缩短过渡时间成为亟待解决的问题。
根据图7能够得出，STATCOM/BESS装置在DPC-SVM控制策略下能够改善DPC控制策略中存在的，稳定性较差的问题，从图8中能够看出，在投入STATCOM/BESS装置后，需经过约0.02s后系统稳定工作，且稳定运行后的波动性较小。
5 结束语
本文对STATCOM/BESS装置进行分析并提出两种策略（DPC和DPC-SVM）进行仿真论证。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，在DPC控制策略下论证了STATCOM/BESS装置能够实现四种工作状态，即吸收有功功率发出无功功率、吸收有功功率及无功功率、发出有功功率吸收无功功率、发出无功功率及有功功率。但由于DPC控制策略中开关表模块是其核心，开关表的精准度决定着系统的精确性，因此不难看出，DPC控制策略存在精确度低，波动性大的缺点。在DPC-SVM控制策略仿真结果中，可以看出系统运行较稳定，改善了DPC控制策略存在的问题。STATCOM/BESS装置能够在四象限运行，可以灵活的运用于新能源并网中，减小新能源对电网的冲击。
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