應(yīng)用于含分布式電源配電網(wǎng)的D-STATCOM改進(jìn)型控制策略研究

韓霞，曹瓊

(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司營(yíng)銷(xiāo)部，太原 030012)

0 引 言

分布式電源的大力推廣在促進(jìn)節(jié)能減排、綠色清潔能源發(fā)展的同時(shí)，也為當(dāng)前配電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。特別是偏遠(yuǎn)山村地區(qū)，配電網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)薄弱，加之當(dāng)前變頻電器、節(jié)能燈等現(xiàn)代負(fù)荷具有強(qiáng)非線(xiàn)性、不平衡、沖擊性的特點(diǎn)，導(dǎo)致當(dāng)前配電網(wǎng)存在功率因數(shù)降低、不平衡諧波污染嚴(yán)重等問(wèn)題，嚴(yán)重危害配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]，因此必須采取積極有效的方案解決含分布式電源配電網(wǎng)的這一問(wèn)題，D-STATCOM應(yīng)運(yùn)而生[2]。

D-STATCOM典型控制策略主要有滯環(huán)控制[3]、比例積分控制(proportional integral，PI)[4]、比例諧振控制(proportional resonant，PR)[5]，很多學(xué)者提出模糊控制[6]、滑膜變控制[7]、自適應(yīng)控制[8-9]等。滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但開(kāi)關(guān)頻率不固定，使D-STATCOM輸出濾波器設(shè)計(jì)困難等問(wèn)題[3]；PI控制能夠有效追蹤控制直流信號(hào)，但是D-STATCOM的參考電流為交流量，單純采用PI控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差的控制目標(biāo)，控制效果欠佳[4]；比例諧振PR控制能夠消除特定頻率的交流信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差，但是各次諧波均需要配置相應(yīng)的諧振調(diào)制器，占用系統(tǒng)資源多，調(diào)試復(fù)雜[5-6]；與前述常用的控制方法相較而言，重復(fù)控制便于計(jì)算、更加可靠、穩(wěn)態(tài)精度高，能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性交流信號(hào)的有效控制，在光伏逆變器、風(fēng)電功率變換器等中[10-11]應(yīng)用廣泛。

但是，典型的重復(fù)控制(repetitive control，RC)存在周期延時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等固有缺陷。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于諧波檢測(cè)的快速暫態(tài)重復(fù)控制策略，在確保裝置穩(wěn)態(tài)精度的前提下提高其動(dòng)態(tài)性能，改進(jìn)后的重復(fù)控制只需要典型重復(fù)控制周期延時(shí)的1/6；同時(shí)與PI控制結(jié)合來(lái)消除任意次諧波，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，不適用于含分布式電源的配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[11]則提出了在單同步坐標(biāo)系下PI和重復(fù)控制RC構(gòu)成復(fù)合控制器，基本滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)精度要求，改善了系統(tǒng)的魯棒性，但也存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

針對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)的D-STATCOM性能要求，為了提高D-STATCOM動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)控制精度，提出了一種D-STATCOM改進(jìn)型控制策略。首先直接以D-STATCOM并網(wǎng)點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)電流、直流母線(xiàn)電壓為狀態(tài)變量，利用等量代換建立了D-STATCOM在αβγ靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。然后在αβγ靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行了D-STATCOM電流環(huán)控制器的設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的D-STATCOM電流內(nèi)環(huán)將PI控制、二階廣義積分器(second order generalized integrator，SOGI)控制和重復(fù)控制RC巧妙結(jié)合，D-STATCOM的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率通過(guò)PI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，基頻及低次諧波交流分量的無(wú)靜差跟蹤控制則通過(guò)二階廣義積分器SOGI來(lái)實(shí)現(xiàn)，其他各次諧波分量的補(bǔ)償則通過(guò)重復(fù)控制RC來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得改進(jìn)后的D-STATCOM動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)精度高，能有效解決含分布式電源配電網(wǎng)的功率因數(shù)低、諧波畸變率高等電能質(zhì)量問(wèn)題。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文所提控制策略的可行性。

1 D-STATCOM的數(shù)學(xué)模型

考慮到配電網(wǎng)接線(xiàn)方式的實(shí)際情況，為便于D-STATCOM拓展應(yīng)用，選擇如圖1所示的三相三橋臂逆變橋加分列電容作為D-STATCOM的主電路，能夠?qū)植际诫娫磁潆娋W(wǎng)中單相、三相，平衡、不平衡，線(xiàn)性、非線(xiàn)性等復(fù)雜工況下的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行全補(bǔ)償。

圖1 D-STATCOM主電路結(jié)構(gòu)圖

規(guī)定電流流入D-STATCOM為正方向，則isi、ili、ifi分別為網(wǎng)側(cè)電流、負(fù)荷電流、D-STATCOM補(bǔ)償電流(i=a，b，c，n)，D-STATCOM的直流母線(xiàn)電壓、電流分別為vdc、ip，L代表D-STATCOM的連接電抗器，R0代表等效電阻即計(jì)及了IGBT開(kāi)關(guān)、電抗器等損耗，van、vbn、vcn分別代表逆變器交流出口的三相相電壓，dan、dbn、dcn則代表了三相橋臂的占空比。

由KVL、KCL定理，根據(jù)等量關(guān)系isi=ili+ifi，直接以D-STATCOM并網(wǎng)點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)電流isi、直流側(cè)母線(xiàn)電壓為vdc狀態(tài)變量，得到D-STATCOM在αβγ靜止坐標(biāo)系下的平均大信號(hào)數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。在αβγ靜止坐標(biāo)系下D-STATCOM控制變量此時(shí)不再是單純的直流分量，僅僅依靠傳統(tǒng)的PI控制不能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制變量的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤控制，需要結(jié)合其他先進(jìn)控制算法進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。

(1)

2 D-STATCOM的改進(jìn)型控制策略

2.1 D-STATCOM控制原理

如圖2所示為D-STATCOM的控制框圖。

圖2 D-STATCOM的控制框圖

2.2 二階廣義積分器與重復(fù)控制

2.2.1 二階廣義積分器控制

文獻(xiàn)[12-14]提出的二階廣義積分器(Vector Resonant，VR)控制不但能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤控制，而且設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了D-STATCOM的影響、調(diào)節(jié)帶寬高、頻率選擇特性好。

二階廣義積分器SOGI的傳遞函數(shù)如式(2)所示:

(2)

對(duì)應(yīng)的bode圖如圖3所示。其中，kP、kSO分別為二階廣義積分器SOGI的比例系數(shù)、增益系數(shù)，nω0為對(duì)應(yīng)的諧振點(diǎn)，ωc為阻尼因子，R0、L則分別為被控對(duì)象的等效電阻、電感。由圖3可以發(fā)現(xiàn)一方面二階廣義積分器SOGI僅在諧振點(diǎn)nω0處產(chǎn)生高增益，對(duì)其他頻次的信號(hào)增益則幾乎為零，能確保對(duì)諧振點(diǎn)nω0交流信號(hào)的快速跟蹤、控制。

圖3 二階廣義積分器控制bode圖

另一方面，二階廣義積分器SOGI可以實(shí)現(xiàn)在諧振點(diǎn)處的相位0°滯后。顯然，采用二階廣義積分器SOGI時(shí)在諧振點(diǎn)nω0不會(huì)影響D-STATCOM原系統(tǒng)的相位裕度及穩(wěn)定性。

2.2.2 重復(fù)控制

式(3)為理想重復(fù)控制的傳遞函數(shù)，其內(nèi)部模型采用的是單位增益正反饋，屬于臨界穩(wěn)定系統(tǒng)，誤差收斂于它的重復(fù)周期，但是穩(wěn)定性欠佳。因此，通常采用修正重復(fù)控制如式(4)所示，其內(nèi)部模型經(jīng)過(guò)衰減系數(shù)Q修正，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)Q值取0.95。同時(shí)需要結(jié)合被控對(duì)象特性來(lái)設(shè)計(jì)校正因子S(z)[15]，如圖4(c)所示為對(duì)應(yīng)的bode圖。

(3)

(4)

為了對(duì)D-STATCOM的控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的相位和幅值補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)在中低頻段單位增益和零相移，而在高頻段迅速衰減的目的，根據(jù)被控對(duì)象GP(z)的特點(diǎn)進(jìn)行校正因子S(z)參數(shù)的選取。校正因子S(z)分別由增益kr、相位超前環(huán)節(jié)zk和濾波器環(huán)節(jié)F(z)構(gòu)成，如式(5)：

圖4 重復(fù)控制

S(z)=krzkF(z)

(5)

控制器增益kr用于調(diào)控重復(fù)控制器生成的補(bǔ)償量幅值，考慮D-STATCOM穩(wěn)定性與控制精度的綜合需求，kr取為0.8[15]。為了補(bǔ)償控制對(duì)象GP(z)和濾波器環(huán)節(jié)F(z)產(chǎn)生的總相位滯后，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相位超前環(huán)節(jié)zk的k值取為3[15]。

考慮D-STATCOM兼具濾除40次即2 kHz及以下諧波功能，濾波器環(huán)節(jié)F(z)選用二階低通濾波器[15]，阻尼比為0.707，轉(zhuǎn)折頻率為2.6 kHz，如式(6)所示：

(6)

2.3 D-STATCOM的改進(jìn)型控制策略

在αβγ靜止坐標(biāo)系下D-STATCOM的α、β、γ軸的電流環(huán)具有一致性，以α軸為例進(jìn)行分析，α軸的電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電流內(nèi)環(huán)

(7)

根據(jù)上述分析結(jié)果，多個(gè)二階廣義積分器SOGI同時(shí)應(yīng)用存在相互干擾、相位滯后嚴(yán)重，大量應(yīng)用受到限制。重復(fù)控制RC雖然能夠簡(jiǎn)化二階廣義積分器SOGI同時(shí)處理多次諧波[16]，但是存在固有周期延時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不佳，含分布式電源的配電網(wǎng)由于各類(lèi)電力電子裝置的廣泛接入，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，對(duì)D-STATCOM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度要求更高。

鑒于上述的分析，提出D-STATCOM的電流環(huán)控制器由比例積分PI、二階廣義積分器SOGI、重復(fù)控制RC構(gòu)成即復(fù)合控制器，并且直接在αβγ靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行D-STATCOM控制器的設(shè)計(jì)。其電壓外環(huán)控制器則采用帶限幅的比例-積分PI控制。電流環(huán)控制器中，D-STATCOM控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率均需通過(guò)PI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，二階廣義積分器SOGI則是為了能夠?qū)l交流分量及低次諧波進(jìn)行無(wú)靜差跟蹤控制，重復(fù)控制RC則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有諧波進(jìn)行全補(bǔ)償?shù)目刂颇康摹?/p>

如式(8)所示為D-STATCOM控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，對(duì)應(yīng)的幅頻特性如圖6所示。忽略負(fù)荷電流il和電源電壓e擾動(dòng)量的影響，采用改進(jìn)后的D-STATCOM電流環(huán)控制器不但能有效進(jìn)行基頻等低次交流分量的補(bǔ)償，在高次諧波頻率處仍能保持較高增益，最終實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償目的。

(8)

其中，D-STATCOMGC(s)即電流環(huán)中所采用的復(fù)合控制器可用傳遞函數(shù)表示為：

(9)

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文所提出的D-STATCOM改進(jìn)型控制策略，采用PLECS軟件搭建D-STATCOM模型進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 D-STATCOM仿真參數(shù)

對(duì)應(yīng)用于含分布式電源配電網(wǎng)的D-STATCOM在不同工作模式下進(jìn)行驗(yàn)證分析。

(1)工作模式1：無(wú)功補(bǔ)償及不平衡治理。

如圖7所示為采用本文所提出的改進(jìn)控制策略的D-STATCOM在工作模式1：無(wú)功補(bǔ)償及不平衡治理時(shí)補(bǔ)償前后效果對(duì)比，圖7(a)所示為未補(bǔ)償前的負(fù)載電流波形，峰值分別為：167 A、155. 5 A、103.6 A，電流不平衡度達(dá)45.1%，功率因數(shù)低。圖7(b)、圖7(c)所示為分別為采用傳統(tǒng)PI控制和本文所提改進(jìn)型控制策略補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形，在t=0.1 s時(shí)刻投入D-STATCOM，補(bǔ)償后峰值分別為：121.3 A、119.2 A、119.3 A，電流不平衡度低至2%補(bǔ)償后功率因素則達(dá)到0.9以上顯著提高，但是采用傳統(tǒng)PI控制的D-STATCOM大約需要0.14 s的過(guò)渡時(shí)間，采用本文所提改進(jìn)型控制策略D-STATCOM 僅需大約0.1 s即可進(jìn)入穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償。

圖7 D-STATCOM在工作模式1的補(bǔ)償效果

(2)工作模式2：無(wú)功補(bǔ)償及非線(xiàn)性抑制。

如圖8所示為D-STATCOM在工作模式2即無(wú)功補(bǔ)償及非線(xiàn)性抑制時(shí)補(bǔ)償前后效果對(duì)比，圖8(a)所示為未補(bǔ)償前的負(fù)載電流波形，峰值分別為：300.3 A、227.2 A、300.2 A，電流畸變率達(dá)到38.3%以上，功率因數(shù)低，電能質(zhì)量惡劣；圖8(b)所示為采用傳統(tǒng)PI控制補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形，在t=0.1 s時(shí)刻投入D-STATCOM，補(bǔ)償后峰值分別為：257.4 A、254.3 A、257.0 A，電流畸變率降低至9.3%以下，功率因素則達(dá)到0.85以上顯著提高；圖8(c)所示為本文所提改進(jìn)型控制策略補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形，在t=0.1 s時(shí)刻投入D-STATCOM，補(bǔ)償后峰值分別為：261.1 A、258.2 A、257.6 A，電流畸變率降低至2%以下，諧波抑制效果明顯，基本實(shí)現(xiàn)三相平衡標(biāo)準(zhǔn)正弦化，補(bǔ)償后功率因素則達(dá)到0.9以上顯著提高；但是采用傳統(tǒng)PI控制的D-STATCOM大約需要0.1 s的過(guò)渡時(shí)間，采用本文所提改進(jìn)型控制策略D-STATCOM僅需大約0.08 s即可進(jìn)入穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償。

圖8 D-STATCOM在工作模式2的補(bǔ)償效果

(3)工作模式3：綜合治理。

如圖9所示為D-STATCOM在工作模式3即綜合補(bǔ)償時(shí)，圖9(a)所示為未補(bǔ)償前的負(fù)載電流波形，峰值分別為：533.6 A、378.6 A、327.0 A，電流畸變率達(dá)到12%以上，不平衡度達(dá)50%以上，功率因數(shù)低，電能質(zhì)量惡劣；圖9(b)所示為采用傳統(tǒng)PI控制補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形，在t=0.1 s時(shí)刻投入D-STATCOM，補(bǔ)償后有效值分別為：418.8 A、419.1 A、415.2 A，電流畸變率降低至5%以下，功率因素則達(dá)到0.86以上顯著提高；圖9(c)所示為本文所提改進(jìn)型控制策略補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形，在t=0.1 s時(shí)刻投入D-STATCOM，補(bǔ)償后峰值分別為：416.4 A、417.5 A、415.5 A，電流畸變率降低至1.8%以下，諧波抑制效果明顯，基本實(shí)現(xiàn)三相平衡標(biāo)準(zhǔn)正弦化，補(bǔ)償后功率因素則達(dá)到0.9以上顯著提高；但是采用傳統(tǒng)PI控制的D-STATCOM大約需要0.13 s的過(guò)渡時(shí)間，采用本文所提改進(jìn)型控制策略D-STATCOM僅需大約0.1 s左右即可進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高，治理效果明顯。

圖9 D-STATCOM在工作模式3的補(bǔ)償效果

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)針對(duì)含分布式電源配電網(wǎng)中由于并網(wǎng)逆變器等電力電子裝置的廣泛接入造成的配電網(wǎng)電壓波動(dòng)頻繁、功率因數(shù)低、諧波畸變率高等電能質(zhì)量問(wèn)題的特殊性，提出了一種D-STATCOM改進(jìn)型控制策略，本策略采用無(wú)諧波檢測(cè)算法，直接以并網(wǎng)點(diǎn)網(wǎng)側(cè)電流、直流母線(xiàn)電壓作為D-STATCOM的狀態(tài)變量建立了其在αβγ靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；

(2)在靜止坐標(biāo)系下，提出了D-STATCOM的復(fù)合控制策略，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)基頻分量的快速有效跟蹤控制利用了二階廣義積分器SOGI頻率適應(yīng)性好和穩(wěn)定裕度大的優(yōu)點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性諧波分量的有效跟蹤控制利用了重復(fù)控制RC計(jì)算量小的特點(diǎn)，使得改進(jìn)后的D-STATCOM動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率快、穩(wěn)態(tài)精度高、計(jì)算量小；

(3)通過(guò)建模及仿真分析，對(duì)采用復(fù)合控制器的D-STATCOM通過(guò)相關(guān)仿真分析進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果證明，采用改進(jìn)型控制策略的D-STATCOM能夠有效解決含分布式電源配電網(wǎng)中廣泛存在的諧波污染嚴(yán)重、功率因數(shù)低、不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)于保證配電網(wǎng)清潔、高效、優(yōu)質(zhì)供電具有重要意義。