基于光伏STATCOM/BESS裝置的邊緣物聯終端控制策略研究

楊黃河 王勇 程鑫

摘 要：由于光伏發電本身具有隨機性和波動性，在其并入大電網過程中容易引起較大沖擊，造成電網頻率、電壓等指標的波動，影響電網安全運行。采用帶有蓄電池（BESS）的柔性交流輸電裝置（STATCOM）來補償光伏并網過程出現的問題。針對STATCOM/BESS裝置傳統直接控制策略（DPC）存在的不足，提出一種基于電壓空間矢量技術（SVPWM）與預測直接功率控制（P-DPC）相結合的控制策略。該策略針對以往策略對無功補償的不足，在控制指標里加入了無功功率，重新推導了STATCOM交流側電壓表達式;在功率預測時為減小誤差，引入埃米爾特插值法（Hermite）進行功率插值;采用SVPWM技術完成三相橋臂導通狀態的判斷，避免引入電流諧波，降低對開關器件的損耗。Matlab/SimuLink仿真結果表明，所提策略與傳統直接功率控制策略相比，具有更快的動態響應速度，以及較準確的功率追蹤精度。

關鍵詞：分布式電網;STATCOM/BESS裝置;邊緣物聯終端;無功補償;功率控制;電壓空間矢量技術

中圖分類號：TP211;TM714文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

微電網是為了使分布式光伏電源與大電網更好地相結合而產生的新型電網形式[1]，其是指由分布式電源、保護裝置、負荷、儲能裝置和監控等組成的電網系統[2]。微電網旨在實現分布式電源的靈活和高效應用，對單獨的大電網系統進行維護，不僅能保證系統供電質量的可靠性和穩定性，還可保證其在與大電網并網時造成的影響比較小。然而，光伏微網的輸出功率受到分布式光伏電源輸出功率的隨機影響而產生波動，使得負載供電功率的可靠性受到很大威脅[3]，并且在與大電網并網后，也會影響電力系統的可靠性和穩定性[4]。因此光伏微網的功率平衡問題是一大難點。

靜止無功補償器（STATCOM）只能調節無功功率，如果將其輸入端連接儲能裝置（BESS），這樣就具有了雙向調節有功功率的功能。當STATCOM/BESS裝置應用于光伏微網中時，并加以合理的控制策略，就能夠實現對功率進行選擇性的補償，保證電網的可靠性和穩定性[5]。所以，為STATCOM/BESS裝置選取合適的控制策略也尤為重要[6]，準確適當的控制策略可以精確地追蹤功率的變化，還能夠根據功率的變化進行分析，從而決定下一步的動作。

STATCOM/BESS的控制策略多采用直接功率控制方式（Direct Power Control，DPC），其是根據瞬時功率理論建立起來的，DPC可以直接對有功和無功功率控制[7-9]。這種控制方式具有其他控制方式無法比擬的優越性，如相對簡單的結構和算法，所需硬件配置要求不高;但經典DPC控制通過滯環比較器和預定的開關表選擇輸出的電壓矢量。這種控制方式受較多因素影響，若滯環比較器具有不穩定的開關頻率，則對輸出端濾波電感的設計是較大的挑戰，且對電路開關頻率和采樣頻率要求很高。基于此，本文提出一種改進型預測直接功率控制策略，將預測直接功率控制（Predictive Direct Power Control，P-DPC）與空間電壓矢量技術（Space Voltage Vector Technique，SVPWM）相結合，實現更好地控制STATCOM/BESS，以及電力系統的安全穩定運行。

1 傳統直接功率控制

傳統DPC控制策略改變功率大小的主要方法是查詢開關表來設置開關狀態，這種方式無需設置電流內環和PWM模塊[10]?？刂七^程為：當開關狀態發生調整后，STATCOM交流側的電壓值隨之同時發生調整，而電壓矢量的變化會不同程度地影響功率，因此電壓矢量的適當選擇會實現STATCOM/BESS正確增大或減小輸出功率[11]，從而控制STATCOM/BESS輸出合適的功率值。傳統DPC的控制框圖如圖1所示，整體分成下列5部分：瞬時功率檢測模塊、滯環比較器模塊、扇區選擇模塊、開關表模塊以及脈沖生成模塊。核心模塊為開關表模塊，開關表的準確程度決定了系統的準確與否[12]。

2 改進型預測直接功率控制策略算法建立

圖2所示的電壓型逆變電路是STATCOM/BESS的電氣原理圖。該結構由多節蓄電池共同組成的蓄電池組（BESS）以及靜止同步補償器（STATCOM）共同組成，由阻抗連接到電網中。其中的電壓型逆變電路包括6個IGBT電力電子器件，每一個電力電子器件IGBT和二極管并聯在一起，構建續流電路。

根據STATCOM/BESS裝置的主電路，在α-β坐標下，系統輸出瞬時有功功率P和瞬時無功功率Q可以表示為：

式中：usα，usβ為電網電壓（V）;iα，iβ為STATCOM/BESS與電網間的電流（A）。

對式（1）離散化處理，則第k時刻瞬時功率可表示為：

同理，第k+1時刻瞬時功率可表示為：

式（3）表示未來第k+1時刻STATCOM/BESS裝置所輸出功率。查閱資料可知，在采樣頻率遠高于電網電壓頻率時，可近似認為：

可以得到k，k+1時刻STATCOM/BESS輸出功率變化：

于是STATCOM/BESS主電路在α-β坐標下數學模型為：

為了提高STATCOM/BESS的響應速度，可以使STATCOM/BESS在下一時刻的輸出功率P（k+1），Q（k+1）恰好等于參考功率，即：

整理得：

式中：usα，usβ是測量電網電壓值得到的;icα，icβ利用測量STATCOM/BESS補償電流值可以得到;采樣周期TS和連接電抗R，L均已知;通過追蹤負載瞬時功率可以得到k-1，k時刻的參考功率。因此，可根據式（8）計算出電壓矢量ucα，ucβ，根據電壓矢量與開關管導通關斷的關系，然后利用SVPWM調制模塊控制三相橋臂導通或關斷，還能實現對變流器的開關頻率進行固定。

3 改進型預測直接功率控制結構建立

圖3為改進型直接功率控制框圖，主要包括瞬時功率檢測模塊、功率預測模塊和SVPWM調制模塊。改進后的控制策略減少了兩個模塊：滯環比較器模塊、開關表模塊，增加了SVPWM模塊和功率預測模塊?？刂屏鞒虨椋?/p>

（1）首先檢測出當前電網電壓值usα，usβ，以及STATCOM/BESS補償電流iα，iβ和負載電流iLα，iLβ;根據公式計算出當前STATCOM/BESS輸出功率值P（k），Q（k）以及負載功率值PL（k），QL（k）。

（2）記錄下k-1，k時刻功率參考值。為減小負載功率波動對電網的沖擊，使光伏微網產生的電能在并入大電網后，不會影響公共電網的穩定運行。當負載有功功率增加時，增大STATCOM/BESS的輸出有功功率;當負載無功功率增大時，也相應增大STATCOM/BESS輸出的無功功率，以實現削峰填谷的功能。當實現電網單位功率因數運行時，令負載無功的賦值等于STATCOM/BESS的無功參考功率。

（3）將步驟（1）、步驟（2）所得到的功率P（k），Q（k）以及k-2，k-1，k時刻的參考功率，代入式（8）得到STATCOM/BESS交流側電壓ucα，ucβ。

（4）將得到的ucα，ucβ送至SVPWM模塊，完成對變流器的定頻控制。

4 仿真分析驗證

為了驗證改進后預測直接功率控制策略是否有效，在Matlab/SimuLink中分別搭建STATCOM/BESS基于傳統DPC和改進型DPC的系統仿真模型。查閱資料可知：感性負載和容性負載的明顯區別是STATCOM/BESS最終補償無功的正負，感性負載時，需要STATCOM/BESS吸收多余無功，所以最終無功為正值;容性負載時需要STATCOM/BESS發出無功，為負值。為了完成STATCOM/BESS系統無功補償的目標，選擇將感性負載P=500 kW，Q=500 kVar接入系統進行測試，并在t =0.1 s時將STATCOM/BESS投入運行。

圖4為傳統DPC控制策略與改進型DPC下STATCOM/BESS輸出功率波形。圖5為傳統DPC與改進型DPC下投入STATCOM/BESS前后負載功率波形。

從圖4可以看出，應用改進預測直接功率控制STATCOM/BESS時，t =0.1 s前，STATCOM/BESS尚未投入運行，其有功功率波形和無功功率波形維持在0，t =0.1 s后，STATCOM/BESS投入運行。在經過極短暫的延遲后，有功功率波形出現了短暫的過沖現象，隨后在t =0.15 s附近趨近于0，無功功率波形在t =0.12 s時已經穩定下來，并維持在100 kVar;而傳統DPC的有功功率在t =0.16 s時才接近穩定，無功功率波形在t =0.14 s之后才開始穩定，并存在輕微的波動。從圖5可以看出，在t =0.1 s時，兩種DPC下負載的功率波形均出現了波動，但傳統DPC下負載功率的波動明顯大于改進型DPC下負載功率的波動。

綜上所述，能夠看出改進預測直接功率的控制效果更好，能加快STATCOM/BESS調節功率的速度，且響應速度也明顯加快，調節后尤其是無功功率的波動明顯減小。對比傳統DPC控制策略，改進的預測直接功率控制在調節功率速率、減小波動以及動態響應速度等方面都具有明顯的優越性，對STATCOM/BESS的有效控制具有相當重要的意義。

5 結 語

首先為了克服無功補償不足的缺點而將無功功率作為一項控制指標，對STATCOM交流側電壓表達式進行重新推導，并在功率預測時采用埃米爾特插值法進行插值，提高了預測精度，完成了功率預測;隨后提出基于SVPWM技術的預測直接功率控制策略，目的是改善傳統直接功率控制策略開關頻率不固定及引入大量諧波的缺陷，文中對預測功率控制算法進行了分析說明。仿真結果表明，改進后控制策略應用在STATCOM/BESS中，可以實現無功補償，具有較快的動態響應速度和較準確的功率追蹤精度，且具有一定的有效性，對STATCOM/BESS的控制有重要意義。

圖5 傳統DPC與改進型DPC下負載功率波形

參考文獻

[1]王淑雅.電動汽車充電諧波對并網型微電網的影響與抑制補償方法研究[J].物聯網技術，2019，9（2）：77-78.

[2]王淑雅，周強.基于微電網的電動汽車無線充電技術[J].物聯網技術，2018，8（11）：62-63.

[3] GUO L，LIU W J，LI X L，et al. Energy management system for stand-alone wind-powered-desalination microgrid [J]. IEEE transactions on smart grid，2016，7（2）：1079-1087.

[4]吳波.PWM整流器前饋解耦控制策略[J].物聯網技術，2017，7（11）：40-41.

[5]李寧寧，王建賾，紀延超，等.STATCOM/BESS無差拍功率控制方法[J].電氣自動化，2015，37（6）：5-7.

[6] LIU B，LI K，NIU D D，et al. The characteristic analysis of the solar energy photovoltaic power generation system [J]. IOP conference series：materials science and engineering，2017，164：1-6.

[7] LI S H，XU L，HASKEW T A. Control of VSC-based STATCOM using conventional and direct-current vector control strategies [J]. International journal of electrical power & energy systems，2013，45（1）：175-186.

[8]劉世超，楊興武，姜建國.基于虛擬磁鏈的STATCOM定頻直接功率控制[J].電氣自動化，2009，31（5）：21-23.

[9]胡曉東，韓鹍，孫蘇坡.抽油機電機無功補償技術的研究[J].物聯網技術，2016，6（4）：58-60.

[10]羅瑜珣，李志勇，危韌勇，等.級聯三相光伏逆變器的虛擬磁鏈直接功率控制策略[J].中南大學學報（自然科學版），2016，47（4）：1188-1195.

[11]張延遲，解蕾，解大，等.基于虛擬磁鏈直接功率控制的HVDCLight [J].電氣自動化，2008，30（5）：22-25.

[12] XIE Y，LIAO Y N，XIE H. Study on reactive power compensation control of STATCOM based on MMC [J]. Applied mechanics & materials，2014，530/531：1022-1025.