鏈式STATCOM在雙饋風電場中的諧波抑制研究

2022-04-12 01:25:08邢琛張新燕周鵬童濤

電測與儀表 2022年4期

邢琛，張新燕，周鵬，童濤

(新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

0 引言

隨著新能源產業的高度發展，風力發電由于其自身的優點而成為發展最快的可再生能源，諧波污染成為風電場發展不可忽視的問題[1-3]。靜止同步補償器(STATCOM)具有迅速動態無功補償和有效諧波抑制的作用，在電能質量治理中已得到廣泛的應用[4-8]。

低次諧波是雙饋風電場并網中諧波含量的主要成分，對電網系統穩定運行的影響最為嚴重[9-11]，指定次諧波補償的STATCOM控制方法在治理電力系統的電能質量方面得以應用。文獻[12]提出基于重復控制的指定次諧波補償的STATCOM控制器，此方法相比于傳統的諧波PI控制器的控制方法，諧波控制效果更優，但是控制過程比較復雜。文獻[13]對基于ip、iq瞬時無功功率檢測方法進行了改進，設計出具有諧波補償功能的SVG，對分離出來的諧波分量進行補償，不僅對電網實現了無功補償，而且達到了諧波抑制效果。

諧振控制器應用于有源濾波器中，能對特定次諧波進行重點補償，具有無差拍控制動態響應快的特點[14-15]。文獻[16]提出一種基于PIR控制器的矢量控制策略，有效抑制了雙饋風電機組轉子側的二倍頻分量，提高了風力發電機在不平衡電壓下的穩定并網運行能力。文獻[17]提出將PI-VPI控制方法應用于三相四開關APF中，有效地降低了電網諧波畸變率。將具備諧波抑制能力的鏈式STATCOM[18-21]應用于雙饋風電場中，提高了諧波電流補償的響應速度，是雙饋風電場安全并網運行的理想方案。

文中提出一種基于PIR-VPI混合控制的鏈式STATCOM。該混合控制策略結合了PIR控制器和VPI控制器的優點，使用較少的控制器抑制較多種類的諧波，簡化了控制方式，并且有效抑制了風電場中的直流分量，適用于風電場中的諧波治理。最后將該控制策略的STATCOM投入到雙饋風電場進行仿真驗證，對補償前后的雙饋風電場輸出的電流諧波含量進行比較分析。仿真結果表明，使用PIR-VPI控制策略的STATCOM對雙饋風電場中電能質量方面的改善有良好的工程應用前景。

1 STATCOM在風電場中的應用

STATCOM從主電路組成單元的拓撲結構上可分為電壓型橋式結構和電流型橋式結構[22]。其中電壓型橋式結構STATCOM的直流側儲能元件為電容，交流側通過電感和電阻濾波進行并網[23]。文中主要基于電壓型橋式結構的STATCOM為主要研究對象，建立H橋級聯式多電平結構的拓撲結構，對雙饋風電場中的諧波治理進行分析研究。其三相鏈式的星型接法(Y接法)的電路結構更簡單，且各相換流鏈只需承受相電壓，適用于諸如風電場大功率場合，其連接結構如圖1所示。在簡化的STATCOM接入電力系統的電路結構中，L、R分別表示并網等效電感和電阻，usa、usb、usc分別表示三相電網電壓，uca、ucb、ucc分別表示裝置輸出三相電壓，ica、icb、icc分別表示裝置輸出三相電流。

圖1 星型鏈式STATCOM主電路連接方式

根據基爾霍夫電壓定律，在電網三相電壓平衡的條件下，其三相靜止坐標系下的動態方程為：

(1)

將式(1)變換到同步旋轉坐標系下，可得：

(2)

對式(2)采取拉式變換，即可得到鏈式STATCOM在dq同步旋轉坐標系下的數學模型:

(3)

STATCOM主電路結構中，三相是由相同數量的H橋模塊串聯構成，通過控制單個電壓型逆變器開關管的通斷，改變交流側輸出電流的幅值和相位。

2 基于PIR-VPI控制器的指令電流跟蹤控制方法

2.1 PIR和VPI諧波抑制的控制方法

由于STATCOM僅在PI控制器下抑制諧波的過程中存在靜差，導致在交流信號下諧波電流無法被完全跟蹤。PIR控制器和VPI控制器在諧振頻率點時滿足增益無窮大的特點，能夠較好地跟蹤補償交流信號。其中PIR諧振控制器的傳遞函數為：

(4)

式中Kp1,Ki1分別表示PI控制器的比例系數和積分系數；Kr表示PIR控制器的諧振系數；h表示諧波電流的次數；ωc表示諧振環節的截止頻率，取值范圍一般選取5 rad/s～15 rad/s；ω0表示基波頻率。PIR控制器傳遞函數在ωc取不同值時的Bode圖如圖2所示。

圖2 PIR控制器在不同截止頻率下的伯德圖

由圖2可知，截止頻率ωc值越大，控制器在諧振頻率hω0處的帶寬越大。但是截止頻率ωc選取過大會導致在諧振頻率hω0處的增益降低，濾波效果不理想。綜合考慮，文中選取ωc=8 rad/s。PIR控制器能夠調節hω0處h±1次諧波分量。

對式(2)進行變形，引入x1、x2得到在dq0坐標系下STATCOM的數學模型：

(5)

式中：

(6)

其中x1、x2采用如下控制策略：

(7)

式中kPIR是諧振器的增益系數。

VPI控制器增加了一個使被控對象零點抵消的極點，使控制系統的階數降低，消除了諧振控制器產生的尖峰影響，增強了控制系統的穩定性。VPI控制器的傳遞函數為：

(8)

式中kpn、krn分別為VPI的比例系數和積分系數，其他參數和PIR控制器參數相同。圖3是VPI控制器傳遞函數在kpn不同取值下的Bode圖。

為了同時保證帶寬選擇和在諧振點hω0處的增益，文中選取kpn=0.1。積分系數krn的選取規則為[12]:

(9)

式中R和L分別為并網等效電阻和電感，從而抵消耦合項1/(sL+R)。在dq同步旋轉坐標系下，VPI諧振控制器能夠同時調節hω0處的6n±1次諧波分量。

圖3 VPI控制器在不同比例系數下的Bode圖

鏈式STATCOM在VPI諧振控制器下的電流傳遞函數為：

(10)

式中ia和iref分別表示補償電流和指令電流;kpwm為H橋逆變器的增益系數。當輸入角頻率為hω0時，令s=jhω0, 諧振頻率點處的增益為：

(11)

在諧振頻率點hω0處，增益接近無窮大，由終值定理得：

(12)

由式(12)可以看出，補償電流可以很好的趨近指令電流，說明VPI諧振器有較好的跟蹤效果。由于kpwmGVPI遠大于1，電流傳遞閉環函數可以進一步簡化為：

(13)

H橋中逆變器PWM的增益為1。當kpn>0時，Gb(s)的極點值恒小于0，所以電流控制環始終處于穩定狀態。

2.2 PIR-VPI諧振控制器在雙饋風電場的應用

雙饋風電場運行過程中產生低次諧波的成分含量較大。文中重點對雙饋風電場中產生的3次、5次、7次諧波進行補償，通過采用諧振控制方式STATCOM，觀察對風電場中諧波的治理效果。

由上一節對兩種諧振控制器的控制方法，可總結出：PIR控制器的諧波抑制范圍廣，能同時調節hω0處的h±1次諧波，但是應用于風電場中需要較多的控制器，增加了控制的復雜程度；VPI控制器能在諧振頻率6kω0處同時調節6k±1次諧波，但是應用于風電場中不能治理3k(k=1, 3…)次諧波。文中采用諧振頻率分別在2ω0的PIR控制器和6ω0的VPI控制器，并聯兩個控制器同時跟蹤補償風電場中的3次、5次、7次諧波。

PIR-VPI控制器的傳遞函數為：

(14)

如圖4所示，在PIR-VPI諧振器控制結構框圖中，PI控制器用于控制直流分量，PIR-VPI控制器用于控制諧波分量。輸出信號分別為基波分量、2次、6次諧波分量。PIR-VPI控制器電流內環的傳遞函數為：

(15)

圖4 PIR-VPI控制器電流內環控制框圖

以d軸為例，圖5是PIR-VPI控制器內環等效結構圖。

圖5 PIR-VPI控制器d軸內環等效結構圖

圖5中，Ta、Tb分別是電流采樣環節和逆變器自身的延遲時間，H(s)是電流反饋函數。由內環等效結構圖可得控制器的開環傳遞函數：

(16)

由圖6可知，PIR控制器和VPI控制器分別在100 Hz和300 Hz處的諧振頻率處增益最大，非諧振頻率處的信號增益大幅度衰減，所以在諧振頻率處的輸出能更好地跟隨參考值，不僅提高了內環的控制精度，同時提高了系統的穩定性。將PI傳遞函數調節到合適的參數，使控制器在0 Hz處具有較大的增益，能對電流直流分量進行有效的跟隨，增強風電場并網系統的穩定性。同時該混合控制策略能實現風電場用較小的電感并網，減小了裝置的體積和成本。

圖6 PIR-VPI諧振器混合控制伯德圖

3 仿真分析

在Matlab/Simulink軟件仿真平臺上搭建雙饋風電場模型，其雙饋風電場由10臺額定功率為2 MW的雙饋風力發電機組成。將STATCOM并聯于35 KV母線側，其額定功率為15 MVA，并網電感和電阻分別為0.05 H和0.19 Ω。雙饋風電場運行2 s后，啟動PIR-VPI控制器抑制3次、5次、7次諧波。驗證PIR-VPI控制器用于雙饋風電場中對諧波的治理效果。