儲(chǔ)能型SVG 的虛擬硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)

魏小萌，劉 健

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430205）

隨著我國(guó)工業(yè)化的發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)用戶對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生不同程度的影響。為了提高工業(yè)領(lǐng)域的電能質(zhì)量，并在緊急狀態(tài)和電網(wǎng)故障情況下為系統(tǒng)提供后備支持[1]，無(wú)功補(bǔ)償裝置和儲(chǔ)能裝置得到了廣泛的應(yīng)用，但目前一體化結(jié)合在主電路和控制技術(shù)方面仍有問(wèn)題需要解決。因此，針對(duì)以上問(wèn)題，本文為解決大無(wú)功補(bǔ)償與儲(chǔ)能系統(tǒng)的一體化融合關(guān)鍵技術(shù)，建立完善的仿真分析平臺(tái)，研究應(yīng)對(duì)極端工況的措施與控制策略，對(duì)協(xié)助分布式電源高效、安全并網(wǎng)具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值[2]。

目前已有論文對(duì)一體化的拓?fù)浼翱刂撇呗赃M(jìn)行研究。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)[3-4]提出了一種兩電平的STATCOM 裝置，該電路所用開(kāi)關(guān)器件少，控制容易，但是現(xiàn)在分布式光伏發(fā)電逐漸增加，容量也越來(lái)越大，兩電平電路已經(jīng)很難滿足要求。在控制方面，文獻(xiàn)[5]采用新型三電平光儲(chǔ)一體機(jī)，對(duì)PCC處有功支撐進(jìn)行頻率微分調(diào)節(jié)，但未考慮到電壓的穩(wěn)定性的需求。文獻(xiàn)[6]針對(duì)破碎機(jī)生產(chǎn)線的大功率異步電動(dòng)機(jī)，采取一種基于級(jí)聯(lián)式SVG 的異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)和無(wú)功補(bǔ)償控制策略，但沒(méi)有對(duì)控制策略做出相應(yīng)的優(yōu)化，不能適應(yīng)油田領(lǐng)域配電網(wǎng)的極端工況。文獻(xiàn)[7]提出含分布式光儲(chǔ)配電網(wǎng)時(shí)變最優(yōu)潮流追蹤的模型和分布式在線算法，該控制策略通過(guò)控制儲(chǔ)能參與系統(tǒng)有功調(diào)控，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性運(yùn)行，但實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)繁瑣。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)儲(chǔ)能型SVG 及其控制策略展開(kāi)研究。首先，提出了一種儲(chǔ)能型SVG 的一體化主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其次，提出了適應(yīng)極端工況的控制策略；最后利用虛擬硬件在環(huán)技術(shù)，對(duì)新拓?fù)浜涂刂撇呗赃M(jìn)行仿真建模和典型工況下的仿真驗(yàn)證。

1 儲(chǔ)能型SVG 一體化主電路

圖1 為儲(chǔ)能型SVG 一體化主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。A為儲(chǔ)能模塊；B，C，D 組成隔離型DAB 雙向DC/DC模塊，B，D 分別為2 個(gè)H 橋電路，中間由高頻變壓器鏈接，同時(shí)也可以作為擴(kuò)展端口；E 為一個(gè)H 橋逆變子模塊。

圖1 主電路單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Single-phase topology of main circuit

2 控制系統(tǒng)

整體控制策略主要分為雙閉環(huán)PI 前饋解耦控制策略和相間電壓均衡策略，如圖2 所示。

圖2 裝置整體控制策略Fig.2 Overall control strategy of the device

2.1 雙閉環(huán)PI 前饋解耦控制

雙閉環(huán)PI 前饋解耦控制的核心是電流控制。將三相abc 坐標(biāo)軸下的三相電流，通過(guò)PACK 變換，旋轉(zhuǎn)到dq 坐標(biāo)系下，基波電流表現(xiàn)為直流分量，經(jīng)過(guò)閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的PI 調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置輸出電流的無(wú)靜差跟蹤。

根據(jù)三相H 橋的數(shù)學(xué)模型公式：

式中：icd，icq為儲(chǔ)能型SVG 輸出電流的dq 分量；ugd，ugq為PCC 處電壓。

可以看出有功和無(wú)功控制存在耦合現(xiàn)象，同時(shí)電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)也會(huì)對(duì)輸出電流產(chǎn)生一定的影響。

采用電壓前饋解耦控制策略。引入中間變量x1和x2，令：

將式（2）中的x1，x2代入時(shí)域數(shù)學(xué)模型，得：

由此，通過(guò)對(duì)icd和icq的控制，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能型SVG與電網(wǎng)進(jìn)行功率的交換，達(dá)到控制有功提供直流側(cè)電壓支撐，控制無(wú)功以跟蹤指令電流。如圖3 所示為雙閉環(huán)PI 前饋解耦控制框圖。

圖3 雙閉環(huán)PI 前饋解耦控制框圖Fig.3 Double closed-loop PI feedforward decoupling control block diagram

2.2 電壓不平衡下的電壓均衡控制

由于裝置與電網(wǎng)之間的能量交換引起的直流側(cè)電容電壓不平衡，可通過(guò)控制裝置與電網(wǎng)之間流動(dòng)的有功功率來(lái)控制直流側(cè)電容的充放電。本文采用分層控制理論，從兩個(gè)方面考慮：總體電容電壓控制，控制三相H 橋功率模塊的直流側(cè)電壓的平均值與給定值相等；相間電容電壓平衡控制，控制每相直流側(cè)電壓的大小與相位相等。

控制框圖如圖4 所示，Udc*為單相H 橋模塊直流側(cè)電壓設(shè)定參考值，Udc_avg為三相直流側(cè)電壓平均值，經(jīng)過(guò)PI 調(diào)節(jié)器，輸出為SVG 裝置運(yùn)行需要的總有功功率P*，將P*與電網(wǎng)電壓d 軸分量的比值，即有功電流的參考值，給入雙環(huán)控制，輸出電流追蹤給定值。

圖4 直流側(cè)電壓全局控制策略Fig.4 DC side voltage global control strategy

星型連接結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)O 懸空，當(dāng)裝置輸出三相電流不對(duì)稱(chēng)時(shí)，O 點(diǎn)對(duì)地電壓不為零。此時(shí)可以通過(guò)注入零序電壓來(lái)控制相間電壓使其達(dá)到均衡，圖5 表達(dá)了零序電壓調(diào)節(jié)有功功率的作用機(jī)理，圖中u0為注入電壓，um為儲(chǔ)能型SVG 輸出電壓，ump，umn分別為輸出電壓的正序分量和負(fù)序分量，im為輸出電流，m=a，b，c。

圖5 零序電壓作用原理Fig.5 Action principle of zero-sequence voltage

假設(shè)注入零序電壓如式（4）所示：

式中：U0，φ0分別為注入零序電壓的幅值和初相角。根據(jù)圖5 可得出輸出電壓在abc 坐標(biāo)系下的表示為

式中：Up，Un分別為正序電壓和負(fù)序電壓幅值；θ 為負(fù)序電壓與正序電壓相位差；Ip，In分別為正序電流和負(fù)序電流幅值；φp，φn分別為正序電流和負(fù)序電流相角。

可得SVG 各相有功功率Pa，Pb，Pc的表達(dá)式：

式中：ΔPa，ΔPb，ΔPc為各相的有功波動(dòng)量，注入零序電壓后總有功功率沒(méi)有發(fā)生變化。此時(shí)增加了零序電壓的相關(guān)功率調(diào)節(jié)量，通過(guò)調(diào)節(jié)零序電壓的幅值和相位就可以使SVG 三相有功功率均衡，波動(dòng)量相等，且相加為零，即：

聯(lián)立式（6）和式（7）并求解可得零序電壓的幅值和相角，如式（8）和式（9）：

式中：A，B 的計(jì)算公式如下：

式中：Ki，Ku分別為

3 虛擬硬件仿真建模

為了將來(lái)能更有效地利用現(xiàn)有代碼，采用模塊化編程方法，將仿真系統(tǒng)分為用戶界面、控制邏輯、硬件驅(qū)動(dòng)以及虛擬硬件4 個(gè)模塊。

（1）控制邏輯與驅(qū)動(dòng)模塊不僅需要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能型SVG 的頂層控制算法和底層SPWM 調(diào)控算法，還需要對(duì)它們進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

（2）虛擬硬件模塊包含了裝置中的各個(gè)硬件部分，主要是裝置的主電路部分。

（3）被控對(duì)象模塊，主要參考的是基于江漢油田中的某游梁式抽油機(jī)的設(shè)備參數(shù)，搭建典型負(fù)載模型，其設(shè)備電機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 異步電機(jī)電機(jī)參數(shù)Tab.1 Asynchronous motor parameters

（4）圖形用戶界面模塊主要實(shí)現(xiàn)與用戶進(jìn)行交互的界面接口，如參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)顯示，數(shù)據(jù)波形圖等。

4 仿真分析

如圖6 為基于PSCAD/EMTDC 仿真平臺(tái)搭建的儲(chǔ)能型SVG 虛擬硬件在環(huán)系統(tǒng)。

圖6 虛擬硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)Fig.6 Virtual hardware-in-the-loop simulation system

4.1 算法性能驗(yàn)證

在電力系統(tǒng)的功率穩(wěn)定的情況下，有功功率為150 kW，無(wú)功功率為120 kVar 的穩(wěn)定功率下，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的仿真系統(tǒng)如圖7 所示。

圖7 投入裝置前系統(tǒng)有功無(wú)功波形Fig.7 Active and reactive waveform of the system before the device is put into oaaaperation

由圖7 和圖8 可以看出，在未切入無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，有功無(wú)功的測(cè)量值均在給定值附近波動(dòng)，此時(shí)功率因數(shù)為0.78。投入儲(chǔ)能型SVG 裝置后，無(wú)功波形曲線經(jīng)過(guò)短時(shí)調(diào)整，穩(wěn)定在零值附近，功率因數(shù)可達(dá)0.98。由此可見(jiàn)，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量得到了改善，說(shuō)明系統(tǒng)算法的可行性與有效性。

圖8 投入裝置后系統(tǒng)有功無(wú)功波形Fig.8 Active and reactive waveform of the system after the device is put into operation

直流側(cè)電容電壓波形如圖9 所示，裝置的直流側(cè)的電容電壓在運(yùn)行的過(guò)程中，一直穩(wěn)定在設(shè)定值（560 V）附近。

圖9 A 相直流側(cè)電容電壓值Fig.9 A-phase DC side capacitance voltage value

將直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定值，取其中的一節(jié)波形放大觀察直流側(cè)三相電容電壓，如圖10 所示，相位互相相差120°，表明相間電壓均衡控制策略能夠保證直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定。

圖10 三相直流側(cè)電容電壓值Fig.10 Three-phase DC side capacitance voltage value

4.2 典型工況裝置性能驗(yàn)證

在一個(gè)周期的工作期間內(nèi)，由于存在抽油機(jī)驢頭的上升工況和下降工況。導(dǎo)致抽油機(jī)存在周期性的變換無(wú)功功率缺額、有功功率突變的問(wèn)題。本文采用的Y280M-6 型電動(dòng)機(jī)銘牌額定功率為55 kW，但其工作時(shí)平均負(fù)載功率僅有18 kW 左右，即電機(jī)長(zhǎng)期處于非額定功率運(yùn)行，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。圖11所示為搭建基于抽油機(jī)工況的被控對(duì)象，在仿真系統(tǒng)中搭建電機(jī)模型，復(fù)原油田領(lǐng)域的極端工況。

圖11 投入裝置前，抽油機(jī)的仿真波形Fig.11 Simulation waveform of pumping unit before putting the unit into operation

圖12 所示為投入儲(chǔ)能型STATCOM 裝置下的系統(tǒng)無(wú)功波形曲線，裝置采用多目標(biāo)趨優(yōu)控制策略，可實(shí)現(xiàn)在極端工況下，完成無(wú)功補(bǔ)償，抑制諧波污染，提高油田領(lǐng)域的電能質(zhì)量。

圖12 投入裝置后，系統(tǒng)的無(wú)功波形Fig.12 Reactive waveform of the system after the device is put into operation

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)儲(chǔ)能型SVG 裝置的工作原理和控制策略進(jìn)行研究。首先建立了三相H 橋的數(shù)學(xué)模型，分析解耦控制算法，研究雙閉環(huán)PI 前饋解耦控制策略。其次從能量守恒的角度分析電壓均衡控制原理，并給出了計(jì)算方法。最后基于PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)，搭建虛擬硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，通過(guò)模擬抽油機(jī)的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)，平衡直流側(cè)電容電壓的目的。