实现动态无功补偿功能的混合电源控制系统
任明炜，嵇小辅
(江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江，212013)
摘要：静止无功发生器受光照强度等环境影响比较大，导致其输出功率不稳定。根据逆变主电路的结构特点，提出将静止同步补偿器与光伏发电系统和飞轮储能相结合的新型系统，该系统在向电网输送电能的同时能够补偿无功和抑制谐波。仿真和实验验证该方案能提高系统的供电能力和供电质量。
关键词：混合电源；光伏；飞轮储能；静止同步补偿器；控制
中图分类号：TM919 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S1-1078-06
Hybrid power control system with dynamic reactive compensation
REN Ming-wei, JI Xiao-fu
(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)
Abstract: Power system is susceptible to light intensity and other environmental factors, which results in the unstable output power. According to the structure characteristics of inverter main circuit, a new power system composed of STATCOM, photovoltaic and fly storage was proposed. In this system, the transmission power can compensate for reactive power and suppress harmonics when the system supplies electric energy to power grid. Simulation and experiment results show that the proposed scheme can improve ability and quality power supply of the system.
Key words: hybrid power; photovoltaic; fly storage; static synchronous compensator; control
开发新能源和可再生能源，实现经济的可持续发展，已成为世界各国的共识。光伏发电是一种绿色可再生能源[1]，但在并网发电时，发电系统会随日照、天气、季节和温度等自然因素影响，导致其输出功率不稳定[2]。用电峰、谷负载差异大，谐波电流大，功率因数低以及三相负载不平衡是国内低压配电网中存在的主要问题[3]。太阳能光伏发电系统在将直流电能逆变转换为交流电能的过程中也会产生大量谐波。
本文作者构建了一个由光伏阵列、飞轮储能设备和静止同步补偿器(STATCOM)组成的混合电源控制系统，该系统同时具有光伏并网发电、电能存储与动态无功补偿的功能，具有较高的供电能力和优良的动态无功补偿响应特性，对提高低压配电网的供电能力和供电质量起到重要作用[4]。
1 系统结构
混合电流控制系统结构模型如图1所示，光伏阵列利用光伏电池的伏打效应将光能转化为直流电 能[5-6]。当白天光照强的时候，产生的光能超过电网或负载所需电能，超出的电能经变流器存储到飞轮设备中，使飞轮速度提高；另一部分直流电能经整流器转变为电容两端的电压，作为STATCOM的直流侧压降，经STATCOM输入电网或被负载使用[7-8]。当夜晚或光照不足的时候，光伏阵列产生的光能较少，飞轮系统通过降低飞轮速度输出电能，经变流器加到STATCOM的直流侧电容，再经STATCOM输入电网或被负载使用。STATCOM主要解决谐波抑制、动态无功补偿和三相不平衡等电流质量问题。对于STATCOM，直流侧电压的稳定是正常进行无功及谐波电流补偿的关键，STATCOM的直流侧电容的能量由STATCOM通过光伏阵列或飞轮系统传输到直流侧电容的电能来维持。当直流侧电压超过给定时，STATCOM会通过向电网注入有功能量来降低直流侧的电压，也就是说，通过适当控制可以利用STATCOM把直流侧的电能以有功电流的形式注入到电网。
图1 混合电源控制系统结构模型图
Fig.1 Sketch of hybrid power control system
把光伏阵列或飞轮储能直接或经过升压电路接到STATCOM的直流侧，通过对其实施最大功率点跟踪(MPPT)，实现光伏阵列以最大功率向电网注入电能，并且在实现并网发电的同时不会对STATCOM的功能造成影响。在电网因故障停电时，系统可以把直流侧的太阳电池中的能量直接供给负载，进而可以保证负载不间断的工作。当光伏阵列和飞轮系统的能量不足以维持直流侧电容电压时，STATCOM不再向电网和负载提供有功能量，而是通过电网提供能量维持直流侧电容的电压(这时只要很少的电能)，同时向电网提供无功功率，单纯作为动态无功补偿设备向电网输送无功功率，这样就可在同一设备上同时实现无功和谐波电流补偿、光伏并网发电和电力中断补偿等多种功能。这种设备在性能及经济性上都有较大的优势，有利于推广。
2 控制策略
2.1 MPPT控制方法
根据光伏器件输出功率的非线性特性及其工作环境变化频繁的特点，为了获得更好的最大功率点跟踪控制效果，应根据外部环境的变化不断调整MPPT电路中的扰动步长。在现有的控制方法中，模糊控制采用非对称模糊控制方法具有这方面的优势。非对称模糊控制器的构成与对称模糊控制器相同，其原理框如图2所示。它由输入变量、输出变量、模糊化、模糊推理、决策算法和反模糊化等部分构成。模糊控制器的功能是先将模糊控制器的输入量转化为模糊量供给模糊推理系统使用，然后模糊推理系统根据控制规则决定的模糊关系将其应用到模糊推理算法中，得到控制器的模糊输出控制量，最后经过反模糊化得到精确值对MPPT电路的占空比进行控制。
图2 非对称模糊控制器原理图
Fig.2 Principle diagram of asymmetric fuzzy controller
2.2 飞轮储能控制方法
电机加速储能时，电机绕组中电流的方向和电机反电动势的方向相同。飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速储能：电机减速发电时，控制电机绕组中电流方向，使其和电机电动势的方向相反，此时电机处于能量回馈制动状态，向外输出电能[9-10]。储能控制原理如图3所示。
2.3 STATCOM的控制策略
谐波抑制和无功补偿的效果取决于对瞬态电压和电流的快速、准确地检测和分析，因此谐波及其无功分量的实时、准确检测就显得非常重要。谐波和无功检测的方法很多，本文作者采用ip和iq检测方法[11]，该方法是由p、q检测方法派生出来的一种基于瞬时无功功率理论的谐波、无功和负序电流检测方法，其原理如图4所示。图4中：
。
该方法中，需要用到与a相电网电压同相位的正余弦信号，可以由一个锁相环(PLL)和正余弦信号发生器得到。由定义计算出ip和iq，经低通滤波器(LPF, Low- pass filter)滤波得出直流分量，进而计算出被测电流的基波分量。
(1)
图3 飞轮储能的充电控制原理图
Fig.3 Principle diagram of flywheel storage charge control
图4 ip和iq检测方法
Fig.4 Detection of ip and iq
将基波分量和负载电流相减，即可得出需要检测的谐波电流(当负载电流中含有负序电流时，包括负序电流)。与p和q检测算法相似，当需要同时检测无功和谐波电流时，只需断开图4中计算iq的通道即可。若只需检测无功电流时，则不需要低通滤波器，直接将iq反变换即可。
对于STATCOM来说，直流侧电容电压是否稳定是装置是否安全可靠运行的关键。因此，为了保证具有良好的补偿电流跟随性能，必须将变流器直流侧电容的电压控制为一个合适的值，将直流侧电压Uc的检测加入到ip和iq检测方法中，有利于这个系统的可靠运行和STATCOM输出稳定。图5所示，对直流侧电压Uc的控制是由指令电流运算电路中点划线框内的部分结合补偿电流发生电路实现的，Ucr是Uc的给定值，Ucf是Uc的反馈值，两者之差经PI调节器后得到调节信号?ip，将它叠加到瞬时有功电流的直流分量
上。经运算，在指令信号
中包含一定的基波有功电流，补偿电流发生电路根据产生补偿电流ic注入电网，使得补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使直流侧与交流侧交流能量，将Uc调节至给定值。
与传统的正弦脉冲宽度调制(SPWM)相比，电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)具有电流畸变率小、直流电压利用率高的优点，尤其适合数字化实现和实时控制，因此SVPWM 在交流传动领域得到了广泛应用，并逐渐开始扩展到其他电力电子领域。SVPWM的基本思想就是将三相逆变器的交流侧电压在复平面上综合成电压矢量，并通过若干开关状态形成一系列的空间矢量，利用这些电压矢量去逼近基准电压圆，从而形成PWM波形。因此，本文作者采用基于SVPWM的控制方案。
3 仿真和实验结果分析
针对提出的具有无功补偿功能的混合电源系统，利用MATLAB/Simulink进行了系统仿真验证，结果如图6所示。系统的主要参数如下。
无刷直流电机参数：额定电压UN=300 V，额定功率PN=5 kW，额定电流IN=16.67 A，额定转速nN=7 000 r/min，每相绕组电阻re=0.17 Ω，电机极对数p=1；电动势系数Cr=3.51×10-3 V/(min·r)，转矩系数Cm=3.31× 10-2 N·m/A，转动惯量J=1.7×10-3 N·m·s2。
光伏参数的主要参数：滤波电感3 mH，滤波电容50 LF，负载为三相整流桥，光伏电池建模使最大功率为时直流电压输出700 V。
图7所示为无刷直流电机输出的定子电流波形和直流电压波形，图8所示为STATCOM输出的有功和无功波形，图9和图10所示为光伏单元输出的电流和功率波形。
图5 含直流侧电压控制的ip、iq检测算法
Fig.5 Method of ip and iq detection including dc side voltage control
图6 混合电源控制系统仿真图
Fig.6 Simulation diagram of hybrid power control system
图7 无刷直流电机定子电流和输出电压
Fig.7 Output current (a) and voltage (b) of brushless dc motor stator
以仿真为基础，利用前面所述的设计思路进行系统的相关测试和研究。由于受实验室条件的限制，实验以原理性验证为目的，没有进行装置的满额运行。由于系统的计算量大，控制芯片采用TMS320F2812，并采用SVPWM对STATCOM的逆变电路进行控制。
图8 STATCOM输出有功功率和无功功率的波形
Fig.8 Active power and reactive power waveform of STATCOM
图9 光伏单元的输出电流图
Fig.9 Output current of photovoltaic unit
图10 光伏单元的输出功率
Fig.10 Output power of photovoltaic unit
PWM1引脚和PWM2引脚输出的1对SVPWM波形如图11(a)所示，其中示波器测量信号是PWM信号经过同相器后的信号，为5 V。由图11(a)可以明显看到：同一个桥臂中上、下2个管的SVPWM脉冲是互补的，死区时间大约为10 μs。图11(b)所示为三相上管PWM波形，其中从上到下依次为a，b和c桥臂中上管的SVPWM波形。
无功补偿波形如图12所示。其中：图12(a)所示为补偿前电网电压与电网电流波形，图12(b)所示为补偿后电网电压与负载电流波形，可以清晰地看到补偿前电网电流与电压之间相位差近90°。补偿后电压电流消除了相位差，达到了同相位，补偿效果较为明显。
图11 SVPWM 脉冲波形
Fig.11 Pulse waveform of SVPWM
图12 实验结果波形
Fig.12 Experimental waves of voltage and current
4 结论
(1) 针对光伏发电系统存在的不足和电网中存在的谐波和无功，提出并实现了具有无功补偿和谐波抑制功能的光伏发电系统。该系统同飞轮储能相结合，克服了受光照等环境因素影响的缺点，提高了系统的供电能力和供电质量。
(2) 结合瞬时无功功率理论，把直流侧电压的检测统一到瞬时无功和谐波的检测中，保证了补偿电流的良好的跟随性。将非对称模糊控制引入到光伏的MPPT控制中，提高了MPPT的跟踪能力。在STATCOM系统中，采用SVPWM控制技术减少谐波的产生和直流侧电压的利用率。
(3) 仿真和实验结果证实，该系统及采用方法能提高光伏系统的供电能力和供电质量。
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(编辑 方京华)
收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60904011)；江苏大学高级专业人才科研启动基金资助项目(07JDG036)
通信作者：任明炜(1970-)，男，江苏江阴人，博士，副教授，从事电力电子及其应用方面的研究；电话：18900623693；E-mail: mwren@ujs.edu.cn
