带蓄电池储能的STATCOM控制策略及应用研究

摘要

静止同步补偿器（STATCOM）在电力系统已经有大量的工程应用，可以输出快速、连续和双向的无功功率，并且输出的无功功率受与系统连接点电压变化的影响小。但传统的STATCOM不具备有功功率调节功能，对电能质量的调节能力有限，蓄电池储能系统（BESS）只对有功功率进行调节，一般不进行无功功率的补偿。而带电池储能装置的静止同步补偿器（简称STATCOM/BESS）不仅可以快速补偿无功功率，还可以对系统有功功率进行调节，从而可以提供更加灵活多样的电能质量调节功能。但STATCOM/BESS系统控制结构复杂，控制难度大，目前其控制技术和实际应用经验比较缺乏。因此，本文对STATCOM/BESS的主电路结构、数学模型和控制策略以及在风电场中的应用进行详细的研究。
　　在三相静止坐标系和dq静止坐标系中建立了双级式STATCOM/BESS的开关函数模型，在此基础上又推导了三相静止坐标系和dq静止坐标系中的低频大信号模型，为了便于用线性控制理论分析和研究其控制系统，又建立了STATCOM/BESS的小信号模型，通过分析小信号模型，提出了STATCOM/BESS整体的控制策略，由DC/DC变换器控制STATCOM/BESS有功功率输出的大小，由DC/AC变换器稳定直流侧电压。将DC/DC变换器的电流前馈到DC/AC变换器的电压外环控制中，可以在STATCOM/BESS输出功率波动比较大的情况下稳定直流电压。
　　将LCL型滤波器应用到蓄电池储能模块的DC/DC变换器中，提出了一种更加适合工程实际应用的参数设计方法，所设计的LCL滤波器可以有效的减小蓄电池充放电电流中的高次谐波电流，提高蓄电池的使用寿命。通过对LCL滤波器的结构分析和控制策略研究，提出了一种更加适合工程应用的基于滤波电容器电压反馈的控制策略，以蓄电池的充放电电流为控制目标，将滤波电容的电压引入反馈环节，增加控制系统的阻尼，有效抑制谐振峰。
　　STATCOM/BESS直流侧并联多个蓄电池储能模块时，功率均衡控制策略成为一项重要的研究内容。以各个蓄电池储能模块的荷电状态为基础，传统比例系数控制的功率均衡策略随着各个储能模块荷电状态逐渐趋于一致，均衡功率也逐渐减小，从而导致均衡过程较长，本文提出了一种可变比例系数控制的功率均衡控制策略，可以实时改变均衡控制的比例系数，让荷电状态偏差最大的模块始终工作在额定功率，可以以更快的速度完成功率均衡，并对控制策略中的关键参数进行设计。
　　预测直接功率控制可以快速的实现有功功率和无功功率的解耦控制，但存在的缺点就是受系统参数影响较大，不准确的参数会导致选择的开关状态错误，从而影响输出功率的准确度，增加输出电流的谐波畸变率。提出了一种基于遗忘因子的递推最小二乘法参数估计方法，提高了系统参数在线辨识的实时性，建立了STATCOM/BESS带遗忘因子的递推最小二乘法辨识模型，可以实现在线对参数的辨识，将辨识后的结果引入到预测直接功率控制中，提高了有功功率和无功功率的控制精度，降低了输出电流的谐波含量。
　　风电场因为风速的不稳定导致风电场输出有功功率和所需要无功功率存在波动性问题。将STATCOM/BESS应用到风电场可以实现风电场的有功率平抑和无功功率补偿，针对风电场有功功率平抑目标的选择问题，提出了一种以有功功率需求与蓄电池荷电状态划分的九区图为依据的可变平滑时间常数的方法，这样可以充分考虑蓄电池储能模块的工作状态和风电场需要平抑的有功功率，可以平抑风电场的有功波动，同时避免蓄电池的深度充放电。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 STATCOM/BESS的数学建模与控制

2.1 引言

2.2 STATCOM/BESS的工作原理

2.3 STATCOM/BESS的数学模型

2.4 STATCOM/BESS的控制策略

2.5 仿真与实验验证

2.6 本章小结

第3章LCL滤波型充放电变换器的研究

3.1 引言

3.2 LCL滤波器的关键参数设计

3.3 LCL滤波型充放电变换器的控制策略

3.4 LCL滤波型充放电变换器的仿真及实验验证

3.5 本章小结

第4章STATCOM/BESS直流侧功率均衡控制策略的研究

4.1 引言

4.2 蓄电池的荷电状态估计

4.3 基于蓄电池荷电状态的直流侧功率均衡控制策略

4.4 控制方法仿真验证

4.5 本章小结

第5章STATCOM/BESS改进型预测直接功率控制方法的研究

5.1 引言

5.2 STATCOM/BESS的预测直接功率控制方法

5.3 在线阻抗参数辨识方法

5.4 预测直接功率控制的仿真及实验验证

5.5 本章小结

第6章 STATCOM/BESS平抑风电场功率波动的研究

6.1 引言

6.2 STATCOM/BESS抑制风电场功率波动原理

6.3风电场有功功率的优化方案

6.4 STATCOM/BESS平抑风电功率波动仿真

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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