統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的Simulink仿真分析

黃云峰，程啟明，米建林，王映斐，胡曉青

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

電能作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基石，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與工業(yè)發(fā)展的階段密切相關(guān).隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力負(fù)荷成分的日益復(fù)雜，各種電能質(zhì)量問(wèn)題在同一配電系統(tǒng)中同時(shí)出現(xiàn)的情況越來(lái)越多.若針對(duì)每一種電能質(zhì)量問(wèn)題都分別采用某種類型的調(diào)節(jié)裝置，就會(huì)出現(xiàn)多種裝置同時(shí)使用的局面，不但會(huì)大大增加治理成本，還會(huì)增加裝置運(yùn)行維護(hù)的復(fù)雜程度.此外，由于各裝置之間存在協(xié)調(diào)、配合等問(wèn)題，會(huì)影響聯(lián)合運(yùn)行的可靠性，因此同時(shí)使用多種裝置既不經(jīng)濟(jì)，又不現(xiàn)實(shí)［1-3］.日本學(xué)者AKAGI H在1996年首次提出了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified Power Quality Conditioner，UPQC)的 概念，并指出其具有補(bǔ)償電壓閃變、電壓不平衡、無(wú)功功率、負(fù)序電流和諧波的作用．目前，UPQC的研究重點(diǎn)是并聯(lián)APF與串聯(lián)APF的協(xié)調(diào)控制，也就是使并聯(lián)部分能保證負(fù)載向系統(tǒng)注入的電流為標(biāo)準(zhǔn)的正弦基波有功電流，而串聯(lián)部分則確保為敏感負(fù)載提供3相平衡且動(dòng)態(tài)波形質(zhì)量良好的電壓［4-11］．

本文將電壓空間矢量法(SVPWM)和滯環(huán)比較法分別作為UPQC的串聯(lián)側(cè)電壓、并聯(lián)側(cè)電流的控制方法［12，13］，并對(duì) UPQC 的串、并兩側(cè)進(jìn)行MATLAB仿真，從而使UPQC系統(tǒng)完整展現(xiàn)出來(lái)．

1UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

UPQC主要由串聯(lián)單元、并聯(lián)單元和直流儲(chǔ)能單元3部分構(gòu)成，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中，2個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)逆變單元分別構(gòu)成串聯(lián)單元和并聯(lián)單元的主要部分，直流儲(chǔ)能裝置則是2個(gè)逆變單元公用的，這3個(gè)部分共同組成一個(gè)完整的定制式用戶電力裝置［1］．

UPQC主要包括檢測(cè)、控制和主電路3個(gè)部分，其中檢測(cè)部分的功能是從補(bǔ)償對(duì)象的電路中提取電壓、電流諧波，以及無(wú)功分量等補(bǔ)償量;控制部分的作用是以檢測(cè)部分得出的補(bǔ)償量作為參考信號(hào)，控制開關(guān)器件的通斷，使主電路輸出符合要求的電壓和電流．

2 UPQC的諧波檢測(cè)與控制策略

2．1 UPQC的諧波檢測(cè)方法

dq0法是目前實(shí)時(shí)檢測(cè)諧波和無(wú)功的主要方法［2］，它是在Park變換的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)零序的相，可在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱和畸變等情況下精確地檢測(cè)出畸變波形．dq0檢測(cè)法既可以檢測(cè)電流也可以檢測(cè)電壓，本文就采用這種方法來(lái)檢測(cè)電流、電壓的諧波．

定義瞬時(shí)3相電流 ia，ib，ic變換到dq0坐標(biāo)系上為:

i0——0軸分量．

基于dq0變換的電流、電壓檢測(cè)方法原理見(jiàn)圖2．

電流檢測(cè)時(shí)需要與a相電網(wǎng)電壓ua同相位的正弦信號(hào) sin(ωt)和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào) －cos(ωt)，它們可由一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到．

根據(jù)定義將變換至dq0軸的電壓ud，uq，u0與其經(jīng)低通濾波器(LPF)得到的直流分量相減去除直流分量，再經(jīng)dq0反變換便可得出欲檢測(cè)的畸變電壓，其電壓檢測(cè)原理與電流檢測(cè)相同．

2．2 UPQC控制策略與實(shí)現(xiàn)

本文采用不同的PWM控制策略分別對(duì)UPQC的串、并聯(lián)側(cè)進(jìn)行控制．脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制是通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，以等效獲得所需要的調(diào)制控制波形［3］．

(1)串聯(lián)側(cè)采用 SVPWM電壓控制方式．SVPWM的原理是利用3相電路6個(gè)全控開關(guān)的8個(gè)開關(guān)狀態(tài)的線性組合去近似模擬空間等幅旋轉(zhuǎn)矢量，并利用矢量合成的方法得到基本矢量的開關(guān)作用時(shí)間，產(chǎn)生不同的空間矢量PWM波，等效地獲得所需要的波形.快速產(chǎn)生SVPWM波的步驟為［3，4］:首先將三相abc平面坐標(biāo)系中的相電壓 Ua，Ub，Uc轉(zhuǎn)換到 α-β 平面坐標(biāo)系中的 Uα和Uβ，再根據(jù)Uα和Uβ判斷空間矢量Uref所在的扇區(qū)N;接著分別計(jì)算幾個(gè)公用值X，Y，Z，根據(jù)空間矢量所處的扇區(qū)，分別計(jì)算該扇區(qū)中晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間T1和T2;然后根據(jù)所處扇區(qū)確定空間矢量切換點(diǎn)Tcml，Tcm2，Tcm3;最后根據(jù)空間矢量切換點(diǎn)導(dǎo)通晶閘管產(chǎn)生PWM波形.

圖2 基于dq0變換的電流和電壓檢測(cè)原理

(2)并聯(lián)側(cè)采用滯環(huán)比較電流控制方式.此方式把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)i*c與實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)ic進(jìn)行比較，兩者偏差Δic作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)器件的通斷，以控制補(bǔ)償電流ic的變化［5］.

3 UPQC系統(tǒng)的仿真

根據(jù)UPQC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，建立其Simulink仿真模型如圖3所示.

圖3 UPQC的Simulink仿真模型

圖3中，子系統(tǒng)1是電壓檢測(cè)模塊，將該模塊檢測(cè)到系統(tǒng)側(cè)畸變的電壓作為電壓控制模塊的輸入;子系統(tǒng)2是電流檢測(cè)模塊，將該模塊檢測(cè)到負(fù)載側(cè)的畸變電流作為電流控制模塊的輸入信號(hào);子系統(tǒng)0是電壓控制模塊，該模塊生成PWM脈沖輸入通用橋1模塊(串聯(lián)APF)，控制逆變器開關(guān)通斷從而使串聯(lián)APF輸出補(bǔ)償電壓信號(hào)注入電網(wǎng)補(bǔ)償畸變電壓;子系統(tǒng)3是電流控制模塊，實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)與檢測(cè)得到的電流指令信號(hào)的偏差輸入電流控制模塊生成PWM脈沖，PWM脈沖控制輸入通用橋3模塊(并聯(lián)APF)，控制逆變器開關(guān)通斷從而使并聯(lián)APF輸出補(bǔ)償電流信號(hào)補(bǔ)償畸變電流.

本文對(duì)感性負(fù)載(電阻R=20 Ω，電感L=15 mH)和容性負(fù)載(電阻 R=20 Ω，電容 C=0.03 F)兩種情況進(jìn)行仿真.系統(tǒng)仿真還采用Matlab/Simulink中SimPowerSystems庫(kù)里的Powergui模塊，該模塊可進(jìn)行補(bǔ)償前后電壓電流的頻譜分析.

由于系統(tǒng)是3相對(duì)稱的，因此本文僅給出A相仿真結(jié)果.當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，補(bǔ)償前、后的電源電壓和負(fù)載電流如圖4所示;當(dāng)負(fù)載為阻容負(fù)載時(shí)，補(bǔ)償前、后電源電壓，以及負(fù)載電流如圖5所示.

兩種負(fù)載情況效果的對(duì)比見(jiàn)表1.

圖4 阻感負(fù)載時(shí)補(bǔ)償前后的電源電壓和負(fù)載電流

圖5 阻容負(fù)載時(shí)補(bǔ)償前后的電源電壓和負(fù)載電流

由圖4和圖5的仿真波形可見(jiàn)，6k±1(k為正整數(shù))次諧波是引起電流波形畸變的主要因素，且諧波含量與諧波次數(shù)成反比.由表1可以看出，不論是將阻感負(fù)載還是將阻容負(fù)載的不控整流橋作為諧波源，補(bǔ)償后，嚴(yán)重畸變的電源電壓波形和負(fù)載電流波形已經(jīng)成為正弦波，雜波被濾除，總畸變率大大減小.但是也可以看出補(bǔ)償后負(fù)載電流波形出現(xiàn)相位偏移.這是因?yàn)楸疚牟捎脺h(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行控制，而在這種方式中所選用的滯環(huán)帶寬通常是固定的，但主電路中電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率是變化的，固定的環(huán)寬可能使補(bǔ)償電流的相對(duì)跟隨誤差過(guò)大.總體來(lái)說(shuō)，在相同的檢測(cè)方法下，電壓電流都具有良好的補(bǔ)償效果.

表1 兩種負(fù)載情況補(bǔ)償效果 %

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)UPQC系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，兩種PWM控制方法都具有良好的補(bǔ)償控制效果.其中SVPWM控制法易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，實(shí)時(shí)性好，而滯環(huán)比較控制雖也有一定的控制效果，但由于所選滯環(huán)的帶寬是固定的，導(dǎo)致了跟蹤誤差的產(chǎn)生.

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