UPQC 中串聯(lián)逆變器的控制研究

李 強(qiáng) ，李曉莉

(1.中鐵21 局電務(wù)電化公司，蘭州730030;2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣學(xué)院，蘭州730070)

1 UPQC 簡(jiǎn)介

UPQC 的一個(gè)顯著特性是一個(gè)典型的直流電容器(CDC)連接在電壓源逆變器(VSI)兩端，而不是一個(gè)直流電源。由于串聯(lián)補(bǔ)償器和并聯(lián)補(bǔ)償器都是無(wú)損的，需要一個(gè)特殊的直流環(huán)節(jié)電壓控制器來(lái)使直流側(cè)電容電壓的平均電壓保持恒定。在UPQC 中，并聯(lián)補(bǔ)償器通常負(fù)責(zé)這一電壓的調(diào)節(jié)。在穩(wěn)定狀態(tài)，直流側(cè)電壓保持在設(shè)定值，但在暫態(tài)情況下不是這樣的。暫態(tài)發(fā)生在當(dāng)負(fù)載與UPQC連接、斷開(kāi)或電源電壓跌落、上升的期間。因?yàn)橛?jì)算新的參考電流需要一定的時(shí)間，所以并聯(lián)補(bǔ)償器不能及時(shí)反映負(fù)載的變化。此外，一些時(shí)間的設(shè)定圍繞著穩(wěn)定控制參數(shù)的參考值。因此，在負(fù)載變化的瞬間，通過(guò)直流側(cè)電容器上的平均電壓與他的參考值之間存在一段過(guò)渡時(shí)間。圖1 為UPQC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 UPQC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 串聯(lián)變頻器控制

為了使輸出交流電壓波形接近正弦波，采用多種方案來(lái)調(diào)制串聯(lián)逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。文獻(xiàn)［6］所詳述的正弦脈寬調(diào)制方案被廣泛應(yīng)用。在該方案中，通過(guò)模數(shù)比較器來(lái)比較正弦波(控制信號(hào))和三角波(載波信號(hào))進(jìn)而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)脈沖。調(diào)制深度ma可定義為:

當(dāng)Vcontrol為調(diào)制信號(hào)的幅值，Vtri為三角波信號(hào)的幅值時(shí)，調(diào)制深度通常保持恒定。

電壓源逆變器輸出電壓基波分量的幅值取決于直流側(cè)輸入電壓和調(diào)制深度:

在典型應(yīng)用中，逆變器的輸出電壓通常保持常數(shù)。對(duì)于確定的Vout(1)，對(duì)應(yīng)的ma可從式(2)中計(jì)算出，再由式(1)算出Vcontrol。假定Vdc恒定，為使Vout(1)在一定時(shí)間內(nèi)恒定，ma必須保持恒定。然而，如果ma在某時(shí)間段內(nèi)保持不變，而Vdc偏離其參考值，則Vout(1)也會(huì)偏離預(yù)設(shè)值。如果要求Vout(1)恒定，但Vdc偏離參考值，則ma必須作相應(yīng)調(diào)整。因此，在這里建議，暫態(tài)時(shí)串聯(lián)逆變器的正弦脈寬調(diào)制的調(diào)制深度必須不斷調(diào)整以匹配直流側(cè)實(shí)際電壓Vdc·act，而不是采取參考直流側(cè)電壓。由式(1)和式(2)得調(diào)制信號(hào)的幅值為:

Vdc=Vdc·ref時(shí)，由于Vtri和Vdc·ref是常數(shù)，則Vcontrol是只有一個(gè)變量Vout(1)的函數(shù)。因此，無(wú)論在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時(shí)出現(xiàn)實(shí)際直流側(cè)電壓偏離其參考值時(shí)都不影響Vcontrol，且對(duì)于特定的Vout(1)，Vcontrol的幅值是固定的。

為使Vcontrol對(duì)應(yīng)直流側(cè)電壓的變換，將Vdc=Vdc·act代入式(3)，則Vcontrol是關(guān)于Vout(1)和Vdc·act的雙變量函數(shù)。由于任何直流側(cè)電壓偏差對(duì)Vcontrol都有直接影響，故Vcontrol的計(jì)算是連續(xù)進(jìn)行的。因此，當(dāng)直流側(cè)電壓發(fā)生上升或跌落時(shí)的瞬間，調(diào)制信號(hào)的幅值會(huì)相應(yīng)調(diào)整且串聯(lián)逆變器輸出電壓的基波分量幅值仍不受偏差影響。故無(wú)論在穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，該串聯(lián)補(bǔ)償器都能夠注入適當(dāng)電壓使負(fù)載側(cè)電壓幅值保持在理想水平［8］。

這種復(fù)制能力與變革能力從哪里來(lái)？這就是管理要思考的首要命題。企業(yè)在小的時(shí)候，在業(yè)務(wù)模式?jīng)]有起來(lái)之前，要探索可復(fù)制能力，一定要形成經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用到更大、更廣的范圍，管理首先是對(duì)經(jīng)驗(yàn)的管理。例如：有十個(gè)業(yè)務(wù)人員，一定要將其中資歷深的業(yè)務(wù)人員的成功經(jīng)驗(yàn)形成工具、方法，復(fù)制到新人身上。經(jīng)驗(yàn)被放大后，在一個(gè)店能做成功，也能復(fù)制到更多的店獲得成功，往更大的范圍去做，企業(yè)也能變得更大。

調(diào)制深度通常保持在線性范圍內(nèi)，電壓的基波幅值隨ma線性變化。若進(jìn)一步增加輸出基波電壓幅值使調(diào)制深度大于1.0 就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)。超調(diào)導(dǎo)致逆變器的輸出電壓含有更多低次諧波。更重要的是，超調(diào)時(shí)的基波分量幅值不再與調(diào)制深度呈線性關(guān)系。當(dāng)ma足夠大時(shí)，逆變器將退化到方波逆變的工作狀態(tài)。因此，在超調(diào)區(qū)內(nèi)，逆變器的輸出電壓基波分量的幅值為［6］:

考慮到式(2)中Vdc=Vdc·act，則調(diào)制深度為:

為保證逆變器工作在線性區(qū)，必須滿足以下條件:

由于超調(diào)，逆變器輸出電壓的基波分量幅值相比線性調(diào)制模式最大可能值增加了27.32%。它也可以總結(jié)為逆變器輸出電壓Vout(1)的基波分量的幅值不低于直流側(cè)參考電壓的78.54%。因直流側(cè)電壓低于該值則逆變器輸出電壓的基波分量的幅值低于Vdc·ref/2，這似乎是出現(xiàn)嚴(yán)重電源電壓跌落的條件，因此應(yīng)當(dāng)避免Vdc＜0.785 4Vdc·ref的情形出現(xiàn)。

用于計(jì)算調(diào)制深度的式(5)可改寫如下:

UPQC 的串聯(lián)逆變器通常運(yùn)行在線性調(diào)制模式且按照此條件設(shè)計(jì)。該逆變器在線性調(diào)制模式下的輸出電壓基波分量的最大值Vout(1)max=Vdc·ref/2，此值對(duì)應(yīng)于調(diào)制深度ma·ref=1。在穩(wěn)態(tài)下，實(shí)際直流側(cè)電壓Vdc·act不僅有波動(dòng)且包含直流和交流成分。由于直流側(cè)電壓控制器，直流側(cè)電壓保持恒定且等于Vdc·ref。在交流分量處于負(fù)值的時(shí)間段，實(shí)際的直流側(cè)電壓Vdc·act比Vdc·ref小，且Vdc·ref/Vdc·act＞1。因此可以從式(7)看出，當(dāng)ma·ref=1且Vdc·ref/Vdc·act＞1時(shí)，調(diào)制深度ma＞1，這使得逆變器運(yùn)行在非線性模式，因此逆變器的輸出電壓中出現(xiàn)諧波。如果在穩(wěn)態(tài)時(shí)，式(7)的調(diào)制深度大于臨界值，那么它應(yīng)該等于常規(guī)調(diào)制深度ma=ma·ref。

綜上述，設(shè)串聯(lián)逆變器滿足以下條件和控制規(guī)則:

(1)若直流側(cè)電壓偏離其參考值Vdc·ref大于最大穩(wěn)態(tài)紋波，則式(7)可作為系統(tǒng)在暫態(tài)時(shí)的調(diào)制深度的計(jì)算公式。

(2)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)且調(diào)制深度不大于臨界值時(shí)，可使用式(7)計(jì)算調(diào)制深度ma。

(3)如果系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，且根據(jù)式(7)中的ma＞1，則ma等同于常規(guī)調(diào)制深度ma=ma·ref。

(4)當(dāng)Vdc＜0.785 4Vdc·ref時(shí)導(dǎo)致串聯(lián)逆變器的輸出電壓的幅值低于Vdc·ref/2，可通過(guò)選擇合適的直流側(cè)電容容量和設(shè)計(jì)直流側(cè)電壓控制器來(lái)避免此情況出現(xiàn)。

3 仿真結(jié)果分析

將以上所提出的控制策略通過(guò)MATLAB 進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該仿真系統(tǒng)建立在12 kVA 的試驗(yàn)平臺(tái)上，電源相電壓為230 V，直流電容器CDC=2 000 μF，濾波電感L=1.245 mH，仿真結(jié)果如下所示。該干擾由電源電壓跌落到50%和UPQC 在2 s 和3.5 s 時(shí)連接和斷開(kāi)負(fù)荷所致。圖2 顯示了直流側(cè)電壓變化情況。

直流側(cè)電壓參考值設(shè)定為400 V，從圖2 中可看出，UPQC 在2 s 時(shí)接入全負(fù)荷導(dǎo)致直流側(cè)電壓跌落(約50%)。由于直流側(cè)電壓控制器的作用，直流側(cè)電壓在2.5 s 恢復(fù)到其參考值。在3.5 s 時(shí)負(fù)荷從UPQC 中斷開(kāi)，產(chǎn)生一個(gè)大的過(guò)電壓(約50%)通過(guò)直流電容器，同樣由于直流電壓控制器的作用，擾動(dòng)在3.8 s 時(shí)消失。

圖2 直流側(cè)電壓波形

圖3顯示串聯(lián)逆變器注入電壓的兩種情形。為了使負(fù)載側(cè)電壓達(dá)到額定值(相電壓230 V)，串聯(lián)變換器必須注入115 V。從圖4(a)可看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)串聯(lián)變換器注入所需電壓。在2 s ～2.5 s 和3.5 s ～3.8 s 期間，直流側(cè)電壓偏差和ma保持常數(shù)使得串聯(lián)逆變器注入電壓不合適，導(dǎo)致負(fù)載電壓在此瞬間出現(xiàn)偏差。在第1個(gè)瞬間(2.0 s ～2.5 s)，負(fù)載電壓降到170 V(額定值的74%)，在第2 個(gè)瞬間(3.5 s ～3.8 s)，負(fù)載電壓上升到300 V(額定值的131%)，如圖4(a)所示。

圖3 ma 不同取值下的注入電流

圖4 ma 不同取值下的負(fù)載電壓

圖3 (b)和圖4(b)分別顯示的是串聯(lián)注入電壓和負(fù)載電壓在根據(jù)Vdc·act不斷調(diào)整ma的情形下的圖形。從這些圖中可以看出，在第2 個(gè)瞬間的電壓偏差是微不足道的。

4 結(jié)論

通過(guò)分析UPQC 串聯(lián)變頻器正弦脈寬調(diào)制的調(diào)

制深度在不同范圍內(nèi)的取值，得出了逆變器輸出電壓的基波幅值隨調(diào)制深度的變化關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，獲得了串聯(lián)逆變器輸出電壓的控制方法，即根據(jù)直流側(cè)實(shí)際電壓不斷調(diào)整串聯(lián)逆變器的調(diào)制深度，利用這種方法可以補(bǔ)償電源電壓的跌落、不平衡和失真。仿真結(jié)果表明，在電源電壓和負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，逆變器輸出電壓和負(fù)載電壓都能保持穩(wěn)定，串聯(lián)逆變器具有較好的補(bǔ)償效果，表明這種改進(jìn)的正弦脈寬調(diào)制法是可行的。

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