統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器能量優(yōu)化控制策略研究*

費平平，江全元*，嚴玉婷

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027;2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020)

0 引 言

電網(wǎng)中大量非線性負荷、沖擊性負荷的不斷增加，對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響日益加重。而隨著科技和工業(yè)的發(fā)展，電力用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高。因此，如何提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題成為了電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的一個熱點[1-3]。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)是一種基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，它兼顧動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)和有源濾波器(APF)的功能，既能治理電網(wǎng)電壓跌落、三相不平衡、諧波等電能質(zhì)量問題，又能補償負載引起的諧波、無功電流等問題[4-6]?，F(xiàn)有的UPQC控制策略根據(jù)負載電壓補償前、后的相位和直流側(cè)提供的補償能量的不同，可以分為同相位控制(UPQC_P)[7-8]、純無功功率補償控制(UPQC_Q)[9-10]和能量優(yōu)化控制[11-13]等。同相位控制雖然在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用，但是該控制方法的補償電壓與電源電壓同相位，只能對電源電壓進行幅值的補償，不能補償相角變化，僅適用于對相位跳變不敏感的負荷進行電壓補償。純無功功率補償控制是通過控制UPQC串聯(lián)補償單元輸出補償電壓的相位與電網(wǎng)電流相垂直，來達到UPQC僅向電網(wǎng)注入無功功率而不消耗有功功率的目的。然而純無功功率控制方法受限于UPQC串聯(lián)補償單元的電壓補償能力，僅適用于電網(wǎng)電壓跌落較小的情況，當電網(wǎng)電壓跌落較嚴重時，該控制方法無法完全補償電網(wǎng)的電壓跌落。文獻[11-12]研究了UPQC的能量優(yōu)化控制方法，但僅針對電網(wǎng)發(fā)生三相平衡電壓跌落故障的情況，沒有考慮電網(wǎng)在三相不平衡電壓跌落情況下的能量優(yōu)化問題。文獻[13]研究了三相不平衡電壓跌落故障下的UPQC能量優(yōu)化問題，但僅考慮使UPQC串聯(lián)補償單元的有功功率最小，沒有綜合考慮UPQC串聯(lián)補償單元和并聯(lián)補償單元總補償能量的最優(yōu)化問題。

本研究對三相不平衡電壓跌落故障情況下的UPQC能量優(yōu)化問題進行研究，綜合考慮UPQC串聯(lián)補償單元電壓補償和并聯(lián)補償單元電流補償所需的總補償能量;根據(jù)UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量圖，分析UPQC的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)功率，并依據(jù)UPQC主電路總補償能量最小的原則，對串聯(lián)補償單元補償電壓的注入角 θa、θb、θc進行優(yōu)化。

1 UPQC拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理

UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。它主要由一個串聯(lián)補償單元和一個并聯(lián)補償單元組成，串聯(lián)補償單元和并聯(lián)補償單元共用一個直流母線電容。

圖1 UPQC拓撲結(jié)構(gòu)圖

串聯(lián)補償單元通過變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)和負載之間，主要用來補償電網(wǎng)電壓的諧波、電壓跌落和不平衡等問題，保證負載側(cè)的電壓質(zhì)量;并聯(lián)補償單元與負載并聯(lián)連接，主要用來補償負載側(cè)的電流諧波和無功，保證電網(wǎng)側(cè)的電流質(zhì)量。UPQC工作時，串聯(lián)補償單元可等效為一個受控電壓源，而并聯(lián)補償單元可等效為一個受控電流源，其等效電路圖如圖2所示。

圖2 UPQC等效電路圖

2 UPQC能量優(yōu)化

電網(wǎng)發(fā)生帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落時的UPQC相量圖如圖3所示。

圖3 三相不平衡電壓跌落下的UPQC相量圖

電網(wǎng)發(fā)生帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落時的UPQC能量優(yōu)化即在經(jīng)UPQC補償后負載電壓保持為額定幅值的三相平衡電壓(相位可以和電壓跌落前不同)的前提下，使得UPQC串聯(lián)補償單元和并聯(lián)補償單元消耗的總能量最小。

本研究以UPQC單相相量圖來推導(dǎo)電網(wǎng)發(fā)生帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落時UPQC消耗的總能量，UPQC單相相量圖如圖4所示。

通過UPQC的補償作用，電網(wǎng)電壓跌落前后負載側(cè)的負載電壓和負載電流將保持不變，有:

圖4 三相不平衡電壓跌落下的UPQC單相相量圖

UPQC并聯(lián)補償單元諧波補償能量為:

則UPQC總的補償能量為:S=Ss+Sp。S為 θa、θb、θc的函數(shù)，所以UPQC的能量優(yōu)化可以等價于變量為 θa、θb、θc的函數(shù)最優(yōu)化問題，設(shè) UPQC 串聯(lián)補償單元的補償能力為0.5UL，則該優(yōu)化問題可表示為:

由式(15)可求得滿足UPQC總補償能量S最小時的 θa、θb、θc，再通過式(5)和式(6)得到 UPQC 串聯(lián)補償單元所需提供的補償電壓值，從而實現(xiàn)UPQC的能量優(yōu)化控制。

對式(15)所示的優(yōu)化問題，可以通過粒子群算法(PSO)[14]進行求解。本研究為了實現(xiàn)對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的在線實時控制，首先通過PSO算法離線計算出300種不同三相不平衡電壓跌落故障下的優(yōu)化結(jié)果，再基于這300種優(yōu)化結(jié)果利用Matlab工具箱中的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)工具進行數(shù)據(jù)訓(xùn)練。實際控制中筆者根據(jù)三相不平衡電壓跌落故障情況和ANFIS數(shù)據(jù)訓(xùn)練結(jié)果得到所需提供的補償電壓值，從而實現(xiàn)對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的在線控制。

3 UPQC控制策略

UPQC的控制策略包括串聯(lián)補償單元的控制和并聯(lián)補償單元的控制兩個部分。

3.1 串聯(lián)補償單元的控制

UPQC串聯(lián)補償單元的控制框圖如圖5所示，串聯(lián)補償單元的控制首先需要檢測出電壓跌落程度、相位跳變角和負載的功率因數(shù)角，再根據(jù)上述檢測量通過UPQC能量優(yōu)化模塊計算出補償能量最小時的補償電壓。其中，電網(wǎng)電壓每一相的跌落程度和故障發(fā)生時相位跳變角的檢測計算可以采用可用于單相電路的瞬時電壓dq0變換方法[15]。該方法通過基于某一項電壓構(gòu)造出一個虛擬的三相系統(tǒng)，再根據(jù)三相電路瞬時無功理論計算出該相電壓的幅值和相位跳變角。

圖5 串聯(lián)補償單元控制框圖

3.2 并聯(lián)補償單元的控制

UPQC并聯(lián)補償單元的控制框圖如圖6所示，并聯(lián)補償單元采用滯環(huán)電流控制，滯環(huán)電流控制具有控制簡單、動態(tài)響應(yīng)快和對負載適應(yīng)能力強的優(yōu)點。并聯(lián)補償單元的控制包括諧波電流補償和穩(wěn)定UPQC直流母線電壓兩方面。

圖6 并聯(lián)補償單元控制框圖

4 仿真結(jié)果

本研究在PSCAD仿真軟件中搭建如圖1所示的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)的仿真參數(shù)為:電網(wǎng)相電壓有效值Us=220 V，頻率為50 Hz，負載相電流有效值IL=8 A，負載功率因數(shù)為0.8;UPQC串聯(lián)補償單元濾波電感為0.4475 mH，濾波電容為13.25 μF，并聯(lián)補償單元濾波電感為6 mH;UPQC直流母線電容5000μF，直流側(cè)電壓1500V。

仿真系統(tǒng)中，0.1 s～0.2 s時設(shè)置帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落故障:a相電壓跌落量xa=0.4，相位跳變角 γa= －10°;b相電壓跌落量 xb=0.13，相位跳變角 γb=10.05°;c 相電壓跌落量 xc=0.04，相位跳變角 γc= －12.16°。

本研究對上述故障條件下的UPQC進行能量優(yōu)化并計算能量優(yōu)化下所需的UPQC補償能量和補償電壓，與采用同相位控制UPQC(UPQC_P)、純無功功率補償控制UPQC(UPQC_Q)和文獻[13]中UPQC補償方法時所需的UPQC補償能量相比較，比較結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，采用本研究能量優(yōu)化控制所需的UPQC補償能量比采用同相位控制(UPQC_P)所需補償能量少12.34%，比采用文獻[13]中的串聯(lián)補償單元最小有功功率輸出控制所需的補償能量少3.89%。雖然采用純無功功率控制時所需的UPQC補償能量最小，但是此時的a相補償電壓已經(jīng)超過了UPQC串聯(lián)補償單元的補償能力(110 V)，在實際應(yīng)用中是無法實現(xiàn)的。

表1 三相不平衡電壓跌落下UPQC補償能量比較

UPQC能量優(yōu)化控制策略下的三相不平衡電壓跌落和電流諧波治理仿真結(jié)果如圖7～10所示。由圖7、圖8可以看出，采用本研究提出的UPQC能量優(yōu)化控制策略，通過UPQC串聯(lián)補償單元輸出能量優(yōu)化下相對應(yīng)的補償電壓值，使得負載電壓在電網(wǎng)發(fā)生三相不平衡電壓跌落故障時能夠維持為額定的電壓幅值，即負載電壓不受電網(wǎng)電壓跌落故障的影響。由圖9、圖10可以看出，通過UPQC并聯(lián)補償單元的作用，使得電網(wǎng)電流基本不受非線性負載的影響，總諧波畸變率由UPQC補償前的27.42%降為補償后的2.26%。

圖7 電網(wǎng)電壓波形

圖8 負載電壓波形

圖9 負載電流(a相)波形

圖10 電網(wǎng)電流波形

5 結(jié)束語

本研究提出了一種考慮三相不平衡電壓跌落故障的UPQC能量優(yōu)化控制策略。根據(jù)UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量圖，筆者分析了UPQC的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)功率，對UPQC串聯(lián)補償單元補償電壓的注入角進行了優(yōu)化，并通過對補償電壓注入角的控制實現(xiàn)UPQC的能量優(yōu)化控制。

仿真結(jié)果驗證了本研究提出的能量優(yōu)化控制策略在解決電能質(zhì)量問題上的有效性，同時減小了UPQC的補償容量，提高了補償裝置的經(jīng)濟性。

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