基于超級電容器儲能的UPQC工作條件及控制策略

馮興田,張麗霞,康忠健

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院,山東 青島 266580）

0 引言

配電網(wǎng)本身由于電力系統(tǒng)的非線性特性、電力系統(tǒng)故障以及非線性負(fù)載等問題，存在不同程度的電能質(zhì)量問題；另外，大量分布式發(fā)電單元并入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)的影響愈加嚴(yán)重，電能質(zhì)量問題更為突出[1-2]。定制電力技術(shù)的發(fā)展提供了有效解決配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的方法。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）作為一種定制電力技術(shù)裝置，性能優(yōu)越、功能全面，可用于解決配電網(wǎng)的各類電能質(zhì)量問題[3-5]。

UPQC將串聯(lián)電壓補(bǔ)償原理和并聯(lián)電流補(bǔ)償原理結(jié)合在一個裝置中，用于配電系統(tǒng)，既能補(bǔ)償電源電壓的不對稱和諧波，也能補(bǔ)償非線性負(fù)載的不對稱和諧波[6]。UPQC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多基于單相系統(tǒng)、三相三線制系統(tǒng)；有的也采用三相四線制結(jié)構(gòu)，其中有的串、并聯(lián)單元均采用三橋臂結(jié)構(gòu)，而有的串聯(lián)單元采用三橋臂、并聯(lián)單元采用四橋臂結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)大多不具備母線儲能設(shè)備，不具備不間斷電源（UPS）功能，難以解決電源瞬時中斷或電壓暫降較深時的電能質(zhì)量問題[7-12]，如文獻(xiàn)[7-9]涉及的UPQC為常規(guī)結(jié)構(gòu)，其直流側(cè)仍采用普通電容器緩沖能量；文獻(xiàn)[10]則主要從常規(guī)UPQC濾波器的設(shè)計(jì)出發(fā)，通過優(yōu)化改善了補(bǔ)償效果；文獻(xiàn)[11]突出了UPQC實(shí)現(xiàn)故障換流功能的應(yīng)用，亦沒有涉及直流儲能的分析應(yīng)用。UPQC的常規(guī)控制中，串、并聯(lián)單元功能相對單一，控制相對獨(dú)立，難以實(shí)現(xiàn)配備直流儲能單元的UPQC系統(tǒng)各單元之間有效的協(xié)調(diào)控制[13-15]，如文獻(xiàn)[14]基于 UPQC 提出的一種混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其各變換器仍具有相對獨(dú)立的功能；文獻(xiàn)[15]則直接實(shí)現(xiàn)了UPQC的串、并聯(lián)單元完全解耦控制。

本文拓展基于超級電容器儲能系統(tǒng)（SESS）的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決了電源瞬時中斷或電壓暫降較深時的電能質(zhì)量問題；同時針對UPQC系統(tǒng)功率流協(xié)調(diào)控制的最佳工作條件，提出基于PI控制和重復(fù)控制的UPQC單元控制策略，治理了配電網(wǎng)的各類電能質(zhì)量問題，并實(shí)現(xiàn)了UPQC串聯(lián)單元、并聯(lián)單元以及SESS的協(xié)調(diào)配合控制。仿真研究與實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略準(zhǔn)確可靠、合理適用，達(dá)到了電能質(zhì)量的治理目標(biāo)。

1 基于SESS的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1給出了本文設(shè)計(jì)的基于SESS的UPQC單相主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖，主要包括串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器、SESS 3個單元。串聯(lián)變流器輸出經(jīng)濾波與串聯(lián)隔離變壓器Ts后，串入電網(wǎng)電壓uc，用于補(bǔ)償電源電壓us的暫降、驟升、諧波、不平衡、瞬時間斷等電能質(zhì)量問題，以保持關(guān)鍵負(fù)荷上的負(fù)載電壓uL的幅值不變以及正弦特性；并聯(lián)變流器輸出經(jīng)濾波輸出電流ic，用于解決負(fù)載側(cè)的無功補(bǔ)償、電流諧波、電流不平衡等電能質(zhì)量問題，補(bǔ)償負(fù)載電流iL，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流is的正弦特性；控制使得us與is保持同相位，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)特性。

圖1 基于SESS的UPQC結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure of SESS-based UPQC

SESS發(fā)揮無功功率的緩沖、串并聯(lián)變流器之間的能量傳遞與交換、提供電源電壓暫降補(bǔ)償時所需的能量、吸收電源電壓驟升時的能量等作用，實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)變流器的解耦控制，同時能夠解決常規(guī)UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能處理的電源瞬時中斷或電壓暫降較深的電能質(zhì)量問題。

2 UPQC系統(tǒng)及單元控制策略

基于SESS的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過SESS提供串、并聯(lián)變流器的能量，增強(qiáng)了UPQC的功能。本節(jié)針對圖1的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究UPQC系統(tǒng)級和單元級的控制策略，實(shí)現(xiàn)各單元協(xié)調(diào)控制，解決電能質(zhì)量問題。

2.1 UPQC系統(tǒng)級功率流控制最佳工作條件

UPQC系統(tǒng)級功率流協(xié)調(diào)控制策略詳見文獻(xiàn)[16]，通過分析γ角（串聯(lián)變流器輸出電壓與電源電壓的夾角）的選取依據(jù)，使UPQC工作在最佳工作條件，可實(shí)現(xiàn)UPQC串、并聯(lián)變流器的容量優(yōu)化配置，降低生產(chǎn)成本。此處以UPQC系統(tǒng)級功率流協(xié)調(diào)控制策略中電壓暫降時的優(yōu)化配置為例進(jìn)行分析。

忽略變流器及線路的自身功率損耗，根據(jù)功率流協(xié)調(diào)控制策略中的功率計(jì)算結(jié)果，可以得到串聯(lián)變流器容量Ss和并聯(lián)變流器容量Sp的表達(dá)式，分別如式（1）和式（2）所示。

其中，暫降系數(shù)k（暫降后的電源電壓與正常電源電壓之比）根據(jù)實(shí)際情況確定；功率因數(shù)角通常取值）；根據(jù)式（3）知，β 可由 γ 和k表示。優(yōu)化配置UPQC串、并聯(lián)變流器的容量，即需要合理選擇最佳γ角，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益高、投資費(fèi)用少、裝置容量小的要求。因而，確定優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)為式（4）所示的 f（γ）取最小值。

其中，μ1為UPQC串聯(lián)單元單位容量價格，取值0.3萬元/（kV·A）；μ2為 UPQC 并聯(lián)單元單位容量價格，取值0.2萬元/（kV·A），此處未考慮并聯(lián)單元抑制諧波的容量部分；μ3為UPQC的SESS單位容量價格，取值0.1萬元/（kV·A）；C為固定部分成本，取值 0.5 萬元；取 U=220 V，I=50 A。 將式（1）—（3）代入式（4），即可得到關(guān)于γ的函數(shù)表達(dá)式。

當(dāng) γ∈（0，φ）時，可由 MATLAB 繪出 f（γ）的曲線，如圖 2 所示，其中圖 2（a）為 φ=π/4、k 取值不同時的變化情況；圖2（b）為k=0.8、φ取值不同時的變化情況。從圖中可以看出，函數(shù)f（γ）存在極小值，求出此時的γ值即可得到UPQC功率流協(xié)調(diào)控制的最佳工作條件。

圖2 成本變化曲線Fig.2 Curves of cost variation

2.2 SESS控制策略

SESS的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括超級電容器模組、DC/DC雙向變換器和泄放單元三部分。超級電容器模組作為儲能設(shè)備，提供電壓暫降較深或電壓瞬時斷電時所需的能量。DC/DC雙向變換器由功率開關(guān)管VT1、VT2和電感L構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。功率開關(guān)管VT3和功率電阻R構(gòu)成泄放單元，當(dāng)直流電壓高于設(shè)定閾值時，提供能量泄放回路，保護(hù)設(shè)備。

圖3 SESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of SESS

鑒于單只超級電容器端電壓低、儲能量相對較小，實(shí)際應(yīng)用中，超級電容器模組通常由多只超級電容器串并聯(lián)起來使用，其使用數(shù)量Nc可由式（5）近似求出。

其中，P為提供功率；T為時間；ρ為冗余；C為單體電容容值；U1為電容初始電壓；U2為電容放電后電壓。按照提供50 kW、30 s的容量水平，取ρ=1.1，C=3 000 F，U1=2.5 V，U2=1 V（一般放電至額定電壓的一半左右），則可根據(jù)式（5）求得所需超級電容器的個數(shù)Nc=210。根據(jù)直流側(cè)電壓需要，可將這些超級電容器串聯(lián)使用，提供DC/DC雙向變換器的電源。

系統(tǒng)的儲能容量主要取決于串聯(lián)變流器補(bǔ)償方式（即補(bǔ)償方式?jīng)Q定的串聯(lián)變流器輸出的有功功率部分）和電壓暫降程度、持續(xù)時間等。前者依據(jù)UPQC的控制策略分析，后者通常根據(jù)現(xiàn)場可能出現(xiàn)的最惡劣情況確定，并考慮適當(dāng)?shù)脑Ａ俊δ軉卧x擇時應(yīng)兼顧儲能容量和直流電壓的要求，計(jì)算儲能單元所需超級電容器的串并聯(lián)數(shù)量，即可確定該部分成本；而儲能容量也決定了超級電容器充放電時電壓平衡單元的數(shù)量以及DC/DC雙向變換器的容量，進(jìn)行成本預(yù)算時要統(tǒng)籌兼顧。

電源電壓暫降期間，UPQC直流母線的功率流波動較大，通過DC/DC變換器的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)能量的快速緩沖傳遞，增強(qiáng)直流母線電壓的穩(wěn)定性。SESS的DC/DC變換器控制框圖如圖4所示。

圖中，給定直流參考電壓UdR與DC/DC變換器輸出電壓Ud構(gòu)成電壓外環(huán)負(fù)反饋，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后作為超級電容器輸出電流給定IdR，再與超級電容器輸出電流Id構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)負(fù)反饋，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后與前饋信號UdR疊加，通過限幅、比較驅(qū)動得到PWM信號，分別驅(qū)動圖3中的功率器件VT1和VT2，實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器的控制。

圖4 SESS變換器控制框圖Fig.4 Block diagram of SESS converter control

2.3 串、并聯(lián)變流器控制策略

UPQC系統(tǒng)的串聯(lián)變流器控制，由于受快速性補(bǔ)償?shù)囊?，一般情況下采用P或PI調(diào)節(jié)器控制，甚至有時開環(huán)控制也能滿足要求。并聯(lián)變流器由于需進(jìn)行諧波抑制，PI調(diào)節(jié)器對于次數(shù)較高的諧波補(bǔ)償控制作用較差，實(shí)驗(yàn)效果不理想。鑒于負(fù)載在一定時間內(nèi)相對穩(wěn)定，即其諧波含量相對穩(wěn)定，且呈周期性變化，適合于應(yīng)用具有“記憶”功能的重復(fù)控制RC（Repetitive Control）進(jìn)行并聯(lián)變流器單元的控制。

重復(fù)控制利用負(fù)載擾動的周期性規(guī)律，“記憶”擾動發(fā)生的位置，有針對性地逐步修正，改善輸出波形，對周期性擾動具有良好的抑制能力。本文提出基于PI和RC的UPQC控制策略，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時，RC起主導(dǎo)作用，周期性地輸出所需補(bǔ)償諧波；當(dāng)負(fù)載突變引起補(bǔ)償量變化時，PI感知突變及時調(diào)節(jié)，一個參考周期后，RC輸出相應(yīng)變化，隨之主導(dǎo)輸出，如此便實(shí)現(xiàn)了快速性和穩(wěn)定性的雙重控制目標(biāo)。

基于PI和RC的UPQC控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，i*c為并聯(lián)變流器參考電流給定信號；ic為并聯(lián)變流器輸出補(bǔ)償電流，負(fù)反饋調(diào)節(jié)；RC中的參數(shù)，系數(shù)k1通常取0.95左右，系數(shù)k2為0.7左右，N為一個周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)（此處取 144），S（z）選取 6階濾波器（需3個采樣周期補(bǔ)償），另需考慮2個周期的系統(tǒng)延遲，所以取M=139；PI調(diào)節(jié)器和RC調(diào)節(jié)器疊加后輸出控制信號，經(jīng)過比較驅(qū)動環(huán)節(jié)輸出控制并聯(lián)變流器的輸出。

圖5 RC+PI控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of RC+PI control

UPQC系統(tǒng)級和單元級的控制策略協(xié)調(diào)統(tǒng)一，針對用戶設(shè)備的需求，即對電源側(cè)的電能質(zhì)量要求和（或）負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量要求，可以選擇同時（或者分組、獨(dú)立）投入U(xiǎn)PQC的串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器以及直流儲能單元進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。當(dāng)強(qiáng)調(diào)電源側(cè)電能質(zhì)量問題時，根據(jù)指標(biāo)要求和補(bǔ)償容量、方式控制串聯(lián)變流器和直流儲能單元投入運(yùn)行，提供補(bǔ)償功率；當(dāng)需處理負(fù)載側(cè)諧波以及無功等問題時，根據(jù)指標(biāo)要求投入并聯(lián)變流器發(fā)揮抑制及補(bǔ)償作用，直流單元保持電壓恒定發(fā)揮能量緩沖功能；當(dāng)電源側(cè)和負(fù)載側(cè)都需滿足用戶設(shè)備的需求時，各單元同時投入工作，滿足用戶設(shè)備電能質(zhì)量指標(biāo)要求的前提下，合理分配容量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過確定γ角，滿足UPQC系統(tǒng)功率流協(xié)調(diào)控制的最佳條件，同時針對UPQC的SESS、串并聯(lián)變流器各單元的控制策略，進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)研究。

圖6 SESS變換器仿真波形Fig.6 Simulative waveforms of SESS converter

圖6為SESS變換器仿真電壓、電流波形，Ud為DC/DC變換器輸出電壓，即直流母線電壓；UdR為直流母線參考電壓（此處設(shè)定為690 V）；Id為超級電容器輸出電流。從圖中可以看出，Ud在SESS整個工作過程中逼近UdR；電壓正常時，Id或正或負(fù)維持能量平衡；電壓暫降時（暫降區(qū)間 0.1～0.2 s），SESS輸出有功功率補(bǔ)償電壓暫降。

圖7（a）為UPQC系統(tǒng)工作過程中，SESS的控制輸出直流母線電壓Ud波形和a相電網(wǎng)電壓usa波形，Ud在usa暫降期間、串并聯(lián)變流器都工作的情況下能夠保持穩(wěn)定，效果良好。圖7（b）為usa暫降期間的局部放大波形。

圖7 SESS變換器實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms of SESS converter

圖8為基于RC的UPQC系統(tǒng)仿真波形，電源電壓在0.1～0.2 s之間三相不平衡，帶非線性及不平衡負(fù)載；uca、ucb、ucc為三相補(bǔ)償電壓波形；uLa、uLb、uLc為三相負(fù)載電壓波形；usa、usb、usc為三相電網(wǎng)電壓波形（正常相電壓有效值均為 220 V）；ica、icb、icc、ic0為三相補(bǔ)償電流及中線補(bǔ)償電流波形；iLa、iLb、iLc、iL0為三相負(fù)載及中線電流波形；isa、isb、isc、is0為三相電網(wǎng)及中線電流波形。從圖中可以看出，電壓各量正常補(bǔ)償，不受影響，負(fù)載電壓維持恒定；經(jīng)并聯(lián)變流器補(bǔ)償后，電源電流波形較好，計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流諧波含量可知，電流諧波總畸變率THDi=4.1%，符合要求（THDi＜5%）。b相電壓 usb和電流 isb保持同相，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高。

圖8 基于RC的UPQC仿真波形Fig.8 Simulative waveforms of RC-based UPQC

圖9（a）、（b）為串聯(lián)變流器單元實(shí)驗(yàn)波形，其中圖9（b）為暫降狀態(tài)時的局部放大波形，從圖中可以看出：電源電壓us暫降期間，串聯(lián)變流器能夠及時準(zhǔn)確地輸出補(bǔ)償電壓，使得負(fù)載電壓uL始終維持原來的幅值和相位。圖9（c）為并聯(lián)變流器工作時a相對應(yīng)的負(fù)載電流iLa、電網(wǎng)電流isa、并聯(lián)變流器輸出電流ica以及電網(wǎng)中線電流is0波形，圖9（d）為UPQC投入前后的網(wǎng)側(cè)電流THD。從圖中可以看出：并聯(lián)變流器投入之前，網(wǎng)側(cè)電流（即負(fù)載電流iLa）畸變嚴(yán)重，諧波含量較高，THD為16.8%，遠(yuǎn)高于5%的要求；并聯(lián)變流器投入后，網(wǎng)側(cè)電流isa諧波含量大幅降低，THD為3.5%，達(dá)到指標(biāo)要求，且由于三相電流趨于平衡，中線電流is0非常小。

圖9 UPQC實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms of UPQC

仿真和實(shí)驗(yàn)分析表明，在電源電壓暫降及來自負(fù)荷諧波和無功等問題的影響時，所提UPQC系統(tǒng)級和單元級的控制策略能夠改善這些電能質(zhì)量問題，并可以根據(jù)不同用戶的需要進(jìn)行定制（特別是針對用戶設(shè)備對電能質(zhì)量要求較高的場合），以提供不同電能質(zhì)量指標(biāo)的電力要求，同時能夠協(xié)調(diào)分配串、并聯(lián)變流器容量實(shí)現(xiàn)UPQC的最優(yōu)配置。

4 結(jié)論

針對常規(guī)UPQC難以處理電源瞬時中斷或電壓暫降較深時電能質(zhì)量的問題，設(shè)計(jì)了基于SESS的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)UPQC系統(tǒng)級功率流協(xié)調(diào)控制的最佳工作條件，優(yōu)化配置了UPQC的串并聯(lián)單元以及SESS的容量，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低?；赑I和RC提出了UPQC單元級控制策略，包括SESS的控制策略、串并聯(lián)變流器的控制策略，穩(wěn)定了直流母線電壓，實(shí)現(xiàn)了UPQC各單元配合控制，有效治理了配電網(wǎng)的各類電能質(zhì)量問題。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的基于SESS的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略正確、有效、適用，具有理論指導(dǎo)和工程實(shí)踐意義。