雙并聯(lián)處理型綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究

侯 勇，吉 荔，趙黎華，段英宏

（1. 天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津市 300222；2. 天津出入境檢驗(yàn)檢疫局工業(yè)產(chǎn)品安全技術(shù)中心，天津市 300308）

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雙并聯(lián)處理型綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究

侯 勇1，吉 荔1，趙黎華2，段英宏1

（1. 天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津市 300222；2. 天津出入境檢驗(yàn)檢疫局工業(yè)產(chǎn)品安全技術(shù)中心，天津市 300308）

摘 要：提出了一種新型的綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)在電源與負(fù)載之間連接一組三相電抗器，在連接電抗器的兩端分別并聯(lián)一套逆變器，能夠?qū)崿F(xiàn)與傳統(tǒng)UPQC相似的綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制.裝置采用了基于功率控制的系統(tǒng)控制策略，控制思路為：負(fù)載在額定電壓下的有功功率全部由電源通過(guò)連接電感提供，諧波和無(wú)功功率由負(fù)載側(cè)逆變器提供，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的補(bǔ)償和有源濾波功能；電源側(cè)逆變器提供連接電感電流中的無(wú)功功率電流分量，實(shí)現(xiàn)電源供電功率因數(shù)的調(diào)節(jié).仿真表明：電源電壓發(fā)生跌落時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)可在半個(gè)工頻周期內(nèi)將負(fù)載電壓穩(wěn)定為額定值；當(dāng)負(fù)載電流中含有諧波和無(wú)功功率分量時(shí)，可將電源電流調(diào)節(jié)為與電源電壓同相位的基頻正弦波.

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；并聯(lián)處理；電壓跌落；諧波；無(wú)功補(bǔ)償

電能是當(dāng)今社會(huì)中應(yīng)用最為廣泛的一種能源形式，隨著社會(huì)的進(jìn)步和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)電能的需求也在不斷地增加.同時(shí)，電能質(zhì)量問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，一方面，電力用戶(hù)對(duì)供電的可靠性及質(zhì)量的要求不斷提高；另一方面，一些大容量的、不對(duì)稱(chēng)的、非線(xiàn)性的電氣設(shè)備也會(huì)給電能質(zhì)量帶來(lái)越來(lái)越多的沖擊和干擾.國(guó)內(nèi)外對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不斷加深，對(duì)改善電能質(zhì)量的技術(shù)和裝置的研究也在不斷發(fā)展.供電部門(mén)旨在為用戶(hù)提供一個(gè)理想的正弦波供電電壓.然而，由于一些常見(jiàn)的系統(tǒng)原因和一些偶然事故的影響，如短路故障等，很難保證為用戶(hù)提供理想供電電壓.同時(shí)，供電部門(mén)也希望用戶(hù)能夠從供電電源汲取正弦波的電流，而不會(huì)對(duì)電源的供電質(zhì)量造成不利影響［1-4］.

目前，改善電能質(zhì)量主要手段是借助于電力電子裝置，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者研制出了具有多種不同結(jié)構(gòu)和功能的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，如動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、有源濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置等.但這些裝置的功能往往比較單一，能夠較全面地實(shí)現(xiàn)用戶(hù)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的裝置是統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（unified power quality conditioner，UPQC），由于UPQC采用的是串聯(lián)型和并聯(lián)型變流器以及串聯(lián)變壓器的結(jié)構(gòu)，成本較高，控制上也較為復(fù)雜，其應(yīng)用受到了很大的限制［3-9］.文獻(xiàn)［10-12］研究了一種并聯(lián)型綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，采用三端口的主電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅采用一套并聯(lián)逆變器和電源與負(fù)載之間的串聯(lián)電感，兼有負(fù)載電壓補(bǔ)償和有源濾波的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，但該結(jié)構(gòu)并不具備電源側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償作用，功率因數(shù)不可控.

本文提出了一種新型的綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，特點(diǎn)是在電源與負(fù)載之間連接一組三相電抗器，替代傳統(tǒng)UPQC結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)變壓器部件，在連接電抗器的兩端分別并聯(lián)一套逆變器，通過(guò)負(fù)載側(cè)逆變器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓補(bǔ)償和非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)的有源濾波，通過(guò)電源側(cè)逆變器的調(diào)節(jié)使電源的供電功率因數(shù)為1，能夠用較簡(jiǎn)單的主電路結(jié)構(gòu)和控制策略實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)UPQC相似的綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能.

1　雙并聯(lián)型UPQC的結(jié)構(gòu)和原理

本文研究的新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　 雙并聯(lián)型綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的主電路Fig.1　Main circuit of double parallel processing type of unified power quality conditioner

圖1中：Ls為連接電感；Ld為逆變器直流側(cè)電感；Cl為負(fù)載側(cè)逆變器的濾波電容；Cf和Lf分別為電源側(cè)逆變器的濾波電容和電感；us、ul、uf分別為電源、負(fù)載和逆變器2交流側(cè)電壓；is、im、il分別為電源、連接電感和負(fù)載電流；ii、ir分別為逆變器1和逆變器2的交流側(cè)電流；if為逆變器2濾波電感電流；id為逆變器直流側(cè)電感電流.

本裝置與傳統(tǒng)UPQC的電路結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別在于，在電源與負(fù)載之間串聯(lián)一組三相連接電感，并在電感的兩端，即電源側(cè)和負(fù)載側(cè)各并聯(lián)連接一套共用直流母線(xiàn)的背靠背形式的逆變器.本文采用的是電流型逆變器，直流側(cè)采用串聯(lián)電感作為儲(chǔ)能元件.本裝置可實(shí)現(xiàn)以下電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能：

（1）當(dāng)電源電壓發(fā)生跌落時(shí)，可維持負(fù)載電壓為額定電壓；

（2）當(dāng)負(fù)載為非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，可使電源供電波形為基頻正弦波；

（3）當(dāng)負(fù)載存在一定程度的不對(duì)稱(chēng)時(shí)，可使電源供電波形保持正序?qū)ΨQ(chēng)；

（4）補(bǔ)償電源側(cè)的無(wú)功功率，以提高供電的功率因數(shù).

裝置的工作原理是：當(dāng)電源電壓發(fā)生跌落時(shí)，通過(guò)控制負(fù)載側(cè)逆變器1的注入電流，改變連接電感Ls上的電壓，從而使電源電壓與電感電壓疊加后將負(fù)載電壓維持為額定值；帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，控制負(fù)載側(cè)逆變器1向系統(tǒng)注入相應(yīng)的諧波電流，以抵消負(fù)載電流中諧波分量；當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱(chēng)時(shí)，控制負(fù)載側(cè)逆變器1向系統(tǒng)注入相應(yīng)的負(fù)序電流分量，以抵消負(fù)載電流中負(fù)序分量；通過(guò)控制電源側(cè)逆變器2向電源端的連接點(diǎn)注入適當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率，提高電源供電的功率因數(shù)；通過(guò)功率控制，由負(fù)載側(cè)逆變器完成對(duì)逆變器直流側(cè)母線(xiàn)電感的充電并維持電感電流恒定（如采用電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，則是維持直流側(cè)電容電壓的恒定）.

2　系統(tǒng)控制策略

根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)和原理，本文采用了基于功率控制的系統(tǒng)控制策略，控制思路為：負(fù)載在額定電壓下的有功功率全部由電源通過(guò)連接電感提供，調(diào)節(jié)逆變器1的無(wú)功功率維持負(fù)載電壓的大小為額定值；當(dāng)負(fù)載為非線(xiàn)性時(shí)，負(fù)載功率是波動(dòng)的，此時(shí)，由電源提供負(fù)載有功功率的平均值，由逆變器1提供波動(dòng)部分，即可維持連接電感的電流的波形為基頻正弦波，實(shí)現(xiàn)有源濾波的功能；逆變器2提供連接電感電流中的無(wú)功功率電流分量，從而使電源只提供對(duì)應(yīng)負(fù)載平均有功功率的有功電流分量，實(shí)現(xiàn)電源供電功率因數(shù)的調(diào)節(jié).本系統(tǒng)采用了建立在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中的狀態(tài)模型來(lái)實(shí)施控制.

2.1負(fù)載側(cè)逆變器1的控制

逆變器1相關(guān)的狀態(tài)方程為

轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系統(tǒng)中，有

采用PI加前饋補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)逆變器1輸出電流的控制，控制原理如圖2所示.

圖2中uld*和ulq*分別表示負(fù)載電壓d、q軸分量的參考值，確定方法如下：選擇A相電源電壓相量方向?yàn)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)的d軸方向，并設(shè)電源相電壓有效值為Us，負(fù)載相電壓有效值為Ul，電源電壓超前負(fù)載電壓的相位角為δ，根據(jù)abc/dq變換原理，可得負(fù)載電壓的d、q軸分量為

圖2　 逆變器1控制框圖Fig.2　Control diagram of inverter 1

電路分析可得，流過(guò)連接電感Ls上的有功功率為［10］

其中Xs=ωLs，為連接電感的基頻電抗.

由式（3）、式（4）可以得到負(fù)載電壓q軸分量的參考值為

式中：Ps取為負(fù)載的有功功率Pl，即采用由電源提供負(fù)載所需全部有功功率的控制模式，Pl可通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電壓和電流計(jì)算求取.

為維持負(fù)載電壓為額定值，負(fù)載電壓d軸分量的參考值應(yīng)為

其中UN為額定相電壓的有效值.

當(dāng)系統(tǒng)帶有非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，由于諧波電流的作用，導(dǎo)致瞬時(shí)功率Pl是波動(dòng)的，采用數(shù)字低通濾波，取其平均值，作為式（5）中的Ps值，即由電源來(lái)提供負(fù)載功率的平均值，這樣就可保證連接電感電流中沒(méi)有諧波分量，達(dá)到有源濾波的效果.

2.2電源側(cè)逆變器2的控制

逆變器2的功能是向電源側(cè)的公共連接點(diǎn)注入適當(dāng)?shù)臒o(wú)功功率，以使電源側(cè)的功率因數(shù)為1，即由控制逆變器2提供連接電感上所需的無(wú)功電流分量，電源提供連接電感上的有功電流分量.分析可得連接電感電流的有功分量和無(wú)功分量為

濾波電感Lf和電容Cf的狀態(tài)方程分別為

轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系統(tǒng)下，有

根據(jù)逆變器2的工作原理，濾波電感Lf電流輸出電流的參考值為

仍采用PI加前饋補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)逆變器2輸出電流的控制，控制原理如圖3所示.

圖3　 逆變器2控制框圖Fig.3　Control diagram of inverter 2

電源電壓的d、q軸分量為

其中Us為電源相電壓有效值.

3　仿真驗(yàn)證

利用仿真工具M(jìn)atlab對(duì)本文提出的雙并聯(lián)型綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器及其控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證.仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為：額定容量110，kVA；額定電壓220，V（相電壓）；連接電感Ls=2.5，mH；濾波電容Cl=Cf=400，μF；濾波電感Lf=0.325，mH；直流電感參考電流Id=400，A；負(fù)載為三相不控整流的非線(xiàn)性負(fù)載、直流側(cè)負(fù)載參數(shù)為Rl=3.5，?，Ll=1.2，mH；控制頻率fc=10，kHz.

各PI控制器參數(shù)設(shè)置如下：（1）ul控制器，kp= 3.2，ki=77；（2）if控制器，kp=2.3，ki=125；uf控制器，kp=1.6，ki=40.

假設(shè)電源電壓起始值為額定值，在0.2，s時(shí)跌至額定電壓的70%，仿真結(jié)果如圖4—圖7所示.為清晰起見(jiàn)，圖中僅顯示A相的仿真結(jié)果.

圖4為電源A相電壓和負(fù)載A相電壓，圖5為負(fù)載電壓有效值.仿真結(jié)果表明：當(dāng)電源電壓發(fā)生跌落時(shí)，通過(guò)逆變器1的補(bǔ)償控制，可在半個(gè)工頻周期內(nèi)將負(fù)載電壓穩(wěn)定為額定值.

圖6顯示的是電源A相電壓、電源A相電流和負(fù)載A相電流.仿真結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)帶非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流為非正弦，并且與電源電壓不同相位，即負(fù)載電流中含有諧波和無(wú)功功率分量.通過(guò)本裝置的調(diào)節(jié)，電源電流變?yōu)榕c電源電壓同相位的基頻正弦波.

圖4　 電源A相電壓和負(fù)載A相電壓Fig.4　A-phase supply voltage and load voltage

圖5　 負(fù)載電壓有效值Fig.5　Load RMS voltage

圖7是負(fù)載電流和電源電流的諧波分析的直方圖.可以看出：系統(tǒng)帶三相整流負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流中含有明顯的6k±1（k為整數(shù)）次諧波，其諧波畸變率THD=30.6%，；而電源電流中的各諧波幅值接近為0，THD=0.4%，.仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了系統(tǒng)的有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч?

圖6　 電源A相電壓、電源A相電流和負(fù)載A相電流Fig.6　A-phase supply voltage，supply current and load current

圖7　 負(fù)載電流和電源電流諧波分析直方圖Fig.7　Harmonic histograms of load current and supply current

4　結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種低成本的雙逆變器并聯(lián)處理型綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在電源和負(fù)載之間采用串聯(lián)的三相電感替代傳統(tǒng)UPQC結(jié)構(gòu)的串聯(lián)變壓器，兩臺(tái)逆變器分別并聯(lián)連接在串聯(lián)電感兩端.負(fù)載側(cè)逆變器用于補(bǔ)償負(fù)載電壓和有源濾波，電源側(cè)逆變器用于補(bǔ)償電源側(cè)的無(wú)功功率，可以相對(duì)獨(dú)立地對(duì)兩個(gè)逆變器實(shí)施控制，從而降低了控制策略的復(fù)雜性.通過(guò)對(duì)系統(tǒng)帶非線(xiàn)性負(fù)載并發(fā)生電源電壓跌落時(shí)的運(yùn)行效果仿真，驗(yàn)證了裝置的電能質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)效果.

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責(zé)任編輯：常濤

On Double Parallel Processing Type of Unified Power Quality Conditioner

HOU Yong1，JI Li1，ZHAO Lihua2，DUAN Yinghong1
（1.College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China；2.Tianjin Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau of Industrial Product Safety Technology Center，Tianjin 300308，China）

Abstract：In this paper，a new type of unified power quality conditioner was proposed，which can realize unified power quality conditioning similar to the traditional UPQC by connecting a set of three-phase reactor between the power source and the load，and connecting two inverters respectively to both ends of the reactor in parallel.The device is simple in structure and easy to control.The system control strategy is based on power control，and the basic idea is that the active power of the load under the rated voltage is supplied by the power supply through the connected inductor；the load required harmonic power and reactive power are supplied by the load-side inverter；thus the load voltage compensation and active filtering can be realized.The source-side inverter provides the reactive power current component of the inductor current and realizes the source power factor adjustment.Simulation results show that when the power supply voltage sag occurs，the load voltage can be compensated to rated value by the device in half fundamental frequency cycle；when the load current contains harmonic wave and reactive power components，the device can adjust the supply current to fundamental sinusoidal current in-phase with the source voltage.

Key words：power quality；parallel processing；voltage sag；harmonic wave；reactive power compensation

中圖分類(lèi)號(hào)：TM714

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6510（2016）02-0067-05

收稿日期：2015-07-13；修回日期：2015-12-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014IK193）；天津科技大學(xué)青年教師創(chuàng)新基金（2014CX1G27）

作者簡(jiǎn)介：侯 勇（1965—），男，吉林人，教授，houyong@tust.edu.cn.

DOI:10.13364/j.issn.1672-6510.20150091