基于電子電力變壓器的配電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制

夏磊　周章斌　王軍　曹濤　羅娟

摘 要：本文在分析電能質(zhì)量控制方式的基礎(chǔ)上，建構(gòu)電子電力變壓器數(shù)學(xué)模型，將電子電力變壓器控制成電流源，將輸出側(cè)定義為電壓源。從而利用電子電力變壓器調(diào)控配電系統(tǒng)電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電子電力變壓器；電能質(zhì)量；電壓源

中圖分類號：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

通觀國內(nèi)外對電能質(zhì)量的研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對于電能質(zhì)量學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一定論。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，電能質(zhì)量不佳能夠引起用戶電力設(shè)備無法正常工作的電流、電壓與頻率偏差，容易導(dǎo)致用電設(shè)備故障或其他電力問題，影響用戶正常用電，影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。伴隨著科學(xué)技術(shù)與電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各類精密復(fù)雜用電設(shè)備普及開來，人們對電能質(zhì)量有著越來越高的要求，配電系統(tǒng)電能質(zhì)量成為研究熱點(diǎn)。用戶電力技術(shù)（DFACTS技術(shù)）作為FACTS的重要分支成為電力系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。

1.用戶電力技術(shù)（DFACTS技術(shù)）分類

DFACTS主要分為：（1）以VSC為基礎(chǔ)的有源電力濾波器、配電系統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器；（2）以非VSC為基礎(chǔ)的，靜止無功補(bǔ)償器、固態(tài)切換開關(guān)。有源電力濾波器可分為兩種：串聯(lián)、并聯(lián)，用以補(bǔ)償諧波；動態(tài)電壓恢復(fù)器屬于串聯(lián)型調(diào)節(jié)器，以降低補(bǔ)償電壓；配電系統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器屬于并聯(lián)型調(diào)節(jié)器，以補(bǔ)償目標(biāo)結(jié)點(diǎn)電壓。以上調(diào)節(jié)器均是一脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制為基礎(chǔ)的電壓源變換器，不同之處僅在于控制目標(biāo)的差異，因此為功能不同的裝置。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器屬于集并聯(lián)、串聯(lián)于一體的復(fù)合型電能質(zhì)量控制器。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器屬于串聯(lián)與并聯(lián)集成的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，集兩種調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢與一體。是利用直流環(huán)節(jié)耦合起的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，用以補(bǔ)償電壓、諧波、無功功率，不僅能優(yōu)化供電質(zhì)量，更能減小進(jìn)入公共電網(wǎng)的諧波。

2.電子電力變壓器系統(tǒng)

電子電力變壓器在輸入、輸出上包含VSC環(huán)節(jié)，近似于DFACTS裝置。不僅可發(fā)揮電力變壓器的變壓、隔離功能，還可控制電能質(zhì)量。因此，電子電力變壓系統(tǒng)應(yīng)用于配電系統(tǒng)后，能借助其發(fā)揮電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，無須增添其他的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置。同時(shí)，借助電子電力變壓系統(tǒng)控制電能質(zhì)量，無須對波形畸變成分進(jìn)行準(zhǔn)確分離，僅參考標(biāo)準(zhǔn)值波形即可。電子電力變壓器配電系統(tǒng)接線圖，如圖1所示。

從圖1看來，電子電力變壓器要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)配電變壓器的隔離、變壓功能；（2）實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制功能；（3）高頻變壓器主要用以實(shí)現(xiàn)隔離、變壓，電能質(zhì)量控制與電子電力變壓器輸入側(cè)、輸出側(cè)緊密相關(guān)、協(xié)調(diào)進(jìn)行。

就電網(wǎng)側(cè)來說，為弱化外來諧波，減少無用傳輸，系統(tǒng)負(fù)載最好是線性的阻性負(fù)載。電子電力變壓器配電系統(tǒng)應(yīng)在電流源模式進(jìn)行系統(tǒng)側(cè)工作，到達(dá)系統(tǒng)的電流為波形正弦電流與三相對稱，并且保持電流相位等同于系統(tǒng)電壓相位，從而達(dá)到單位功率因數(shù)運(yùn)行。就用戶側(cè)來說，則需要系統(tǒng)穩(wěn)定輸出理想的電壓源。對此，電子電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)最好在電壓源模式下工作，為負(fù)荷提供三相對稱、波形正弦電壓、幅值恒定。由此得出等效電路圖，如圖2所示。

從電網(wǎng)來看，電子電力變壓器在電流源狀態(tài)下工作，可隔離阻止諧波和無功向電網(wǎng)內(nèi)注入；從用戶側(cè)來看，電子電力變壓器在電壓源狀態(tài)工作，可以避免系統(tǒng)發(fā)生波形畸變以及影響負(fù)載，此類工作模式有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無須電網(wǎng)電壓擾動進(jìn)行檢測，也不必對負(fù)荷的諧波進(jìn)行檢測；

（2）對于進(jìn)入電網(wǎng)的電流可直接控制，并且可向電網(wǎng)提供無功；

（3）對于負(fù)荷的供電電壓可直接控制，并且可提供多種不同的定制電源。

對于上述工作模式，電子電力變壓器的輸入側(cè)須使用適宜的電流控制方案，以有效控制電流源工作，電子電力變壓器的輸出側(cè)則使用適宜的電壓控制方案，以有效控制電壓源工作。一般而言，配電系統(tǒng)電子電力變壓器，為適應(yīng)單相負(fù)荷需要，需相應(yīng)的提供三相四線制供電電源。電子電力變壓器輸出級使用三橋臂逆變器，不能提供公共地端。

三相逆變電源中，三相四線輸出方式有：（1）副方聯(lián)結(jié)成YN形式；（2）三相四橋臂逆變器，一個橋臂為中點(diǎn)：（3）三個單相逆變器，按YN聯(lián)結(jié)。方式（1）須附加工頻變壓器，開關(guān)（2）開關(guān)器件少，但難以控制，方式（3）可靈活控制、操作簡單，可實(shí)現(xiàn)三相獨(dú)立控制，此結(jié)構(gòu)為并聯(lián)多重化，適宜于大功率場合，三相四橋臂式則無法使用。

3.控制策略

電子電力變壓器含有VSC，所以其工作性能在很大程度上受控制策略影響。

3.1 輸入級控制

電子電力變壓器既要確保副方提供給用戶的波形正弦與恒定電壓，還要減少輸入側(cè)電流，降低諧波污染。

輸入側(cè)VSC可用以三相高頻整流，不僅可完成電流正弦的輸入，還可控制輸入功率因數(shù)。為完成以上功能，輸入級高頻整流要使用雙環(huán)控制，分別為直流電壓外環(huán)、交流電壓外環(huán)。電流控制環(huán)可顯示于a、b、c相靜止坐標(biāo)系中，但為強(qiáng)化電子電力變壓器動、靜態(tài)響應(yīng)，應(yīng)在同步旋轉(zhuǎn)d、p坐標(biāo)系中則可更好的控制輸入級電流環(huán)。d、p坐標(biāo)中亦能對有功、無功進(jìn)行解耦控制。圖3為輸入級數(shù)學(xué)模型。

從圖3看出，輸入級所形成的是一個相當(dāng)復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系。對此，為使性能充分發(fā)揮，應(yīng)在d、q軸中去除耦合，一方面引入電流反饋，另一方面輸入電源電壓反饋。

輸入級雙環(huán)解耦控制策略外環(huán)為直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為交流輸入電流環(huán)。將直流電壓與參考值進(jìn)行比較，而后形成偏差，而后通過控制器調(diào)節(jié)，以此為d軸電流參考值id，q軸電流為iq，人為設(shè)定功率因數(shù)。內(nèi)環(huán)中，三相輸入電流通過變換坐標(biāo)，變換坐標(biāo)id、iq與參考值進(jìn)行比較，從而得出電流偏差量，通過調(diào)節(jié)控制器，得到參考波信號。

3.2 中間隔離級控制

中間隔離級應(yīng)將輸入級直流轉(zhuǎn)換為高頻方波信號，經(jīng)過耦合，置于高頻變壓器的副方后，隨后還原成直流信號。高頻變壓器主要有兩個作用：其一，在原方系統(tǒng)和副方系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)隔離；其二，電壓等級變換。

有學(xué)者提出對于電子電力變壓器的中間隔離級進(jìn)行占空比控制，這樣增添了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)帶來不必要的諧波。所以，本文研究以開環(huán)控制將使直流調(diào)控至占空比為50%的高頻方波，耦合至高頻變壓器的3個繞組后再進(jìn)行整流并還原成直流。此類控制方式控制系統(tǒng)簡單，同步問題易解決。假若忽略高頻變壓器的過渡，那么可將中間隔離級視為一個比例放大器：

3.3 輸出控制級

輸出級控制目的在于對稱負(fù)載或不對稱復(fù)雜條件下都可實(shí)現(xiàn)相電壓的波形正弦與電壓有效值恒定。電子電力變壓器由3個單相逆變器構(gòu)成三相四線逆變器，因此為三相獨(dú)立控制，任一相負(fù)載不會影響其他相。三相獨(dú)立控制基礎(chǔ)上確保三相輸出電壓幅值相位對稱。在輸出級上，將a、b、c相劃分為含有濾波器的單相逆變器。逆變器開關(guān)頻率超過調(diào)制波的頻率時(shí)，將其視為一個比例環(huán)節(jié)。

當(dāng)配電系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)是無源系統(tǒng)時(shí)，那么輸出級可以瞬時(shí)值反饋的定交流相電壓控制輸出級。輸出級控制策略是雙向控制系統(tǒng)，其中外環(huán)是相電壓有效值控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是相電壓瞬時(shí)值控制環(huán)。電子電力變壓器輸出級的控制為相電壓有效值外環(huán)，是確保輸出電壓有效值的穩(wěn)定，使負(fù)載發(fā)生變化，或系統(tǒng)被干擾時(shí)，電壓有效值恒定。

結(jié)語

配電系統(tǒng)中電力質(zhì)量問題是重要問題，近年來涌現(xiàn)的非線性符合、沖擊性符合與波動性符合，嚴(yán)重影響了供電品質(zhì)。電子電力變壓器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，為解決配電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題提供了全新的方案。電子電力變壓器可將電力系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)控制為電流源，用戶側(cè)控制為電壓源，同時(shí)有效防止電壓的閃變、波動、跌落等問題，有效控制電能質(zhì)量。

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