αβ坐標(biāo)系下統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器直接控制策略的實(shí)現(xiàn)

韓 雙

(國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050091)

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αβ坐標(biāo)系下統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器直接控制策略的實(shí)現(xiàn)

韓 雙

(國網(wǎng)河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050091)

介紹一種αβ兩相靜止坐標(biāo)系下統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)直接控制策略，提出將串聯(lián)變流器控制成正弦電流源，將并聯(lián)變流器控制成正弦電壓源的控制方案。分析了αβ坐標(biāo)下兩軸變量間無耦合項(xiàng)不需要復(fù)雜的解耦控制過程。通過Matlab / Simulink仿真，證明了該控制方案的有效性。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)；αβ坐標(biāo)系；直接控制

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)是一種綜合性電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，它既可以補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波和無功分量，使電網(wǎng)的輸入電流為與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，使電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1；又可以對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和畸變進(jìn)行補(bǔ)償，使負(fù)載電壓為正弦波。

UPQC大多采用間接控制策略，即將串聯(lián)變流器作為非正弦電壓源，補(bǔ)償電網(wǎng)電壓畸變和波動(dòng)，使負(fù)載電壓為額定的正弦電壓；并聯(lián)變流器控制為非正弦電流源，用來補(bǔ)償負(fù)載電流中無功和諧波分量，使電網(wǎng)輸入電流為正弦電流，并調(diào)節(jié)直流母線電壓穩(wěn)定。

該間接控制策略中PWM控制器的指令電壓和指令電流的高頻特性使有源濾波器控制器的設(shè)計(jì)非常困難。由于PWM控制器精確跟蹤非正弦指令信號的能力有限，使UPQC的補(bǔ)償性能受限。

1 UPQC直接控制策略

圖1為三相三線制UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意，它由2個(gè)電壓源型PWM變流器通過直流母線電容耦合起來，左側(cè)變流器通過補(bǔ)償變壓器Ts串聯(lián)接入電網(wǎng)與負(fù)載之間，變壓器變比為1∶1，右側(cè)變流器并聯(lián)接在負(fù)載上。

圖1 三相三線制UPQC基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

直接控制策略將串聯(lián)變流器控制為正弦電流源，直接控制電源電流為基波正弦，由于電流源對諧波電壓具有很大阻抗，因此電網(wǎng)畸變電壓不能傳遞到負(fù)載側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波電壓的隔離。將并聯(lián)變流器控制為正弦電壓源，直接控制負(fù)載電壓為基波正弦，由于電壓源對于諧波具有很小的阻抗，因此負(fù)載和電網(wǎng)的諧波電流都流入并聯(lián)變流器，實(shí)現(xiàn)負(fù)載諧波電流和電網(wǎng)之間的隔離。該控制策略下，PWM變流器的指令信號均為標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，有利于控制器的設(shè)計(jì)，且在電網(wǎng)斷電或恢復(fù)供電時(shí)，不需要進(jìn)行工作模式的切換，控制系統(tǒng)相對簡單。

2 αβ坐標(biāo)系下UPQC系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為了方便UPQC的建模，作如下假設(shè)，開關(guān)器件均為理想開關(guān)；輸入濾波電感為理想電感且對稱，即電感值大小相等且忽略其內(nèi)阻； 串聯(lián)變壓器變比為1:1。

根據(jù)圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立UPQC低頻數(shù)學(xué)模型，圖中以a相為例標(biāo)出電壓電流正方向。

(1)

(2)

式中：k=a、b、c。

直流側(cè)數(shù)學(xué)模型為：

(3)

要建立兩相靜止坐標(biāo)系αβ下數(shù)學(xué)模型，需經(jīng)過Clark變換，

(4)

(5)

(6)

(7)

將(6)式帶入(1)，(2)式得到UPQC兩相靜止坐標(biāo)系αβ下低頻數(shù)學(xué)模型為(8)、(9)式：

(8)

(9)

對于三相三線制系統(tǒng)，三相電壓(電流)之間存在耦合關(guān)系而相互影響，因此相應(yīng)的控制規(guī)律實(shí)際只有兩個(gè)獨(dú)立的方程。而若系統(tǒng)為非對稱系統(tǒng)，三相電壓源不對稱，使得中性點(diǎn)之間的電壓會(huì)影響電流控制。目前，UPQC的解耦控制基本圍繞dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換進(jìn)行研究[1]。將三相UPQC模型變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下進(jìn)行解耦控制，這類解耦控制的優(yōu)點(diǎn)是變量的物理概念清晰，但解耦過程較為復(fù)雜。由式(8)、(9)可知，該文采用的αβ坐標(biāo)系下，兩軸變量間無耦合項(xiàng)，不需要解耦控制，使控制過程更加簡捷。

3 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)控制策略如圖2所示，將串聯(lián)交流器控制為正弦電流源，提供和電源電壓us同步的基波正序電流is，對于非線性負(fù)載的諧波呈現(xiàn)高阻抗。相反，并聯(lián)變流器提供給負(fù)載額定的正弦電壓，對于非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流呈現(xiàn)低阻抗。這種方式也可以看作，并聯(lián)變流器作為負(fù)載諧波電流的有源濾波器[2]。

圖2 直接控制策略整體控制原理

3.1 指令信號的獲取

圖3 指令電壓與指令電流的獲取

(10)

(11)

將(6)、(10)式帶入(11)式，則經(jīng)Clark變換后αβ坐標(biāo)系下指令電壓為：

(12)

3.2 串聯(lián)變流器的電流控制

根據(jù)串聯(lián)側(cè)數(shù)學(xué)模型(8)式串聯(lián)側(cè)電流控制如圖4所示。串聯(lián)變流器實(shí)際輸出電流經(jīng)Clark變換得到ucα、icβ，與指令電流信號i*α、i*β做差后經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到串聯(lián)變流器指令補(bǔ)償電壓i*cα、i*cβ，經(jīng)Clark逆變換后作為串聯(lián)側(cè)PWM控制的輸入。結(jié)合圖3可以看出，串聯(lián)變流器的控制實(shí)際是雙閉環(huán)控制。外環(huán)為直流側(cè)電壓的控制，其目的是維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)為電網(wǎng)輸入電流控制，使內(nèi)環(huán)電流為基波正弦。

圖4 聯(lián)變流器控制框圖

3.3 并聯(lián)變流器的電壓控制

并聯(lián)變流器的電壓控制其根據(jù)數(shù)學(xué)模型(9)式采用圖5所示雙閉環(huán)控制。外環(huán)電壓環(huán)由負(fù)載指令基波正弦電壓u*α、u*β與負(fù)載實(shí)際電壓uα、uβ做差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器，從而控制負(fù)載電壓為指令基波正弦電壓[3]，得到并聯(lián)變流器的指令輸出電流i*2。內(nèi)環(huán)電流環(huán)i*2與并聯(lián)變流器實(shí)際輸出電流i2進(jìn)行PWM控制，內(nèi)環(huán)控制的目的主要是為了使整個(gè)并聯(lián)變流器控制系統(tǒng)穩(wěn)定[4]。

3.4 直流側(cè)控制方法

圖5 并聯(lián)變流器控制框圖

4 仿真分析

為了驗(yàn)證該文所采用控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中構(gòu)建了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相三線制UPQC在 坐標(biāo)下直接控制策略的控制系統(tǒng)仿真模型。仿真中電網(wǎng)電源采用三相可編程電源，非線性負(fù)載采用三相二極管全控整流橋串接阻感性負(fù)載。

仿真結(jié)果參見圖6、圖7，仿真參數(shù)如表1所示。下面分析不同工況下系統(tǒng)的工作情況：

表1 UPQC電路仿真參數(shù)

UPQC電路參數(shù)數(shù)值電網(wǎng)電壓有效值Us/V220串聯(lián)變壓器變比N1∶1串聯(lián)變流器輸入電感L1/mH1串聯(lián)變流器輸入電容C1/μF1并聯(lián)變流器輸入電感L2/mH10并聯(lián)變流器輸入電容C2/μF5直流側(cè)電壓給定值Udc/V800直流側(cè)濾波電容C/F1000e-4負(fù)載電阻R/Ω30負(fù)載電感L/mH1

a. 當(dāng)負(fù)載為非線性負(fù)載，如二極管整流橋，負(fù)載電流含諧波成分，主要含有6k+1次諧波。設(shè)置仿真時(shí)間為0.1 s，其仿真波形如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)非線性負(fù)載引起負(fù)載電流諧波時(shí)，UPQC將電網(wǎng)輸入電流補(bǔ)償為近似基波正弦電流，圖6(c)可以看出，該控制策略下直流側(cè)電壓也基本穩(wěn)定。

(a) 負(fù)載電流波形

(b) 電源電流波形

(c) 直流側(cè)電容電壓

b. 電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)的情況。為模擬電壓畸變，在t=0.06～0.1 s電網(wǎng)電壓跌落20%，t=0.18～0.22 s電網(wǎng)電壓上升20%。其運(yùn)行情況如圖7所示。

(a) 電源電壓波形

(b) 負(fù)載電壓波形

(c) 直流側(cè)電壓波形

由圖7可以看出電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落和上升時(shí)，UPQC能較好地將負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)脚c電網(wǎng)電壓基波同相的正弦波；由圖7(c)可以看出，電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)的時(shí)刻，直流側(cè)電壓也會(huì)發(fā)生較小的波動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)交流側(cè)和直流側(cè)的功率傳遞。

5 結(jié)論

該文在對三相三線制UPQC數(shù)學(xué)模型深入分析的基礎(chǔ)上，提出一種在αβ坐標(biāo)系下的直接控制策略。該控制策略優(yōu)勢有：PWM變流器的指令信號均為基波正弦信號，有利于控制器的設(shè)計(jì)；采用αβ坐標(biāo)與dq坐標(biāo)系下直接控制策略相比，避免了復(fù)雜的交叉解耦過程，運(yùn)算和控制簡單；采用直接控制策略，將串聯(lián)變流器控制成正弦電流源，并聯(lián)變流器控制成正弦電壓源，在電網(wǎng)斷電或恢復(fù)供電時(shí)，不需要進(jìn)行工作模式的切換，控制系統(tǒng)相對簡單。仿真結(jié)果表明了該控制策略能有效的補(bǔ)償電網(wǎng)電壓的跌落和上升等電壓質(zhì)量問題，負(fù)載電流諧波等電流質(zhì)量問題。

[1] 朱鵬程,李 勛,康 永，等. 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004,24(8):67-73.

[2] 王廣柱. 有源電力濾波器諧波及無功電流檢測的不必要性(一)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007,22(1):137-141.

[3] 周海亮. 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器檢測與補(bǔ)償控制策略研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[4] Aredes, M. and Fernandes, R.M. “A unified power quality conditioner with voltage SAG/SWELL compensation capability”. Brazilian Power Electronics Conference, 2009. COBEP '09.

本文責(zé)任編輯：羅曉曉

Implementation of Direct Control Strategy Based on αβ Phases Stationary Coordinate for Unified Power Quality Conditioner

Han Shuang

(State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Power Supply Branch，Shijiazhuang 050091，China)

A direct control strategy based onαβtwo phases stationary coordinate for Unified Power Quality Conditioner (UPQC) is proposed.The control scheme is simple and intuitive by contolling the series convertor as a sinusoidal current source and the parallel convertor as a sinusoidal voltage source. In theαβcoordinate system,there's no coupling term between different coordinate variables,so that the contol process is forthright without complex decoupling control.At last,the control scheme proposes effective by the results of simulation of MATLAB/Simulink.

Unified Power Quality Conditioner (UPQC);αβcoordinate; direct control

2017-01-12

韓 雙(1988-)，女，工程師，主要從事變電運(yùn)維工作。

TM711

B

1001-9898(2017)03-0027-04