串聯(lián)電壓與并聯(lián)電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制策略研究

韓 梁，許福鹿，石亮緣，黃佳榕

(1.寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院，福建 寧德 352100；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000；3.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

在當(dāng)代社會(huì)，電能已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，成為人們生活中不可或缺的一部分，深深影響著人們的生活。但是，隨著大量分布式新能源接入配電網(wǎng)，越來越多電力電子設(shè)備的接入使輸配電和負(fù)載終端的非線性負(fù)載增多了，導(dǎo)致出現(xiàn)電壓、電流波形畸變的電能質(zhì)量問題[1-2]。隨著電能普及以及電力事業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)電能的質(zhì)量要求也越來越苛刻，需求量也越來越大。所以，電能質(zhì)量成為很多專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner,UPQC)是一種綜合電能質(zhì)量治理裝置，不僅具有電壓質(zhì)量控制的功能，同時(shí)也有電流質(zhì)量控制的功能[3-4]，成為當(dāng)前許多專家學(xué)者的研究對(duì)象；但由于UPQC開關(guān)器件使用量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷的存在，限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。因此，當(dāng)其結(jié)構(gòu)確定后，其性能的好壞取決于其控制策略。

文獻(xiàn)[5-6]為了解決無差拍控制延遲補(bǔ)償問題，提出了一種電流跟蹤誤差補(bǔ)償?shù)娜嘤性措娏V波器的無差拍控制方法，有效提高了電能質(zhì)量控制精度；文獻(xiàn)[7-8]針對(duì)PI控制器在跟蹤交流信號(hào)時(shí)存在靜差問題，提出了PI并聯(lián)諧振環(huán)節(jié)的補(bǔ)償電流跟蹤控制策略，對(duì)特定次諧波進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)償，改善單獨(dú)采用PI控制存在的不足問題；文獻(xiàn)[9]采用新的阻尼注入方法設(shè)計(jì)無源功率控制器，該無源功率控制器使整流器實(shí)現(xiàn)功率解耦控制,具有更好的動(dòng)靜性能,優(yōu)于現(xiàn)行的其他功率控制策略,但由于其硬件條件的限制，限制其進(jìn)一步發(fā)展；文獻(xiàn)[10]提出了坐標(biāo)系下電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的直接輸出功率控制；文獻(xiàn)[11]通過無功和有功功率之間的關(guān)系，提出了基于無功和有功功率協(xié)調(diào)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制策略。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以UPQC為研究對(duì)象，通過分析不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，合理設(shè)置參數(shù)，并對(duì)不同的檢測(cè)算法進(jìn)行比較，搭建了基于電壓同相位補(bǔ)償與電流跟蹤補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制的UPQC模型，Simulink仿真表明：所提控制策略模型是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的高性能控制。

1 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器主電路結(jié)構(gòu)和原理分析

1.1 UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多種多樣，其中有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得以廣泛的應(yīng)用，即“左串右并”型和“左并右串”型[12]。

如圖1所示，這是UPQC的“左串右并”型原理圖。之所以稱為“左串右并”型結(jié)構(gòu)，是因?yàn)樽髠?cè)的變流器是串聯(lián)接于主電路中的變壓器，而右側(cè)變流器則是直接并聯(lián)在主電路上。左側(cè)變流器輸出的是補(bǔ)償電壓，用來補(bǔ)償主電路的電壓變化；右側(cè)變流器輸出的是補(bǔ)償電流，用來補(bǔ)償主電路中的電流。左右同時(shí)補(bǔ)償，從而提高電能質(zhì)量。整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一對(duì)“背對(duì)背”的變流器、中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、輸出變壓器和輸出電感等部分。

圖1 “左串右并”型UPQC原理圖Fig.1 Leftserial-right parallel UPQC schematic

圖2是“左并右串”型的結(jié)構(gòu)。該原理圖中主要包括電源、變壓器、兩個(gè)變流器、濾波電感及非線性負(fù)載，整體結(jié)構(gòu)的組成部分與“左串右并”型基本相同，不同的是該結(jié)構(gòu)的左側(cè)變流器是直接并聯(lián)于主電路，而右側(cè)變流器才通過變壓器串聯(lián)于主電路中。左側(cè)變流器具有補(bǔ)償電流的作用，右側(cè)變流器具有補(bǔ)償電壓的作用，正好與“左串右并”型結(jié)構(gòu)補(bǔ)償量相反。

圖2 “左并右串”型UPQC原理圖Fig.2 Leftparallel-right serial UPQC schematic

以上兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)不同，它們的補(bǔ)償能力也就不同，自然適用的范圍、制造成本也就不同。“左串右并”型結(jié)構(gòu)中由于左側(cè)變流器對(duì)電壓的補(bǔ)償，使得右側(cè)電流的問題只剩下由于非線性負(fù)載所引起的諧波等其他與電壓升降無關(guān)的問題。同時(shí)，右側(cè)的變流器對(duì)電流進(jìn)行補(bǔ)償，從而使流過左側(cè)變流器的電流減小，減輕了左側(cè)變流器的負(fù)擔(dān)，使得容量減小。同理，在“左并右串”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，情況恰好相反，右側(cè)變流器的容量要求不大。不過從長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)中得出，“左串右并”型相比“左并右串”型能更好地對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題進(jìn)行補(bǔ)償。所以目前對(duì)“左串右并”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究比較深入，而且在實(shí)際應(yīng)用中也比較廣泛。

圖3 三相三線制UPQC結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-phase three-wire system UPQC structure diagram

本文主要是對(duì)“左串右并”型、三相三線制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)研究分析，并進(jìn)行Matlab仿真來檢驗(yàn)補(bǔ)償效果，其原理如圖3所示。并聯(lián)側(cè)變流器直接連接于主電路中，通過輸出的指令電流來補(bǔ)償主電路中的電流變化；串聯(lián)側(cè)變流器連接變壓器，輸出補(bǔ)償電壓，補(bǔ)償電壓的升降和閃變。變流器在連接系統(tǒng)時(shí)都進(jìn)行了濾波措施，消除變流器輸出電壓或電流的干擾量。

1.2 左串右并型UPQC的工作原理

UPQC的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是把原來的各種單一的補(bǔ)償裝置進(jìn)行優(yōu)化重組，所用到的原理、算法及控制策略都基本相同。只是該裝置在優(yōu)化重組之后有了更加強(qiáng)大的功能，實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償功能不再單一，而是具有綜合功能，既可補(bǔ)償電壓又可同時(shí)補(bǔ)償電流。原理圖如圖4所示。

圖4 UPQC補(bǔ)償原理圖Fig.4 UPQC compensation schematic

從圖4中可看出，當(dāng)系統(tǒng)的電壓電流變化時(shí)，變流器會(huì)輸出指令電壓和電流對(duì)畸變量進(jìn)行補(bǔ)償，使其保持原來的波形。這樣一來，就可有效提高電能質(zhì)量。本文采用“左串右并”型裝置，其具體的工作過程如下：采集元件會(huì)實(shí)時(shí)采集電壓或電流值，然后經(jīng)過檢測(cè)算法進(jìn)行計(jì)算得到指令值，當(dāng)電網(wǎng)電壓或電流因一些干擾因素的影響而產(chǎn)生波動(dòng)和變化時(shí)，該部分會(huì)算出變化量，然后將變化量進(jìn)行比較、調(diào)節(jié)從而產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)波，驅(qū)動(dòng)變流器工作，使其輸出補(bǔ)償電壓或電流。由于采用的是“左串右并”型裝置，所以左側(cè)串聯(lián)部分會(huì)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，而右側(cè)并聯(lián)部分會(huì)進(jìn)行電流補(bǔ)償?！白蟛⒂掖毙脱a(bǔ)償原理相同，只是左側(cè)補(bǔ)償電流，而右側(cè)則補(bǔ)償電壓。

2 同相位電壓補(bǔ)償與并聯(lián)電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)UPQC建模與策略分析

2.1 基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測(cè)方法

基于此理論也有很多算法，這些算法所檢測(cè)的結(jié)果精確度比較高，而且檢測(cè)速度很快，實(shí)時(shí)性比較理想。但其主要檢測(cè)三相電力系統(tǒng)中的諧波，對(duì)于單相系統(tǒng)還需進(jìn)一步研究和擴(kuò)展。

該算法是將兩相靜止垂直的坐標(biāo)系(α,β)變換成兩相垂直旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d,q)及其反變換[13]。

圖5表示坐標(biāo)系(α,β)與坐標(biāo)系(d,q)的空間位置關(guān)系。圖中(d,q)坐標(biāo)系是和電流矢量I以同步角頻率ω在旋轉(zhuǎn)，I與d軸夾角為θS，d軸與α軸夾角為φ，電流矢量I在兩個(gè)坐標(biāo)系的投影如圖5所示。

圖5 (α,β)坐標(biāo)系和(d,q)坐標(biāo)系的位置關(guān)系Fig.5 Positional relationship between (α,β) coordinate system and (d,q) coordinate system

由圖5可知各投影之間的關(guān)系為

(1)

寫成矩陣形式為

(2)

(3)

2.2 同相位電壓補(bǔ)償與并聯(lián)電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)UPQC控制策略分析

補(bǔ)償裝置在進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)都是對(duì)變化量進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證了原來值的穩(wěn)定。在此裝置中實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流的補(bǔ)償就需要相應(yīng)的控制策略。

以往的研究中，PWM控制策略中有正弦PWM(sinusoidal PWM，SPWM)控制和空間矢量脈寬調(diào)制(space vector PWM，SVPWM)控制。前者通過SPWM波把原有的波形進(jìn)行分解，然后用等效的矩形波代替；后者是最近幾年新興的新型控制方法，其原理是在電壓矢量旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析研究的，當(dāng)電壓旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)形成一個(gè)環(huán)形，而開關(guān)管的開關(guān)在開合時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁通圓。

電壓補(bǔ)償策略也分很多種，不同的補(bǔ)償方式能起到不同的補(bǔ)償效果，制造成本也不同，所以選擇一個(gè)合適的補(bǔ)償策略既可達(dá)到理想狀態(tài)又能降低制造成本。

電壓補(bǔ)償主要有完全補(bǔ)償、同相位補(bǔ)償、最小容量補(bǔ)償：

1) 完全補(bǔ)償方式在一定范圍內(nèi)，可將系統(tǒng)跌變的電壓補(bǔ)償?shù)皆瓉淼碾妷?，包括電壓的幅值大小和相位角，完全補(bǔ)償方式原理圖如圖6所示。這種補(bǔ)償方式也有缺點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)中存在的擾動(dòng)量太大時(shí)，電壓也會(huì)產(chǎn)生極大的變化。這時(shí)此種方式的補(bǔ)償能力就下降了，很難再將發(fā)生閃變的電壓補(bǔ)償?shù)胶驮瓉硗耆恢碌碾妷?。此外，?fù)荷有一定的抗干擾能力，所以這種情況下沒必要進(jìn)行完全補(bǔ)償。當(dāng)然，電網(wǎng)中的故障并不都是暫時(shí)故障，永久故障也是比較常見的，在這種情況下，完全補(bǔ)償?shù)姆绞绞菬o法實(shí)現(xiàn)的，所以該種方法在實(shí)際應(yīng)用中并不廣泛。

圖6 完全補(bǔ)償原理圖Fig.6 Complete compensation schematic

2) 最小能量補(bǔ)償需要的能量最小，補(bǔ)償時(shí)采用電壓超前的方法。當(dāng)補(bǔ)償電壓超前時(shí)，補(bǔ)償后的電壓和電流的夾角會(huì)變小，增大了有功功率，由于負(fù)荷所需能量一定，所以使得變流器的輸出功率減小[11]。這種方法會(huì)使功率因數(shù)變大，減少了補(bǔ)償器的制造成本。不過由于這種方式是改變電壓相位進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模耆a(bǔ)償一樣，當(dāng)出現(xiàn)大干擾時(shí)，相位變化超出了補(bǔ)償范圍，這種方式就行不通了，補(bǔ)償后會(huì)出現(xiàn)“移相”現(xiàn)象。此外它還需要提供足夠大輸出電壓來保證其工作。其補(bǔ)償示意圖如圖7所示。

圖7 最小能量補(bǔ)償原理圖Fig.7 Minimum energy compensation schematic

3) 同相位電壓補(bǔ)償也是一種比較常用的方法，這種補(bǔ)償方式是讓補(bǔ)償裝置輸出與閃變后的電壓同相位的補(bǔ)償電壓，也就是只補(bǔ)償大小不補(bǔ)償相位。當(dāng)電網(wǎng)中電壓的相位變化時(shí)該種方法是無法完成相位的補(bǔ)償?shù)腫14]。但是對(duì)于電網(wǎng)來說相位的變化是微小的，在電網(wǎng)中頻率是固定的，所以電壓的相位也比較固定，因此這種方法在實(shí)際應(yīng)用中也比較普遍。其補(bǔ)償示意圖如圖8所示。

圖8 同相位補(bǔ)償原理圖Fig.8 In-phase compensation principle diagram

當(dāng)系統(tǒng)電壓下降時(shí)，該裝置的右側(cè)補(bǔ)償部分吸收電網(wǎng)中的有功功率，并由中間環(huán)節(jié)輸送到裝置左側(cè)補(bǔ)償部分，能量傳遞如圖9(a)所示；當(dāng)系統(tǒng)電壓上升時(shí)，則由左側(cè)電壓補(bǔ)償部分吸收有功功率，由中間環(huán)節(jié)傳輸?shù)接覀?cè)電流補(bǔ)償部分，能量傳遞如圖9(b)所示。

圖9 電網(wǎng)電壓能量傳遞示意圖Fig.9 Schematic diagram of grid voltage energy transfer

圖10 三角波比較控制原理圖Fig.10 Triangle wave comparison control schematic

三角波比較控制需要將比較之后的差值進(jìn)行一次PI調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)也就是把比較產(chǎn)生的差值的積分和比例進(jìn)行線性組合，從而構(gòu)成一個(gè)新的控制量[14]；再將調(diào)節(jié)之后的值與給定的三角波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生一個(gè)PWM波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)變流器工作。該控制策略的原理如圖10所示。三角波比較控制應(yīng)用比較廣泛，它具有精確度高、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

綜合以上所述，“左串右并”型UPFC的左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)不同，根據(jù)每個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文針對(duì)其特性提出了一種左側(cè)同相位電壓補(bǔ)償與右側(cè)三角波電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)的控制策略。

3 基于同相位電壓補(bǔ)償與電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)的UPFC仿真分析

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

為驗(yàn)證上述檢測(cè)算法和控制策略等方案的可行性，本文利用Matlab搭建了UPQC的仿真模型，其參數(shù)如下：三相電網(wǎng)相電壓220 V，在0.1 s時(shí)電網(wǎng)電壓發(fā)生電壓跌落，跳變角為30°，幅值跌落到140 V。負(fù)載是由三相不可控整流器和10 Ω電阻組成的非線性負(fù)載，用來模擬諧波源，左側(cè)串聯(lián)補(bǔ)償部分的電感、電容值分別為0.7 mH、208 μF，右側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償部分的電感值為0.9 mH，變壓器變比為1.2∶1。

3.2 同相位電壓補(bǔ)償與電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)的控制策略仿真分析

圖11 電壓補(bǔ)償與電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)的電流部分輸出結(jié)果Fig.11 Current partial output result with coordination of voltage compensation and current compensation

根據(jù)前文所述理論，對(duì)電壓補(bǔ)償效果和電流補(bǔ)償效果進(jìn)行仿真分析。圖11是電流補(bǔ)償?shù)男Ч?，由圖可看出：該裝置能對(duì)電流起到補(bǔ)償作用，達(dá)到了補(bǔ)償效果。

圖12是協(xié)調(diào)補(bǔ)償策略補(bǔ)償后電流的諧波畸變率，由圖可見:電流波形總諧波畸變率(total harmonic distortion,THD)為5.88%，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 電流補(bǔ)償后電流THDFig.12 THD rate after compensation

圖13是電壓部分的補(bǔ)償仿真結(jié)果，圖14為電壓補(bǔ)償后THD情況。通過仿真波形可看出，同相位補(bǔ)償法能將負(fù)載電壓幅值補(bǔ)償?shù)桨l(fā)生跌落前的幅值，補(bǔ)償后的負(fù)載電壓相位與電源電壓跌落后的相位保持一致，且補(bǔ)償后電壓波形THD值為2.71%，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖13 電壓補(bǔ)償與電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)的電壓部分輸出結(jié)果Fig.13 Voltage partial output result with coordination of voltage compensation and current compensation

圖14 電壓補(bǔ)償后電壓THDFig.14 Total harmonic distortion rate of voltage after voltage compensation

4 結(jié)論

本文在Matlab平臺(tái)搭建了UPQC的仿真模型，分析了其主電路結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)剖析了不同控制策略的優(yōu)劣勢(shì)；結(jié)合UPQC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了同相位電壓補(bǔ)償與電流補(bǔ)償相協(xié)調(diào)的控制策略。仿真分析輸出電流部分的電流波形和THD指標(biāo)及電壓部分的電壓波形，可知所提出的控制策略能有效地進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制。