洪偉成 王燕 葉友泉 黃龍杰

摘要：為解決常規(guī)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）難以處理電壓暫降較深的問題，在常規(guī)UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入超級電容儲能系統(tǒng)（SCESS）。針對UPQC并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)的電能質(zhì)量補償需求提出了相應(yīng)控制策略;分析SCESS的主電路結(jié)構(gòu)和功能需求，確定SCESS的控制策略;針對電壓暫降時串聯(lián)側(cè)過電流問題提出UPQC協(xié)調(diào)控制策略。仿真驗證表明，本文中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略能夠達(dá)到電能質(zhì)量治理需求，實現(xiàn)各單元的協(xié)調(diào)控制。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器;超級電容儲能;電能質(zhì)量

引言

隨著更多的電力電子設(shè)備和非線性元件在電力系統(tǒng)中的大量使用，它們所產(chǎn)生電能質(zhì)量問題也日益嚴(yán)重[1]。網(wǎng)側(cè)電壓的電壓波動、三相電壓不平衡和短暫中斷會嚴(yán)重地影響生產(chǎn)設(shè)備的運行，造成重大的經(jīng)濟損失[2];網(wǎng)側(cè)諧波電流會導(dǎo)致高精度設(shè)備誤動作，電源使用率降低等問題，造成一定的經(jīng)濟損失。因此，如何確保負(fù)載電壓穩(wěn)定和電流的正弦化是目前最基本的兩個電能質(zhì)量問題。目前，工業(yè)上廣泛使用的解決電能質(zhì)量問題的電力電子設(shè)備主要包括無源LC濾波器、靜態(tài)無功補償發(fā)生器、有源電力濾波器和動態(tài)電壓恢復(fù)器[3-5]。但是，這些設(shè)備功能單一，僅適用于單一的電能質(zhì)量問題，無法完成對于電能質(zhì)量問題的綜合治理。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）相對于上述裝置功能豐富，性能優(yōu)越，能夠解決配電網(wǎng)的各類電能質(zhì)量問題[6-8]。

UPQC是將串聯(lián)電壓補償裝置和并聯(lián)電流補償裝置相結(jié)合，綜合了有源濾波器和動態(tài)電壓恢復(fù)裝置的功能，兼具了補償電壓跌落、治理三相電壓不對稱、補償非線性負(fù)載的不對稱和諧波問題等功能。但傳統(tǒng)不帶儲能裝置的UPQC在面對電壓暫降程度較深的事件是較為乏力，本文采用了基于超級電容儲能系統(tǒng)（Super Capacitors Energy Storage System，SCESS）的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運用超級電容的儲能支持實現(xiàn)了對于網(wǎng)側(cè)電壓瞬間中斷或深度跌落的問題的解決;基于瞬時無功理論提出了UPQC串并聯(lián)側(cè)的控制策略，實現(xiàn)了UPQC串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器以及SCESS單元三方的協(xié)調(diào)控制，全面治理了電能質(zhì)量問題。仿真研究驗證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式的可行性和準(zhǔn)確性，達(dá)到了全面綜合治理電能質(zhì)量的目的。

1基于SCESS的UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模型

1.1UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為本文基于SCESS的UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，主要包括了并聯(lián)側(cè)補償單元、串聯(lián)側(cè)補償單元和SCESS三個單元。并聯(lián)側(cè)補償單元由補償電感L2、濾波電容C2和并聯(lián)變流器組成，用于補償網(wǎng)側(cè)電流消除網(wǎng)側(cè)電流由于電力電子設(shè)備等因素產(chǎn)生的諧波電流，同時確保網(wǎng)側(cè)電流的單位功率因數(shù)。串聯(lián)側(cè)補償單元由補償電感L1、濾波電容C1、串聯(lián)變壓器Ts和串聯(lián)變流器組成，用于確保網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定和正弦。SCESS單元由超級電容和雙向DC/DC逆變器組成，用于調(diào)節(jié)功率維持變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，解決電壓深度跌落問題。

1.2SCESS模型

在對超級電容進(jìn)行模型分析時，可以將其視作理想電容器與等效電阻串聯(lián)。所以SCESS的等效電路如圖2所示。

圖中Csc為超級電容等效的理想電容器，Rsc為超級電容的等效串聯(lián)電阻。根據(jù)圖2的電路圖所示。其中，d為VT14的開關(guān)函數(shù)，i2d，i2q，d2d，d2q分別為d軸和q軸在交流側(cè)的輸出電流和等效的電流補償單元開關(guān)函數(shù)。

2基于SCESS的UPQC的控制策略

2.1串聯(lián)補償單元控制策略

圖3為串聯(lián)側(cè)控制算法框圖?？紤]到UPQC串聯(lián)側(cè)補償單元主要補償電壓暫降，對響應(yīng)速度要求較高，提出如圖3所示的電壓單環(huán)控制。采集網(wǎng)側(cè)電壓Vabc通過通過鎖相環(huán)得出電壓相角θ，通過dq旋轉(zhuǎn)變換變成相應(yīng)的d軸和q軸的量，將所求得的ud與給定的參考電壓Vdref作差后經(jīng)dq旋轉(zhuǎn)逆變換得出三相電壓的調(diào)整值Va*、Vb*、Vc*，再將調(diào)整值與當(dāng)前調(diào)整量Va、Vb、Vc作差后經(jīng)滯環(huán)控制輸出可以得到串聯(lián)補償單元的控制信號。

2.2并聯(lián)補償單元控制策略

圖4為并聯(lián)側(cè)控制算法框圖。UPQC并聯(lián)側(cè)補償單元主要補償連續(xù)型電流畸變，包括負(fù)序補償、無功補償和諧波補償，對于穩(wěn)態(tài)誤差要求較高，提出如圖4所示控制。采用基于瞬時無功功率理論dq0檢測算法實現(xiàn)負(fù)載電流的負(fù)序、無功和諧波補償。直流公共側(cè)電壓環(huán)采用PI控制實際值跟蹤期望值，采集負(fù)載電流ILa、ILb、ILc通過通過dq旋轉(zhuǎn)變換得出d軸量id，經(jīng)低通濾波器后進(jìn)行dq旋轉(zhuǎn)逆變換將產(chǎn)生正序基波電流分量ILa*、ILb*、ILc*，與負(fù)載電流作差得出補償電流值，經(jīng)滯環(huán)控制模塊可得出并聯(lián)補償單元控制信號。

2.3SCESS控制策略

SCESS模塊電路圖如圖2所示，主要有超級電容及雙向DC/DC變換器組成。超級電容作為儲能設(shè)備提供電壓深度暫降時所需的能量，DC/DC變流器實現(xiàn)輸出電壓的控制。DC/DC變流器有兩種工作模式，分別是功率流向相反的升壓模式和降壓模式。在升壓模式下，VT14和VD13導(dǎo)通，VT13關(guān)閉VT14以一定的開關(guān)頻率工作，功率從超級電容流向直流側(cè)。在降壓模式下，VT14保持關(guān)閉，而VT13一定的頻率工作，功率由直流側(cè)流向超級電容。

DC/DC變換器的工作模式主要取決于串聯(lián)補償單元的補償方式（即串聯(lián)補償單元的有功輸出）和電壓暫降程度，根據(jù)串聯(lián)側(cè)補償單元控制可以控制DC/DC的工作模式。在電壓暫降區(qū)間，直流側(cè)的功率波動較大，DC/DC變流器工作在升壓模式，通過電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)策略，實現(xiàn)對直流側(cè)的有功輸出，加強直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性。DC/DC變流器控制框圖如圖5所示。

圖中Udref為給定的直流側(cè)參考電壓，與DC/DC輸出電壓Ud構(gòu)成電壓外環(huán)控制，經(jīng)過PI控制得出超級電容輸出電流給定值Id*，采集超級電容輸出電流Id與Id*構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)控制，經(jīng)過PI控制后由PWM發(fā)生器生成DC/DC變流器的控制信號。

3仿真驗證

基于Matlab/Simulink工具箱根據(jù)圖1所示系統(tǒng)建立仿真測試，仿真參數(shù)如下所示：

電網(wǎng)電壓采用頻率為50Hz，正常相電壓有效值為220V的三相交流電壓。直流側(cè)額定電壓設(shè)定為600V，超級電容額定電壓設(shè)定為200V，初始電壓為200V。

圖7（a）為直流側(cè)濾波電容C兩端電壓波形，（b）為SCESS輸入電流波形。在0.1s時設(shè)置網(wǎng)側(cè)電壓跌落額定值的30%，0.4s時恢復(fù)為額定值。從圖中可以看出，直流側(cè)電壓基本維持在額定值附近;在開始時間段內(nèi)由于超級電容初始電壓設(shè)置為額定電壓，沒有進(jìn)行超級電容的充電，SCESS單元輸入電流為0，在0.1s時發(fā)生電壓暫降時，輸入電流為負(fù)，即代表超級電容對外輸出有功功率以維持直流側(cè)濾波電容兩端電壓穩(wěn)定，在0.4s之后，由于對外進(jìn)行功率輸出使得超級電容電壓下降，輸入電流為正對電容充電。圖8為超級電容兩端電壓，在電壓暫降區(qū)間對外進(jìn)行有功輸出Usc下降，0.4s后電壓暫降故障結(jié)束，由于Usc低于額定值，由電網(wǎng)側(cè)對其進(jìn)行充電。

圖9為暫降60%時直流側(cè)電壓波形，從圖中可以看出，對比暫降30%時的波形，在電壓暫降區(qū)間直流側(cè)電壓跌落幅度更大但跌落幅度也沒有超過直流側(cè)電壓額定值的1%，由此可見，即使在電壓深度跌落的情況下，SCESS模塊依然具有良好的維持直流側(cè)電壓能力。

圖10為UPQC串聯(lián)補償單元電壓暫降補償仿真波形，在0.1s～0.4s之間設(shè)置了三相電壓暫降60%的故障。圖中u1為串聯(lián)補償單元發(fā)出的補償電壓，u2為負(fù)載電壓（即檢測到電壓暫降補償后的電壓），u3為電網(wǎng)電壓。

串聯(lián)側(cè)暫降補償仿真主要驗證UPQC串聯(lián)側(cè)暫降補償功能和能力。從圖10中可以看出，串聯(lián)補償單元于0.1s時檢測到暫降60%并發(fā)出補償電壓降負(fù)載電壓補償至額定電壓值附近。由此可見，由于SCESS模塊的電壓支持使UPQC串聯(lián)側(cè)具有良好的電壓深度暫降補償能力。

4結(jié)論

針對傳統(tǒng)UPQC難以處理的電壓深度暫降電能質(zhì)量問題，在傳統(tǒng)UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入SCESS模塊，利用SCESS中的超級電容儲能進(jìn)行功率調(diào)節(jié)以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。針對串并聯(lián)側(cè)電能質(zhì)量補償需求提出了能夠?qū)崿F(xiàn)補償電壓、電流實時檢測和快速補償?shù)目刂撇呗?，并根?jù)功能需求提出了SCESS的控制策略，實現(xiàn)了UPQC各單元配合控制。通過仿真驗證了基于SCESS的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的正確、有效和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]張逸成，葉尚斌，張佳佳，等.電力電子設(shè)備傳導(dǎo)噪聲抑制措施研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報，2017（14）.

[2]溫和，金冉，蒙娟，等.電壓不平衡度的加窗FFT快速測量方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2017（16）.

[3]任永峰，云平平，薛宇，胡志帥，廉茂航.NSC改善DFIG電能質(zhì)量與故障穿越研究[J].中國電機工程學(xué)報，2018，38（17）：5052-5062+5302.

[4]P. Kanjiya， V. Khadkikar and H. H. Zeineldin， "Optimal Control of Shunt Active Power Filter to Meet IEEE Std. 519 Current Harmonic Constraints Under Nonideal Supply Condition，" in IEEE Transactions on Industrial Electronics， vol. 62， no. 2， pp. 724-734， Feb. 2015.

[5]Y. Prakash and S. Sankar， "Power quality improvement using DVR in power system，" 2014 POWER AND ENERGY SYSTEMS： TOWARDS SUSTAINABLE ENERGY， Bangalore， 2014， pp. 1-6.

[6]吳峰，鄭建勇，梅軍.多換流器式統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的多目標(biāo)控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2012，32（10）：88-93.

[7]張旭，楊學(xué)友，劉常杰.模型預(yù)測控制在統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（05）：35-40.

[8]V.Khadkikar， "Enhancing Electric Power Quality Using UPQC： A Comprehensive Overview，" in IEEE Transactions on Power Electronics， vol. 27， no. 5， pp. 2284-2297， May 2012.

作者簡介

洪偉成（1995—），男，漢，福建南安，學(xué)歷：碩士研究生，電能質(zhì)量治理，福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院;福建省泉州市。