不同補償策略下UPQC主電路參數確定方法

巫付專， 萬健如， 沈虹

(1.中原工學院電子信息學院，河南 鄭州 450007;2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072;3.燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

統一電能質量控制器集電壓型補償、電流型補償和儲能裝置于一體，能統一實現多重電能質量調節功能而備受關注。目前針對UPQC的研究主要集中于拓撲、建模、補償策略以及先進的控制算法等方面。例如文獻［1］研究了UPQC的控制方法，文獻［2］對直流側電壓控制建模進行了深入探討，文獻［3－5］則主要討論了電壓波動補償策略，文獻［6］對并聯型有源電力濾波器的故障仿真及過流保護進行分析，文獻［7－8］也僅限于研究了同相位補償策略下的能量傳遞過程，對于其他補償策略和主電路容量的確定沒有涉及，文獻［9］分析了采用最小能量法補償時的功率流動及主電路的容量選取原則，對電容的選取及什么情況下采用不同的補償策略沒有討論。

本文在分析統一UPQC的工作原理的基礎上，根據電網電壓、負載電壓和補償電壓相位的相互關系，分析了采用不同補償策略時其能量流動的關系。給出了采用不同補償策略時主電路容量的選取原則，同時針對不同負載選擇相應的控制策略提供了理論依據。結合能量流動關系和瞬時無功理論文提出了直流儲能電容值的計算方法。

1 不同補償策略的能量流動分析

當電源電壓發生波動時，UPQC檢測實際電源電壓與參考電壓之間的差值，通過串聯變壓器注入一個相應的補償電壓，以保持負載端電壓為標準的正弦電壓;同樣針對負載端，UPQC檢測出負載電流中含有的諧波、無功成份，通過并聯變流器注入與其相反的電流，從而保證電源電流為標準正弦波，抑制非線性負載產生畸變電流對電網的污染。串聯側由于采用的補償策略不同，其輸出的有功和無功分量將發生變化。對于給定的負載并聯側補償負載電流中諧波、無功分量，這兩部分所占的容量基本不變。而并聯側維持電壓恒定的有功分量由串聯側補償時引起。因此主要討論串聯側采用不同補償策略時UPQC能量的流動關系、主電路容量和電容的確定問題。至于串并側濾波電路及串聯側注入變壓器的設計與單獨使用的動態電壓恢復器(DVR)和有源電力濾波(APF)基本沒有區別，本文不做討論。UPQC拓撲結構如圖1所示。

圖1中，uS、uL分別表示電網與負載電壓;uC表示串聯側補償的電壓;iS、iL分別表示電網與負載電流;iP表示并聯變流器輸出電流。

圖1 UPQC主電路拓撲Fig.1 Main circuit topology for a UPQC

如果忽略開關管損耗，設串聯側變壓器為理想變壓器，并聯側對負載諧波、無功分量能進行完全補償，保證電源電流為純正弦，電網側功率因數為1，則UPQC串聯側可等效為一個可控電壓源，并聯側可等效為一個可控電流源，其單相等效電路如圖2所示，以下分析均以上述假設條件為前提。

圖2 UPQC單相等效電路圖Fig.2 Single-phase equivalent circuit for a UPQC

常見的電壓補償控制策略主要有:完全補償、同相位補償和最小能量補償。完全補償策略可使補償后的負載電壓完全恢復至變化前的值，無相角跳變，對于負載而言是最優的。但當驟降幅值或相角偏移過大時很難實現，經濟性較差。并且通常負荷都有一定的抗幅值和相位擾動的能力，沒有必要進行完全電壓補償。實際中很少采用［3］。故只對同相位補償和最小能量補償做重點討論。

1.1 同相位補償策略能量流動分析

同相位補償策略的補償電壓與電源電壓同相位，只進行幅值的補償，不補償相角變化。各相量關系如圖3所示。其優點在于實現簡單，補償速度快，可補償的電壓范圍最大，但無法控制輸出的有功，因此多用于對相位波動不敏感的負載。

圖3 同相位補償向量圖Fig.3 Vectogram of in-phase compensation

同相位補償策略的補償電壓始終與電源電壓同相位。根據圖3可得同相位補償策略的串、并聯側有功功率和無功功率為

式(1)和式(2)中絕對值符號的展開與電網電壓跌落還是上升的狀態有關。電網電壓發生跌落(US＜UL)時，UPQC并聯側吸收有功功率，通過中間直流環節傳遞給串聯側，負載所需的無功完全由并聯側提供。而電網電壓發生上升(US＞UL)時，則由UPQC串聯側吸收有功功率通過中間直流環節傳遞給并聯側。能量流通如圖4所示。

圖4 電網電壓波動時采用同相位補償的能量傳遞方向Fig.4 Energy flow direction with in-phase compensation when the power grid voltage fluctuations

1.2 最小能量補償流動分析

最小能量補償是從串聯變流器儲能的觀點來看，通過引入無功功率來實現補償。即采用與網側電壓有一個合適的相位超前的電壓注入可以減少有功交換。他通過使補償器提供的有功功率最小化來實現電網提供的有功功率最大化，使電網的功率因數增加，補償器的功率因數減小［3］。圖5為最小能量補償相量圖。網側電壓和串聯變流器的電壓注入極限共同決定了串聯變流器最小能量補償的運行點。當電網電壓波動范圍為US≤ULcosφ時，其補償相量圖如圖5(a)所示。當電網電壓波動范圍為ULcosφ＜US≤UL，其補償相量圖如圖5(b)所示。當電網電壓波動范圍為US≥UL時，其補償相量圖如圖5(c)所示。

(1)當 US≤ULcosφ，0≤δ≤φ，如圖 5(a)所示，在δ=φ時，計算PC值最小，即位于B點時為最小能量補償點。則

此時UPQC并聯側吸收有功功率通過中間直流環節傳遞給串聯側，由串聯側回饋電網。此時負載所需的無功功率由串聯側和并聯側共同提供。能量流動如圖6(a)所示。

(2)當 ULcosφ ＜US≤UL且 β=90°時，由計算PC值為零，最小能量補償點位于圖5(b)的C點。此時，δ=arccos，則

UPQC串聯與并聯側之間的有功流動為零，負載所需的無功功率由串聯側和并聯側共同提供。如圖6(b)所示。

(3)當 US＞UL，0≤δ≤φ，如圖5(c)在 δ=0 位于A點時計算PC值最小，即串聯側吸收有功最小。能量流動與電網電壓上升時同相位補償的情況相同，如圖4(b)所示。

圖5 最小能量補償向量圖Fig.5 Minimum energy compensation

圖6 電網電壓波動時采用最小能量補償的能量傳遞方向Fig.6 Energy flow direction with minimum energy compensation when the power grid voltage fluctuations

2 不同補償策略主電路容量計算

選擇系統具體參數為:工頻50 Hz，相電壓有效值UL=220 V，負載功率為6.8 kW，負載相電流基波有效值為 IL=10.5 A，cosφ=0.98，直流側電壓為900 V，開關管的工作頻率為12.8kHz，電網電壓波動率為30%。

2.1 串聯側容量計算

根據假設，電網發出的有功功率等于負載消耗有功功率，即

2.1.1 同相位補償時容量計算

由式(1)和式(2)分析可知，采用同相位補償時串聯側只提供有功功率，所以串聯側的單相容量

按提供的參數計算，串聯側提供的總容量為2.9 kVA。考慮補償器本身等的損耗取3 kVA。

2.1.2 最小能量補償時容量計算

(1)當US≤ULcosφ時，由式(3)可得串聯側單相電路容量［9］

(2)當ULcosφ＜US≤UL時，由式(5)得串聯側單相電路容量

(3)當Us≥ULcosδ時，串聯側單相電路容量

比較式(10)、式(11)和式(12)可知當 US≤ULcosφ時，串聯側所需容量最大。因此串聯側電路容量按式(10)情況下的公式計算，求得容量為3.33 kVA，考慮補償器本身等的損耗取3.5 kVA。

從上面分析計算可知，采用同相位補償時其串聯側所需的容量比采用最小能量補償時小。但同相位補償策略不能補償相位的跳變，因此可根據需要負載的要求進行合理的選取。

2.2 并聯側容量的計算

UPQC并聯側除具有補償諧波、無功分量和維持直流電壓值恒定的作用外。還具有當電網電壓突變時，傳遞串聯側補償所需有功能量的作用。對并聯側而言，他是一個含有有功、無功和諧波的設備，其電流為非正弦。因此，UPQC并聯側電路的能量關系為

式中:SP為并聯側電路容量;PP為并聯側基波有功功率;QP為并聯側基波無功功率;D為諧波電流產生的無功功率。具體計算參見文獻［9］。

3 直流電容的確定

為了保證UPQC有良好的電壓、電流補償性能，必須將UPQC直流側電容的電壓控制為一個適當的穩定的值。為了減小直流側電容電壓的波動，直流側電容必須有一定的容量要求。當直流側電壓一定時，電容值越大，越有利于電容電壓的穩定。增加電容將會導致體積增大、成本增高。對于交流側由瞬時無功理論可知［10］:

式中:pa、pb、pc和 qa、qb、qc分別為 a、b、c 相瞬時有功功率和瞬時無功功率;p為三相總瞬時有功功率。式(14)中三相總的瞬時無功功率為零，這表明交、直流側沒有無功交換，其交換只是在三相之間進行。當串聯側對電壓進行補償時，根據其能量流動關系，其有功功率將通過UPQC中間直流儲能環節進行傳遞，從而引起直流電壓波動。

假設電源電壓無畸變，且并聯側三相電流為

由瞬時無功理論可知，并聯側的瞬時有功功率和瞬時無功率為

式中，U1為電網電壓有效值。并聯側的交直流能量交換是由瞬時有功功率引起，從上式可以看出在忽略變流器等損耗的前提下，電網電壓沒有變化時，其基波有功分量(對應能量流動分析中PP)為零。串、并聯側沒有能量流動，此時直流電容電壓波動主要是由瞬時有功的交流分量引起。其交流分量為～p(對應并聯側容量確定中的D，即諧波產生的無功率)，則

當負載為三相橋式全控整流器，5次諧波引起的波動最為明顯。忽略其他高次可得

設允許的電壓波動為ΔUdc，則可利用

確定電容的C值。但電網電壓發生變化時串、并聯側將有能量流動。根據1節的分析，流動能量的大小除了和電網電壓變化有關外，還和補償策略有關。流動能量將決定直流電壓的波動值，即

式中，T表示波動時間，他和系統參數以及控制策略等有關，要示具體情況而定。當采用不同的直流電壓控制方法時，由式(20)計算的電容值應做相應的調整。

依據系統的參數及控制方法，結合仿真結果T取20ms，若允許直流電壓波動為2%。按最小能量補償策略式(3)計算PC為2.7 kW。代入式(20)計算電容為3300μF。如采用同相位補償方法時，PC的計算需采用式(9)計算，計算得電容值為3545μF。從上面分析可知采用同相位補償時電路容量較小(本文例為2.9 kVA)電容值較大。而采用最小能量法補償策略因為含有無功分量，主電路容量較大(本文例為3.5 kVA)，但所需電容較小。考慮到串聯側進行電壓補償時也會產生瞬時有功交流分量和忽略的其他高次有功分量的影響，對式(20)計算的結果要適當修正。對本文例的計算由于兩種補償策略計算的電容值差別不大，實際值都取為4700μF。

4 實驗驗證

為驗證能量流動分析及容量、電容值計算的正確性，依據本文的分析及計算結果對主電路進行選型設計，并構造實驗樣機，經長時間試驗驗證，該樣機性能穩定。

UPQC補償前三相負載電壓及電網電流波形如圖7所示。其中圖7(a)為電網電壓跌落前，三相負載電壓波形，橫坐標單位為10ms/格，縱坐標單位為500 V/格。圖7(b)為含有諧波及無功成分的三相電源電流，橫坐標單位為10ms/格，縱坐標單位為20 A/格。

UPQC補償前負載電壓與電網電流測量結果如圖8所示。

UPQC補償后三相負載電壓及電網電流波形如圖9所示。橫縱坐標單位同圖7。

圖7 補償前負載電壓及電網電流波形Fig.7 Waveform of load voltage and source current without compensation

圖8 三相負載電壓與電源電流測量結果Fig.8 Measurement result of three-phase load voltage and source current without compensation

圖9 補償后負載電壓及電網電流波形Fig.9 Waveform of load voltage and source current with compensation

UPQC補償后負載電壓與電網電流測量結果如圖10所示。

圖10 補償后負載電壓與電網電流測量結果Fig.10 Measurement result of three-phase load voltage and source current with compensation

從實驗波形及測量結果可看出，按分析設計原則構造UPQC的樣機，負載電壓并沒有由于電網電壓的跌落受到影響，依舊保持跌落前幅值。電網電流的 THD值也從25.1%，25.8%，26.6%下降到4.2%，4.8%，5.2%。并能在電壓多次跌落的情況下長期穩定工作。實驗結果證明:串、并聯側功率流動分析、主電路容量選取原則和電容值的計算方法是正確可行的。

5 結語

首先從UPQC的工作原理出發，以最常用左串——右并結構為例，從基波相量圖入手，對其不同控制策略的能量流動關系進行了分析;依據不同控制策略的能量流動關系，確定了主電路容量的選取原則，并分析了UPQC中間儲能環節電容電壓波動的原因，提出了電容值得計算方法;對不同補償策略的容量和電容計算進行了對比;為主電路器件的選取提供了理論依據;以全控橋非線性負載為例對電路的參數進行了具體計算;最后通過實驗驗證了設計的正確性，本文為UPQC主電路的設計提供理論依據避免了設計的盲目性與隨意性。

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