基于電子電力變壓器的配電系統電能質量控制

夏磊　周章斌　王軍　曹濤　羅娟

摘 要：本文在分析電能質量控制方式的基礎上，建構電子電力變壓器數學模型，將電子電力變壓器控制成電流源，將輸出側定義為電壓源。從而利用電子電力變壓器調控配電系統電能質量。

關鍵詞：電子電力變壓器；電能質量；電壓源

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A

通觀國內外對電能質量的研究可以發現，當前對于電能質量學術界尚未形成統一定論。多數學者認為，電能質量不佳能夠引起用戶電力設備無法正常工作的電流、電壓與頻率偏差，容易導致用電設備故障或其他電力問題，影響用戶正常用電，影響電力系統正常運轉。伴隨著科學技術與電力電子技術的飛速發展，各類精密復雜用電設備普及開來，人們對電能質量有著越來越高的要求，配電系統電能質量成為研究熱點。用戶電力技術（DFACTS技術）作為FACTS的重要分支成為電力系統研究的重要內容。

1.用戶電力技術（DFACTS技術）分類

DFACTS主要分為：（1）以VSC為基礎的有源電力濾波器、配電系統靜止同步補償器、動態電壓恢復器、統一電能質量調節器；（2）以非VSC為基礎的，靜止無功補償器、固態切換開關。有源電力濾波器可分為兩種：串聯、并聯，用以補償諧波；動態電壓恢復器屬于串聯型調節器，以降低補償電壓；配電系統靜止同步補償器屬于并聯型調節器，以補償目標結點電壓。以上調節器均是一脈沖寬度調制技術控制為基礎的電壓源變換器，不同之處僅在于控制目標的差異，因此為功能不同的裝置。統一電能質量調節器屬于集并聯、串聯于一體的復合型電能質量控制器。統一電能質量調節器屬于串聯與并聯集成的電能質量調節器，集兩種調節器的優勢與一體。是利用直流環節耦合起的電能質量調節器，用以補償電壓、諧波、無功功率，不僅能優化供電質量，更能減小進入公共電網的諧波。

2.電子電力變壓器系統

電子電力變壓器在輸入、輸出上包含VSC環節，近似于DFACTS裝置。不僅可發揮電力變壓器的變壓、隔離功能，還可控制電能質量。因此，電子電力變壓系統應用于配電系統后，能借助其發揮電能質量調節功能，無須增添其他的電能質量調節裝置。同時，借助電子電力變壓系統控制電能質量，無須對波形畸變成分進行準確分離，僅參考標準值波形即可。電子電力變壓器配電系統接線圖，如圖1所示。

從圖1看來，電子電力變壓器要實現以下功能：（1）實現配電變壓器的隔離、變壓功能；（2）實現電能質量控制功能；（3）高頻變壓器主要用以實現隔離、變壓，電能質量控制與電子電力變壓器輸入側、輸出側緊密相關、協調進行。

就電網側來說，為弱化外來諧波，減少無用傳輸，系統負載最好是線性的阻性負載。電子電力變壓器配電系統應在電流源模式進行系統側工作，到達系統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電壓相位，從而達到單位功率因數運行。就用戶側來說，則需要系統穩定輸出理想的電壓源。對此，電子電力系統負荷側最好在電壓源模式下工作，為負荷提供三相對稱、波形正弦電壓、幅值恒定。由此得出等效電路圖，如圖2所示。

從電網來看，電子電力變壓器在電流源狀態下工作，可隔離阻止諧波和無功向電網內注入；從用戶側來看，電子電力變壓器在電壓源狀態工作，可以避免系統發生波形畸變以及影響負載，此類工作模式有以下優點：

（1）無須電網電壓擾動進行檢測，也不必對負荷的諧波進行檢測；

（2）對于進入電網的電流可直接控制，并且可向電網提供無功；

（3）對于負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，配電系統電子電力變壓器，為適應單相負荷需要，需相應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）副方聯結成YN形式；（2）三相四橋臂逆變器，一個橋臂為中點：（3）三個單相逆變器，按YN聯結。方式（1）須附加工頻變壓器，開關（2）開關器件少，但難以控制，方式（3）可靈活控制、操作簡單，可實現三相獨立控制，此結構為并聯多重化，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，還要減少輸入側電流，降低諧波污染。

輸入側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。為完成以上功能，輸入級高頻整流要使用雙環控制，分別為直流電壓外環、交流電壓外環。電流控制環可顯示于a、b、c相靜止坐標系中，但為強化電子電力變壓器動、靜態響應，應在同步旋轉d、p坐標系中則可更好的控制輸入級電流環。d、p坐標中亦能對有功、無功進行解耦控制。圖3為輸入級數學模型。

從圖3看出，輸入級所形成的是一個相當復雜的非線性耦合關系。對此，為使性能充分發揮，應在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。

輸入級雙環解耦控制策略外環為直流電壓環，內環為交流輸入電流環。將直流電壓與參考值進行比較，而后形成偏差，而后通過控制器調節，以此為d軸電流參考值id，q軸電流為iq，人為設定功率因數。內環中，三相輸入電流通過變換坐標，變換坐標id、iq與參考值進行比較，從而得出電流偏差量，通過調節控制器，得到參考波信號。

3.2 中間隔離級控制

中間隔離級應將輸入級直流轉換為高頻方波信號，經過耦合，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，在原方系統和副方系統之間實現隔離；其二，電壓等級變換。

有學者提出對于電子電力變壓器的中間隔離級進行占空比控制，這樣增添了控制系統的復雜性，同時帶來不必要的諧波。所以，本文研究以開環控制將使直流調控至占空比為50%的高頻方波，耦合至高頻變壓器的3個繞組后再進行整流并還原成直流。此類控制方式控制系統簡單，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載或不對稱復雜條件下都可實現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個單相逆變器構成三相四線逆變器，因此為三相獨立控制，任一相負載不會影響其他相。三相獨立控制基礎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。逆變器開關頻率超過調制波的頻率時，將其視為一個比例環節。

當配電系統負荷側是無源系統時，那么輸出級可以瞬時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，其中外環是相電壓有效值控制環，內環是相電壓瞬時值控制環。電子電力變壓器輸出級的控制為相電壓有效值外環，是確保輸出電壓有效值的穩定，使負載發生變化，或系統被干擾時，電壓有效值恒定。

結語

配電系統中電力質量問題是重要問題，近年來涌現的非線性符合、沖擊性符合與波動性符合，嚴重影響了供電品質。電子電力變壓器在電力系統中的應用，為解決配電系統電能質量問題提供了全新的方案。電子電力變壓器可將電力系統網側控制為電流源，用戶側控制為電壓源，同時有效防止電壓的閃變、波動、跌落等問題，有效控制電能質量。

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