通用电能质量控制器的原理及应用

通用电能质量控制器的原理及应用

1研究方兴未艾在电网中，变流器、频速器、电弧炉、电气机车和其他能源设备的广泛应用对经济效益具有很好的影响。此外，负载性非线性、冲击性和不平衡的能源特性也导致不同的干扰成分的增加，这使得电网的能耗（pq）日益严重，并对传输、输送、配电、能源等装置和设备造成不同程度的影响和损害。与此同时,随着生产和生活水平的不断提高,电力用户对PQ和可靠性也提出了更高要求,供电技术已从数量阶段向质量阶段转换,PQ的好坏直接关系到国计民生的总体效益,引起了广泛关注。近年来,如何提高PQ已经成为一个研究热点,一些专业人士提出很多改善方法和技术。比较有影响的是用户电力(CustomPower)的PQ控制技术新概念,它是将计算机技术、现代控制理论和现代电力电子技术等用于配电系统,并与配电系统的自动化技术相结合,为各种不同用户提供相应供电质量的电能,使电网成为实时可控的柔性化配电系统,是现代科技和电力市场发展的必然结果,代表下一代配电系统的发展方向。目前用PQ控制技术对各种电力电子设备的研究方兴未艾,正在研制或部分投入使用的典型设备有固态断路器(SSCB)、静止无功补偿器(SVC)、配电系统用静止同步补偿(D-Statcom)、动态电压恢复器(DVR)和有源电力滤波器(APF)等。更新的有通用电能质量控制器(UniversalPowerQualityController,UPQC),它是20世纪90年代后期提出的基于PQ控制技术的一种装置,相比较而言,其改善电网PQ的综合性能更优,值得就其一些相关问题开展研究。2基于upqc的负载侧无pq补偿联结在电网和低压配电系统公共连接点(PCC)之间的UPQC系统联结如图1所示。它有两个变流器,分别构成串联控制器(SC)和并联控制器(PC),有时也称为串联APF和并联APF。与电网联结时,UPQC通常有两种系统联结方式,即图1(a)所示的第一种和图1(b)所示的第二种方式。无论哪种方式,SC都是通过变压器串联接入电网,而PC都是直接并联接入电网,分别承担不同的补偿任务。两个变流器共用一个直流储能环节,通常是一个直流侧电容。这种基于双变流器结构的UPQC与统一潮流控制器的系统结构类似,可以控制低压配电系统的PQ。电网侧的PQ问题一般主要源自电压谐波和电压幅度的扰动,包括稳态幅度不稳和瞬态幅度短时跌落或上升、电压短时中断,而负载侧PQ问题主要源自电流扰动,包括谐波和无功电流。UPQC联结到电网时的一相等效电路如图2所示。两种方式均能采用如下的补偿策略式中Δu为要补偿的电压分量,除谐波正、负序(含基波负序)分量外,它还可包括零序和电压幅度扰动等分量;Δi为要补偿的电流分量,除谐波正、负序(含基波负序)和(基波正序)无功分量外,它还可包括零序分量;Ucref为设定的直流侧(电容)电压;UC为当前检测的直流侧电压。如果UPQC的SC和PC分别能按式(1)产生补偿电压和电流,则无论哪种方式,补偿后电网都只输出(基波正序)有功电流,负载端电压将满足PQ标准。根据检测得到的电网电压的谐波正、负序电压补偿指令,SC被等效控制为电压控制电压源,对电网电压进行补偿,其作用类似于串联型APF或DVR;而根据检测得到的负载谐波正、负序和无功电流补偿指令,PC可等效控制为电流控制电流源,向电网注入与负载谐波正、负序及无功和零序电流大小相等、方向相反的电流,对负载电流进行补偿,使电网只输出有功电流,其作用类似于并联型APF。UC的稳定,可通过控制PC从电网吸收或释放的有功电流来维持。UPQC能用于单相、三相三线制或三相四线制系统中,可联结在指定负载或配电系统PCC上。与PQ控制技术的其它设备相比,UPQC主电路结构较复杂、检测和处理的信号多、控制技术要求也高,但它不仅能提高电网供电电压质量,还能消除负载产生的各种PQ问题对电网的扰动和损害。3基于充放电保护电压中u和cu假设UPQC系统中电网、PC、SC或负载等任一部分的端口瞬时电压分别为ua、ub、uc,端口瞬时输入电流分别为ia、ib、ic。根据瞬时无功理论[4,14-15],有式中C32是从三相到两相的坐标变换阵。UPQC系统中任一部分吸收的瞬时有功p和无功q为式中瞬时功率的两种表示式等价,可视三相电路电压和电流的具体形式灵活选择。实际应用中,常把式(3)中的功率分量分解为直流(dc)分量和脉动或交流(ac)分量两部分。其中,dc分量对应基波正序分量,ac分量对应谐波正、负序和零序分量等。由三相电路对称分量法得电网(电源)电压为.式中U+k和U-k分别为谐波正、负序分量(k=1时为基波分量)的有效值;φ+k和φ-k分别为它们的初相。利用式(2)把电网电压转换为两相电压,得式中I+k和I-k分别表示谐波正、负序分量(k=1时为基波分量)的有效值;θ+k和θ-k分别表示它们的初相。通过式(2)把负载电流转换为两相电流,得PC补偿负载时应产生的谐波正、负序和无功电流分别为PC补偿负载后,电网只输出与其电压基波分量同相的基波正序有功电流,即UPQC工作时,PC除要补偿负载的谐波正、负序和无功电流外,要从电网吸收与其电压基波分量同相的基波有功电流,以维持Uc的恒定。所以,在基于瞬时无功理论的谐波和无功电流运算原理图中,要加入一个控制UC的调节器。让其按偏差比例控制,比例系数为kp,则其输出为(Ucref-Uc),从而维持Uc恒定而输出到PC的有功电流是式中C23为从两相到三相的坐标变换阵;为反变换阵。由式(10)和(11)可知,PC补偿负载后,电网输出的有功电流总和应为用式(2)把它转换为两相电流为根据式(6)和式(12),PC补偿的电流为通过式(2)把该三相电流变换为两相电流,得SC产生的补偿电压应为式中第一项ΔU为补偿电网电压跌落或上升的分量。通过式(2)将式(16)变换为此时,对应补偿后的负载电压(电网输出电压)只含基波正序分量,即式中U为公共连接点处满足PQ标准的电压有效值,它等于基波正序电压U+1。用式(2)可将式(18)变换为4功率分析4.1基波正序无功cs从图1所示UPQC系统结构发现,无论是哪种系统联结方式,在PC补偿负载产生的谐波正、负序和无功电流后,电网都只输出基波正序有功电流,因此只要将式(5)和式(13)代入式(3)中就能得到电网输出的瞬时有功ps和无功qs。其中dc分量和分为两项,即式中为直接提供给负载的功率;为PC吸收的维持UC恒定的功率。而ac分量为显然,假设维持UC恒定的调节系数kp相同,则两种方式下电网输出的ac功率分量相同,均由电网电压的谐波正、负序分量产生。4.2负载吸收功能模块无论何种联结方式,在SC补偿电网产生的谐波正、负序电压后,负载端电压是满足PQ标准的基波电压。因此,两种方式下负载从电网吸收的功率分量相同。将式(7)和式(19)代入式(3),就能得到负载吸收的瞬时有功p1和无功q1。其中,dc分量为式中为负载吸收的有功分量。可见,考虑到在UPQC作用下负载端电压是满足PQ标准的U+1,无论哪种联结方式,就等于电网供给负载的功率dc分量。而ac分量为可见,两种方式下负载从电网吸收的功率ac分量相同,均由负载谐波正、负序电流产生。4.3u3000方法学法分析在PC对负载电流的补偿作用下,第一种方式中只有电网提供的有功电流通过SC,因此将式(13)和式(17)代入式(3),就能获得SC吸收的瞬时有功pu和无功qu。其中dc分量以及ac分量和均可分为两部分。dc分量的两部分分别为式中分别为负载从电网吸收的有功电流产生的、补偿电网电压跌落或上升而维持负载为额定电压U的有功分量和维持Uc恒定的有功分量。ac分量的两部分分别为式中为负载从电网吸收的有功电流产生的功率脉动分量;为维持UC恒定所吸收电网的有功电流产生的功率脉动分量。在第二种方式中,除负载从电网吸收的基波有功电流外还有谐波和无功电流通过SC,因此将式(7)和式(17)代入式(3),就得到SC吸收的瞬时有功pu和无功qu。其中,dc分量分为两部分,ac分量分为四部分。dc分量的两部分,分别为式中分别为负载从电网吸收的有功电流产生的补偿电网电压跌落或上升而维持负载为额定电压U的有功和无功分量;Pu2和qu2为同频率谐波正序电压和电流及同频率谐波负序电压和电流相互作用产生的有功和无功分量。ac分量的四部分分别为式中为负载从电网吸收的有功电流分量产生的功率脉动分量;为谐波正、负序电压分量与不同频率的谐波正、负序电流(但不包括基波负序电流)分量作用产生的功率脉动分量;为无功电流分量与谐波正、负序电压分量作用产生的功率脉动分量;为由补偿电网电压跌落或上升的基波电压ΔU与谐波正、负序电流分量作用产生的功率脉动分量。4.4无功电流和谐波正、负序电流ac分量的u和n在SC对电网电源的补偿作用下,第一种方式中PC的端电压与负载端电压一样,都是满足PQ标准的基波正序电压。因此,只要将式(15)和式(19)代入式(3),既可得到PC吸收的瞬时有功功率pi和无功功率qi。其中直流分量pi和qi可分为两部分,分别为式中为电网额定电压U和PC输出的无功电流作用产生的无功,它补偿负载的无功;为由吸收的有功电流所产生的有功,它维持UC恒定。ac分量为式中为由U与PC吸收的谐波正、负序电流作用产生的功率脉动分量,对负载进行补偿。由于先直接并联到电网侧,第二种方式PC的端电压为电网输出电压,因此将式(5)和(15)代入式(3),可得PC吸收的瞬时有功pi和无功qi。其中dc分量的三部分分别为式中为由电网电压U+1和吸收的无功电流作用产生的无功;为由U+1与吸收的有功电流所产生的有功,它维持Uc恒定;为同频率谐波正序电压和电流以及同频率谐波负序电压和电流作用产生的功率分量,它们与一起补偿负载的无功和谐波正、负序分量。ac分量的四部分分别为式中对应U+1与谐波正、负序电流产生的功率分量;为谐波正、负序电压分量与不同频率的谐波正、负序电流(不包括基波负序电流)分量作用后产生的功率分量;为无功电流分量与谐波正、负序电压分量作用产生的功率分量;为从电网吸收的、用来维持UC恒定的有功电流分量与谐波正、负序电压分量作用产生的功率分量。5upqc的特性在相同的电网和负载条件下,针对UPQC的两种系统联结方式及其工作原理,分析了电网输出及PC、SC和负载吸收的瞬时有功和无功及其构成。结果表明:(1)第一种方式PC吸收的、维持UC恒定的电网有功电流要通过SC,但第二种方式却不通过SC。(2)UPQC工作时,两种方式电网输出及负载吸收的瞬时功率相同。在第一种方式,通过SC的电流是基波正序有功电流,加在PC的电压是满足PQ标准的基波正序电压,而在第二种方式通过SC的电流是负载电流(非正弦电流),加在P