电能变换与控制（修订版）课件 8-5UPQC

8.5统一电能质量调节器UPQC本章前4节主要介绍了无功静止无功发生器（SVG），有源电力滤波（APF）和动态电压恢复器（DVR）。它们只能解决单一的电能质量问题。随着电网用户的多样化发展，多种电能质量问题会同时出现在同一供电系统中，这时电压波动、谐波电流和无功补偿等问题都需要解决。若针对每种电能质量问题都采用相应单一的调节装置，不但会增加治理成本，还会增加设备运行维护的难度。日本学者赤木泰文在1996年首次提出了统一电能质量调节器(UPQC)的概念。在这种系统中，一对“背对背”的变流器通过公共的直流母线连到一起，它既可补偿电源电压骤升、骤降、不对称、闪变和波动等，又可补偿无功和谐波电流。统一电能质量调节器(UPQC)是一种具有综合功能的电能质量调节器，目前国内在该方面的研究也取得了一定的成果。本节主要介绍统一电能质量调节器(UPQC)工作原理、拓扑结构、检测算法、控制策略和主电参数的确定等。8.5统一电能质量调节器UPQC8.5.1统一电能质量调节器的工作原理8.5.2统一电能质量调节器系统组成8.5.3统一电能质量调节器的控制策略8.5.4统一电能质量调节器仿真分析8.5.1统一电能质量调节器的工作原理

1．UPQC的拓扑结构2．UPQC工作原理3．统一电能质量调节器检测算法1．UPQC的拓扑结构统一电能质量调节器UPQC拓扑结构有很多种，本节主要介绍两种常用的结构拓扑，即“左串右并型”和“左并右串型”。(1)左串右并型

拓扑结构由一对“背对背”的变流器、中间直流储能环节、补偿变压器和输出电感组成。并联侧变流器连接于负荷侧，用于完成谐波电流和无功电流的补偿，同时保证两个变流器之间的直流电压稳定；串联侧变流器通过补偿变压器接在系统一侧，完成对电压质量问题的调节，如补偿电压跌落和不对称等。(2)左并右串型

该拓扑结构和左串右并同样由一对“背对背”的变流器、中间直流储能环节、输出变压器和输出电感组成。不同的是其并联侧变流器连接于系统侧，仅用于完成两个变流器之间的直流电压稳定。串联侧变流器通过补偿变压器接在负荷一侧，完成对电压质量问题的调节。此外，在负荷侧还并接一个LC无源滤波器，滤除固定次数谐波。这种拓扑结构所需的并联变流器的容量较小。

由于UPQC串并联变流器安装位置的不同，对其容量的要求也不一样。第二种拓扑结构虽然对并联侧的变流器的容量要求较低，但是对谐波电流的补偿效果并不理想。左串右并型由于并联变流器处于串联变流器下游，电压问题已经得到串联变流器补偿，不会干扰并联变流器的工作；同时，由于并联变流器对谐波及无功电流的补偿，经过串联变流器的电流得以减小，从而适度的减小了串联变流器的容量。所以目前UPQC电路大多数采用左串右并结构，该结构又可分为，单相、三相三线制和三相四线制等主要类型。1）单相统一电能质量调节器

统一电能质量调节器是由两个双向H桥变流器通过直流电容连接到公共直流母线构成，如图所示。串联变流器通过L1、C1组成的低通滤波器和补偿变压器串联到系统侧线路上。并联变流器通过连接电感L2、C2连到负荷侧线路上。L1、C1

组成的低通滤波器用于消除串联侧高次谐波，L2

、C2组成的低通滤波器用于消除并联侧高次谐波2）三相三线制统一电能质量调节器三相三线制统一电能质量调节器是通过两个背对背三相变流器和中间直流储能环节等构成。并联侧变流器通过电感L2a、L2b、L2c连到负载侧交流线路上，用于补偿谐波和无功电流。L1x

、C1x

(x=a,b,c)和L2x、C2x

(x=a,b,c)组成的低通滤波器用于消除两个背对背变流器输出的高次谐波。串联侧变流器补偿变压器输出补偿电压解决电网中电压质量问题，补偿变压器可以是三相变压器也可以用三个单相变压器组成3）三相四线制统一电能质量调节器

三相四线制电能质量调节器适用于三相四线制供电系统中。串联侧补偿变压器采用星连接法。将三相四线制中的中线与直流侧电压中点相连，为不平衡电压补偿时提供零序电流的通路，直流侧中点为两个电容串联的节点。为了补偿不对称分量变流器有时也采用三个H桥组成或四桥臂组成的电路拓扑结构等。2．UPQC工作原理

串联侧用于补偿电压，其输出的电压大小由电网电压控制，其实质为一个受控电压源；而并联侧输出电流，其主要由三部分组成，即负载谐波电流、负载无功电流和维持直流电压稳定的有功电流，其实质为一个受控电流源。补偿过程为当电网电压波动时，UPQC控制部分将检测到的实际电网电压与负载要求电压进行比较，根据采用的控制补偿策略使UPQC的串联侧输出相应的补偿电压，以保持负载端电压满足要求；同样并联侧以负载电流中的谐波电流、无功电流分量以及通过直流检测电路检测到的有功电流分量作为指令电流，通过该指令电流控制并联侧变流器。3．统一电能质量调节器检测算法

由于UPQC要实时的补偿电流和电压，解决电能存在的质量问题，其对谐波电流、无功电流及电压跌落等信号检测的准确性、实时性及相移是否准确关系到UPQC能否可靠高效的工作。目前周期信号检测的方法主要有基于有效值定义的均方根法，基于整流的交/直流变换法，傅里叶级数法和基于坐标变换法等，鉴于UPQC对信号实时性的要求。串、并联侧信号的检测选用基于坐标变换法，其串联侧具体实现同8.3节，并联侧的实现同8.2节的内容，本节不再赘述。8.5.2统一电能质量调节器系统组成

除选择合适的检测和控制算法外，硬件电路的科学合理设计也影响着UPQC的补偿性能。UPQC装置中主要包括数据采集、补偿量检测、计算、输出等环节，系统电路的总体结构图如图所示。检测调理等电路的设计请参阅第7章的内容。8.5.3统一电能质量调节器的控制策略1．不同补偿策略的能量流动分析2．最优补偿角的确定3．补偿电压的计算4．直流侧稳压控制策略5．输出PWM控制方法1．不同补偿策略的能量流动分析

采用左串右并UPQC主电路拓扑，为了分析方便假设补偿变压器为理想变压器，忽略开关管功率损耗，并联侧对负载谐波电流、无功电流分量能进行完全补偿，保证电网电流为纯正弦且电网侧功率因数为1，则UPQC串联侧可等效为一个受电网电压控制的电压源，并联侧可等效为一个受负载谐波、无功电流控制的可控电流源，其单相等效电路原理图和单相基波相量图如图所示。

根据UPQC直流侧提供补偿能量及负载电压补偿前后的相位不同可将电压补偿控制策略分为：完全补偿、同相位补偿和最小能量补偿。(1)基于同相位补偿策略的能量流动分析

同相位补偿策略指的是补偿电压的相位与电网波动后的电压同相，即只对波动的幅值进行补偿，而不考虑相位的变化。它们相量关系如图所示。其优点是运算简单，补偿迅速，可补偿的范围最大，但无法控制有功功率的输出，不能补偿相位的变化，因此该控制策略多用于对相位变化要求不敏感的场合

同相位补偿策略的要求是输出的补偿电压始终与电网电压同相位

当电网电压发生跌落时，UPQC并联侧吸收的有功功率，并通过中间直流储能环节传递给串联侧，而负载所需的无功功率始终由并联侧提供。能量传递方向如图所示。当电网电压发生凸升时，则由UPQC串联侧吸收有功功率，通过中间直流储能环节传递给并联侧，有功功率从的传递与电网电压跌落时正好相反。(a)电网电压跌落(b)电网电压凸升(2)基于最小能量补偿策略的能量流动分析

最小能量补偿策略要求串联变流器不但能提供有功功率，同时也要提供无功功率。即提供的补偿电压比电网侧电压有一个合适的相位超前角，从而减少有功交换。它通过使补偿器提供的有功功率最小化来实现电网提供的有功功率最大化，使电网的功率因数增加，补偿器的功率因数减小。Us≤ULcosUPQC并联侧吸收的有功功率通过中间直流储能环节传递给串联侧，经串联侧回馈给电网。此时负荷所需要的无功功率则由串联侧和并联侧共同提供。当Us≤ULcosφ，0≤δ≤φ，在δ=φ时，运行在B点Pc值最小，即B点为最小能量补偿点。UPQC串联与并联侧之间没有有功流动，负荷所需的无功功率由串联侧和并联侧共同提供2)当ULcosφ<Us≤UL且β=90o时，C点为最小能量补偿运行点。此时，Pc值为零，δ=arccos(Us/UL)，有UPQC串联侧吸收有功通过中间直流环节传递给并联侧。并联侧向负载侧同时提供无功3)当Us>UL，0≤δ≤φ，如图8-86(c)在δ=0最小能量补偿位于A点，此时时Pc值最小，即串联侧吸收有功功率最小。由下式可计算出基于最小能量补偿策略的串联侧有功功率Pc和无功功率Qc：2．最优补偿角的确定

同相位补偿和最小能量补偿各有特点，最小能量补偿能将提供的有功功率最小化来实现电网提供的有功功率最大化，但是由于增加了无功电流使设备的总容量变大，对于UPQC经济指标影响较大。所以本小节讨论总容量最小的控制策略。d为电网电压的波动率串联变流器补偿电压的表达式为并联侧无功基波电流的表达式为则串联侧需要容量为并联侧基波的能量关系为在考虑电流为非正弦情况下不同频率的正弦电压与电流之间的能量关系时，并联侧容量可表示为公共电网中一般电压畸变很小，在此作为纯正弦处理，设电源电压的有效值为U，而负载电流畸变则可能很大，则有由此可得到UPQC主电路总容量为

可见UPQC的总容量为d，φ，β的函数，可表示为S=f(d,φ,β)。cosφ为负载基波的功率因数，针对不同的负荷和电网的波动，只要选择合适的β角就可以使主电路总容量达到最小。上述方程直接求解比较困难，我们采用计算机进行辅助求解。根据不同的负载的因数cosφ和不同的电网波动率d建立一个二维表，利用查表的方法求取β角，采用这种处理方法可以提高程序的运行速度。对于本样机系统，最大电压跌落设定为额定电压的30%，负荷功率因数的角度变化范围为0到60°。按每1%的跌落和1o位移功率因数的角度构成一个30x60二维查询表来确定总容量最小时的最优角β。3．补偿电压的计算

若电网电压波动且带有相位跳变时，可采用瞬时无功理论求取的电网电压初始相位和跳变角，依据上述UPQC总容量最小原则的控制策略确定最优补偿角，根据最终确定的补偿电压的目标函数，对电网的电压波动做出相应的补偿。(1)补偿电压值和相位的计算经过dq坐标变换后，三相电网电压除基波正序分量其它仍为交流量，可以通过巴特沃斯低通滤波器将其滤除，从而得到基波分量。基波分量udf

和uqf

在dq0坐标中的对应为直流分量，且数值上与abc系统中的三相电网电压基波的峰值Ums

、初相角θlp

以及电网电压相位凸变角γ之间存在着如下关系(2)目标电压函数的求取

目标电压函数是敏感负荷正常工作时所需要的电压，即当电网波动时经UPQC串联侧补偿后要达到的电压量。三相目标电压函数为

串联侧的补偿电压为目标电压与实际波动后的电压之差，考虑串联侧输出滤波器及变压器变比等因素，最终可求得UPQC串联侧需提供的补偿电压的表达式为4．直流侧稳压控制策略

将需稳定的直流电压作为给定值，Ucf为反馈值，将两者做差，然后进行PI调节。将PI调节的结果叠加在瞬时有功电流分量上，这样经反变换后生成的指令电流包含了基波有功分量。从而使并联侧跟随指令电流变化的补偿电流中存在有功分量。该有功分量的存在使并联侧的变流器交直流两侧产生有功交换，保证了直流侧电容两端电压的稳定。5．输出PWM控制方法

目前在统一电能质量调节器补偿方法中应用最广泛采用的波形调制技术主要有正弦脉冲宽调制(SPWM)方法、空间矢量脉宽调制方法（SVPWM）、滞环跟踪控制方法以及三角波比较法等；目前串联侧大多采用正弦脉冲宽调制(S