【正文】 交流輸電（ FACTS） 技術。 （ 1） 直流輸電（ HVDC）技術 直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調節(jié)靈活等優(yōu)點，對于遠距離輸電、海 2 底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網，高壓直流輸電擁有獨特的優(yōu)勢。目前，全球已建成的直流輸電工程超過 60 項。 近年來，直流輸電技術又有新的發(fā)展，輕型直流輸電采用IGBT等可關斷電力電子器件組成換流器，應用脈寬調制技術進行無源逆變，解決了用直流輸 電向無交流電源的負荷點送電的問題。同時大幅度簡化設備，降低造價。世界上第一個采用 IGBT構成電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗工程于 1997 年投入運行。 （ 2） 柔性交流輸電（ FACTS）技術 1986年提出的 FACTS 技術的概念 ，是一項基于電力電子技術與現(xiàn)代控制技術對交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調節(jié)的輸電技術，可實現(xiàn)對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。 FACTS技術一方面是現(xiàn)代電力電子開關與電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的阻抗控制元件、功角控制元件以及 電壓控制元件（如串補電容、并聯(lián)電容、并聯(lián)電抗、移相器、電氣制動電阻等）相結合的產物，另一方面又將電子技術引入電力系統(tǒng)，形成了以變流器為核心的 新 型控制設備（如靜止 同步補償器 (STATCOM)） ,從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個參數(shù)：電壓、線路阻抗及功率角可以按系統(tǒng)要求迅速調整。 在配電 和用電環(huán)節(jié)中 的應用 【 3】 在配電和用電環(huán)節(jié)中，配電環(huán)節(jié) 解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量，用電環(huán)節(jié)在保證各種 負荷 的電力用戶自身用電安全可靠的條件下不產生對電網的干擾，這就是電能質量控制技術。 電源技術集中體 現(xiàn) 了電力電子技術在用電環(huán)節(jié)中的應用，現(xiàn)在隨著電力開關器件性能的不斷提升，各種形式的直流、交流電源給各種電力用戶帶來了巨大的方 便。為了改善電力電子裝置對電網的干擾，功率因數(shù)校正技術得到廣泛 應用，電源技術不斷向高頻化、模塊化、數(shù)字化及軟開關方向發(fā)展，電磁兼容性能 也 不斷提高。 隨著配電系統(tǒng)中非線性、沖擊性和不平衡負荷的不斷增加 ,電能質量問題日益嚴重 。另外 ,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶的用電設備對電能質量更加敏感 ,對供電質量要求更高。因此，迫切要求提高電能質量，協(xié)調供電和用電的關系。 電能質量控制既要滿足對 3 電壓、頻率、 諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動和干擾。電力電子技術和現(xiàn)代控制技術在配電系統(tǒng)中的應用， 即用戶電力（ CustomPower）技術或稱 DFACTS 技術，是在 FACTS 各項成熟技術的基礎上發(fā)展起來的，是現(xiàn)在最有前景的電能質量控制新技術 。 電能質量控制技術 電能質量控制的研究具有巨大的經濟和社會效益，它對于減少用電設備的故障，從而保證生產和生活的正常進行；對于減小電網內部因電能質量問題造成的損耗，從而提高電能的使用效率；對于供電企業(yè)樹立強烈的競爭意識，從而有力地促進電力市場的孕育與形成 ；對于開辟和帶動電力電子產業(yè)的發(fā)展，從而推動整個電力產業(yè)的革新與進步都具有極其重要的意義 【 3】－【 6】 。 有關電能質量的控制技術可以分成兩大應用技術及其領域，一是面向輸電系統(tǒng)的柔性交流輸電技術（ FACTS），二是面向配電系統(tǒng)的用戶電力技術（ CUSPOW）。兩者的技術基礎都是電力電子技術，各自的控制器在結構和作用上也基本相同，其差別是額定電氣值的不同，只是針對不同的需要分別應用于不同的領域 【 7】【 8】 。 本文 分析的 電能質量控制技術是面向配電系統(tǒng)的用戶電力技術（ CUSPOW）。它用于解決配電系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種電能質 量問題，如消除電壓的波動、跌落、上升、閃變、不對稱、電能的中斷、諧波及無功等， 協(xié)調供電和用電之間的關系， 使得電力用戶獲得滿意的供電品質 ，保證電力用戶的供電可靠性。 用于 電 能質量控制 的 用戶電力技術 [1]【 5】【 6】【 8】 【 9】 隨著 高科技 產業(yè) 的大力發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提高 ， 導致能源需求不斷增加。一方面使電力系統(tǒng)的容量和范圍不斷的擴大， 發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)的 控制更加復雜；另一方面 各種 沖擊性、非線性、不平衡 的負載和對電能質量敏感的電力用戶在不斷增加 ；要求提高電力生產的質量和供電的電能質量。 在配電系統(tǒng)中 用 戶電力技術了 可以 為用戶提供高質量、可靠的電能同時協(xié)調電網和用戶之間的關系使電網不受負載的干擾。 用戶電力技術主要包括串并聯(lián) 補償 的電能質量控制技術、電力系統(tǒng)固態(tài)開關技術和超導儲能 4 及其能量變換技術 。本文 主要分析 幾種典型的 串并聯(lián) 補償 的電能質量控制技術 。 串聯(lián)補償型電能質量控制器 （ 1） 動態(tài)電壓恢復器（ DVR） 動態(tài)電壓恢復器 DVR（ Dynamic Voltage Restorer）的電路結構如圖 所示， DVR 僅在電網電壓發(fā)生突變、偏離額定正弦電壓波形瞬時值時，變換器才輸出一定數(shù)值和波形的非周期補 償電壓，串聯(lián)加入電網后使負載端電壓近似為額定正弦波。 在任意瞬間，當電網電壓較正常正弦波電壓瞬時值偏高時，補償電壓為負值使負載電壓降低為正常瞬時值，反之當電網電壓較正常正弦波電壓瞬時值偏低時，則補償電壓為正值使負載電壓增大到正常瞬時值。 DVR 的引用可以有效的消除電網中由于電壓瞬時跌落、閃變、振蕩等引起的事故，提高電網的供電質量。為了增強對重要負載補償電壓的支持能力，可將帶升壓回路的電池組并聯(lián)在電容器上，電池組的容量應保證對電壓突變的補償作用時間和補償功率，通常所需作用時間從幾十毫秒到幾秒鐘。 （ 2） 串聯(lián)型有源 電力濾波器 串聯(lián)有源電力濾波器（ Series Active Filter）由可控的電壓源變流器組成，通過與電網串聯(lián)的變壓器而與電網串聯(lián)連接，其電路結構1V ?LV ?T 1T 4 T 6T 3 T 5T 2dV+Cbac?LX V ??cV ?I?圖 1 . 1 PWM 開關型串聯(lián)基波電壓補償器負載cI?+ +2V ?圖 1 . 2 串聯(lián)型有源電力濾波器T 1T 4 T 6T3T 5T 2dVsi+CC oL oLXcvsvbaAcA 1PTacvccvbcvBCC 1B 1 5 如圖 所示。一般而言，交流發(fā)電機的空載電壓是較好的正弦波，如果負載是線性的，負載端的電壓也將保持正弦，如果負載是非線性的，由于諧波電流的影響，將使得負載端電壓非正弦。為此，串聯(lián)有源電力濾波器通過串聯(lián)變壓器 PT 串聯(lián)注入一個與負載端的諧波電壓大小相等、方向相反的補償電壓 cv ，從而使得接在 A B C1 端的其他負載的電 壓是正弦波，避免了諧波電壓的危害。由于 A B C1 端的電壓經補償后為正弦，而電網電壓 sv 也為正弦，因此電網輸入電流 si 也就隨之正弦化。這意味著對于諧波電流，串聯(lián)有源電力濾波器在電網側具有無窮大的阻抗，因此沒有諧波電流經負載流入電網，或經電網流入負載。而對于基波成分，則等效為零阻抗。串聯(lián)有源電力濾波器由于通過串聯(lián)變壓器與電網相互作用，因此要求在電網輸電線路發(fā)生短路故障時具有可靠的保護。此外從控制策略角度看，電網電壓的補償 是間接性的，而不是直接性的。 并聯(lián)補償型電能質量控制器 （ 1） 并聯(lián)型有源電力濾波器 典型的并聯(lián)型有源電力濾波器（ Shunt Active Filter）由一個可控的電壓源變流器組成。如圖 所示，變流器與負載并聯(lián)地接在電網上，直流端包含一個電容 C ，輸出端為濾波電感 fL 。負載電流 Li 中除了正弦基波電流 1Li 外，還含有豐富的諧波 電流 hi ，檢測 、 控制 、 驅動系統(tǒng)T 1T 4T6T3T5T2dV diiavibvicvACi+C G非線性負載T6T 1PTE?1V ?lX2V ?cLsiii ??1Li?hcii ?BVCVBCiCCiAiBiAV?dVdVAV圖 1 . 3 并聯(lián)有源電力濾波器AVhLLiii ??1hQLPLiii ???11ACiBCiCCiL f 6 hQLPLhLL iiiiii ????? 111 ，這里 PLi1 、 QLi1 分別為基波有功、無功電流。使變流器輸出一個與負載諧波電流大小相等的補償電流 ci ( hc ii ? )，于是電網電流 1LcLs iiii ??? ，電力系統(tǒng)中發(fā)電機 G、變壓器 PT 及線路均只流過負載基波電流。若還要求補償負載電流中 的無功電流，則只要令補償器輸出的電流 hQLc iii ?? 1 即可，如此可以實現(xiàn)電網功率因數(shù)為 1。從負載側看，并聯(lián)有源電力濾波器相當一個變化的阻抗，對于諧波頻率來說其阻抗為零或相當?shù)牡?，而對于基波頻率，其阻抗則無窮大。 雖然并聯(lián)有源電力濾波器可以實現(xiàn)對負載諧波電流和無功電流的完全補償，但也存在以下缺點： 一方面 由于負載直接連接到電網，因此依然存在電網的電能質量問題，如：電壓畸變、跌落或上升、瞬變和不平衡等。 另一方面 當同時補償負載無功和諧波電流時，系統(tǒng) PWM 變流器的容量要求很大，相對 LC 無源 濾波器而言造價高。 （ 2） 靜止同步補償器 先進的靜止 VAR 發(fā)生器（ ASVG）：屬于 PWM 開關型無功功率發(fā)生器，其電路結構基于三相全橋電路組成的電壓型逆變器，如圖 所示。對開關器件進行實時的 PWM 控制，使得逆變器輸出電壓 iV? 與交流電網電壓 sV? 同相，那么逆變器輸出的電流 ?I 將與電網電壓 sV? 相差 o90 ， 也即逆變器只輸出無功功率。由于采用 PWM 控制， ASVG 可以向電網提供實時連續(xù)的感性和容性無功功率，可使得電網功率因數(shù)為任意指令值，電流波形接近正弦，由于同時能調控電網電壓，它在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)振蕩等方面，圖 先進的靜止 VAR 發(fā)生器（ ASVG） 7 其性能遠優(yōu)于晶閘管為基礎的 SVC，它是電網無功功率補償技術的發(fā)展方向。用它可以取代早 期采用旋轉式同步發(fā)電機輸出無功功率的“旋轉式同步補償機”，因此 稱為靜止同步補償器（ STATCOM）。 UPQC【 5】 【 6】 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器 UPQC（ Unified Power Quality Conditioner）結合了串聯(lián)和并聯(lián)兩個有源電力濾波器，不同的是兩個變流器直流公共端并接有蓄電池，其電路結構如圖 所示。 變流器 I和變流器 II都是雙向的 PWM 變流器，即可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。變流器 I經串聯(lián)變壓器 PT1 輸出補償電壓，向電網注入交流功率，同時變流器 I 也可以輸出諧波補償電壓。當變流器 II 工作在整流狀態(tài)對蓄電池進行充電時，也可以同時向電網輸出滯后的或超前的無功功率，還可以輸出諧波補償電流。當電網掉電時，蓄電池對變流器 II 供電，變流器 II 工作在逆變狀態(tài)，向負 載提供工作電壓，確保負載的不間斷供電（ UPS），保證了重要用戶的供電可靠性。 UPQC 有兩類應用場合，一類是應用于配電系統(tǒng)和工業(yè)電力系統(tǒng)之間的通用補償器，要求的容量較大。另一類是相對容量較小，特別應用于對電力系統(tǒng)電能質量要求高的電力用戶。不管那種場合， UPQC 可以有效的滿足電力用戶的電能質量要求，即可消除電網 8 諧波電壓、基波偏差、不平衡，保持負載端電壓的額定和正弦，還可以消除負載產生的無功、諧波電流，使得電網輸入電流為正弦，功率因 數(shù) 為 1，實現(xiàn)負載和電網之間完全的擾動隔離。 因此 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器是面向配電網（電 力用戶）的最優(yōu)的電能質量調節(jié)器。 本課題研究的必要性和 主要 研究 內容 本課題研究的必要性 由于 采用單一的串聯(lián)或并聯(lián)的電能質量控制器， 雖然可以改善電力系統(tǒng)的某些運 行特性和供電質量，但其電路結構要么和電網并聯(lián)，要么 和電網串聯(lián)，其功能相應的較為單一， 且 不 能全面 滿足當今電力用戶對電能質量的全面高要求。為實現(xiàn)電力用戶電能質量的完全改善和最優(yōu)化，選擇統(tǒng)一電能質量 調節(jié)器 （ UPQC） 是一種理想的解決方案。 本文選擇統(tǒng)一電能質量調節(jié)器 的 串聯(lián)變流器 作為研究對 象， 是 因為 UPQC 的電路基礎是串并聯(lián)的雙四象限 PWM 變流器， 適用于多種新型電能質量補償器、控制器、調節(jié)器，另外 有源電力濾波器 APF 的理論研究特別是并聯(lián)型 APF 的理論研究較深入， 但是串聯(lián)型APF 則研究得不深入，投入實際應用的也很少， 所以串聯(lián)變流器是本文的重點 。 本文 除了緒論以外 主要包括以下內容： 首先 分析了統(tǒng)一電能質量調節(jié)器的工作原理 、系統(tǒng)的等效電路 、 系統(tǒng)的控制方案 。 然后 本文 建立 了電能質量控制器的 串聯(lián)變流器的數(shù)學模型， 討論了 串聯(lián)變流器在理想電網電壓和非理想電網電壓下的控制方案，詳細分析了串聯(lián)變流器的仿真模型的建立，并對串聯(lián)變流器各種控制 方案進行了仿真分析。最后 對 10KVA 三相四線 UPQC 實驗裝置的串聯(lián)變流器主電路的設計進行了論述， 對以