【正文】 交流輸電（ FACTS） 技術(shù)。 （ 1） 直流輸電（ HVDC）技術(shù) 直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、海 2 底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，全球已建成的直流輸電工程超過(guò) 60 項(xiàng)。 近年來(lái)，直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，輕型直流輸電采用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無(wú)源逆變，解決了用直流輸 電向無(wú)交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電的問(wèn)題。同時(shí)大幅度簡(jiǎn)化設(shè)備，降低造價(jià)。世界上第一個(gè)采用 IGBT構(gòu)成電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗(yàn)工程于 1997 年投入運(yùn)行。 （ 2） 柔性交流輸電（ FACTS）技術(shù) 1986年提出的 FACTS 技術(shù)的概念 ，是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)一方面是現(xiàn)代電力電子開關(guān)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(bǔ)電容、并聯(lián)電容、并聯(lián)電抗、移相器、電氣制動(dòng)電阻等）相結(jié)合的產(chǎn)物，另一方面又將電子技術(shù)引入電力系統(tǒng)，形成了以變流器為核心的 新 型控制設(shè)備（如靜止 同步補(bǔ)償器 (STATCOM)） ,從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個(gè)參數(shù)：電壓、線路阻抗及功率角可以按系統(tǒng)要求迅速調(diào)整。 在配電 和用電環(huán)節(jié)中 的應(yīng)用 【 3】 在配電和用電環(huán)節(jié)中，配電環(huán)節(jié) 解決的問(wèn)題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量，用電環(huán)節(jié)在保證各種 負(fù)荷 的電力用戶自身用電安全可靠的條件下不產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的干擾，這就是電能質(zhì)量控制技術(shù)。 電源技術(shù)集中體 現(xiàn) 了電力電子技術(shù)在用電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，現(xiàn)在隨著電力開關(guān)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(lái)了巨大的方 便。為了改善電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)的干擾，功率因數(shù)校正技術(shù)得到廣泛 應(yīng)用，電源技術(shù)不斷向高頻化、模塊化、數(shù)字化及軟開關(guān)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(fù)荷的不斷增加 ,電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重 。另外 ,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶的用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量更加敏感 ,對(duì)供電質(zhì)量要求更高。因此，迫切要求提高電能質(zhì)量，協(xié)調(diào)供電和用電的關(guān)系。 電能質(zhì)量控制既要滿足對(duì) 3 電壓、頻率、 諧波和不對(duì)稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用， 即用戶電力（ CustomPower）技術(shù)或稱 DFACTS 技術(shù)，是在 FACTS 各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是現(xiàn)在最有前景的電能質(zhì)量控制新技術(shù) 。 電能質(zhì)量控制技術(shù) 電能質(zhì)量控制的研究具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，它對(duì)于減少用電設(shè)備的故障，從而保證生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行；對(duì)于減小電網(wǎng)內(nèi)部因電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損耗，從而提高電能的使用效率；對(duì)于供電企業(yè)樹立強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，從而有力地促進(jìn)電力市場(chǎng)的孕育與形成 ；對(duì)于開辟和帶動(dòng)電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而推動(dòng)整個(gè)電力產(chǎn)業(yè)的革新與進(jìn)步都具有極其重要的意義 【 3】－【 6】 。 有關(guān)電能質(zhì)量的控制技術(shù)可以分成兩大應(yīng)用技術(shù)及其領(lǐng)域，一是面向輸電系統(tǒng)的柔性交流輸電技術(shù)（ FACTS），二是面向配電系統(tǒng)的用戶電力技術(shù)（ CUSPOW）。兩者的技術(shù)基礎(chǔ)都是電力電子技術(shù)，各自的控制器在結(jié)構(gòu)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(duì)不同的需要分別應(yīng)用于不同的領(lǐng)域 【 7】【 8】 。 本文 分析的 電能質(zhì)量控制技術(shù)是面向配電系統(tǒng)的用戶電力技術(shù)（ CUSPOW）。它用于解決配電系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種電能質(zhì) 量問(wèn)題，如消除電壓的波動(dòng)、跌落、上升、閃變、不對(duì)稱、電能的中斷、諧波及無(wú)功等， 協(xié)調(diào)供電和用電之間的關(guān)系， 使得電力用戶獲得滿意的供電品質(zhì) ，保證電力用戶的供電可靠性。 用于 電 能質(zhì)量控制 的 用戶電力技術(shù) [1]【 5】【 6】【 8】 【 9】 隨著 高科技 產(chǎn)業(yè) 的大力發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提高 ， 導(dǎo)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(kuò)大， 發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)的 控制更加復(fù)雜；另一方面 各種 沖擊性、非線性、不平衡 的負(fù)載和對(duì)電能質(zhì)量敏感的電力用戶在不斷增加 ；要求提高電力生產(chǎn)的質(zhì)量和供電的電能質(zhì)量。 在配電系統(tǒng)中 用 戶電力技術(shù)了 可以 為用戶提供高質(zhì)量、可靠的電能同時(shí)協(xié)調(diào)電網(wǎng)和用戶之間的關(guān)系使電網(wǎng)不受負(fù)載的干擾。 用戶電力技術(shù)主要包括串并聯(lián) 補(bǔ)償 的電能質(zhì)量控制技術(shù)、電力系統(tǒng)固態(tài)開關(guān)技術(shù)和超導(dǎo)儲(chǔ)能 4 及其能量變換技術(shù) 。本文 主要分析 幾種典型的 串并聯(lián) 補(bǔ)償 的電能質(zhì)量控制技術(shù) 。 串聯(lián)補(bǔ)償型電能質(zhì)量控制器 （ 1） 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（ DVR） 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器 DVR（ Dynamic Voltage Restorer）的電路結(jié)構(gòu)如圖 所示， DVR 僅在電網(wǎng)電壓發(fā)生突變、偏離額定正弦電壓波形瞬時(shí)值時(shí)，變換器才輸出一定數(shù)值和波形的非周期補(bǔ) 償電壓，串聯(lián)加入電網(wǎng)后使負(fù)載端電壓近似為額定正弦波。 在任意瞬間，當(dāng)電網(wǎng)電壓較正常正弦波電壓瞬時(shí)值偏高時(shí)，補(bǔ)償電壓為負(fù)值使負(fù)載電壓降低為正常瞬時(shí)值，反之當(dāng)電網(wǎng)電壓較正常正弦波電壓瞬時(shí)值偏低時(shí)，則補(bǔ)償電壓為正值使負(fù)載電壓增大到正常瞬時(shí)值。 DVR 的引用可以有效的消除電網(wǎng)中由于電壓瞬時(shí)跌落、閃變、振蕩等引起的事故，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為了增強(qiáng)對(duì)重要負(fù)載補(bǔ)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(yīng)保證對(duì)電壓突變的補(bǔ)償作用時(shí)間和補(bǔ)償功率，通常所需作用時(shí)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(guò)與電網(wǎng)串聯(lián)的變壓器而與電網(wǎng)串聯(lián)連接，其電路結(jié)構(gòu)1V ?LV ?T 1T 4 T 6T 3 T 5T 2dV+Cbac?LX V ??cV ?I?圖 1 . 1 PWM 開關(guān)型串聯(lián)基波電壓補(bǔ)償器負(fù)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(jī)的空載電壓是較好的正弦波，如果負(fù)載是線性的，負(fù)載端的電壓也將保持正弦，如果負(fù)載是非線性的，由于諧波電流的影響，將使得負(fù)載端電壓非正弦。為此，串聯(lián)有源電力濾波器通過(guò)串聯(lián)變壓器 PT 串聯(lián)注入一個(gè)與負(fù)載端的諧波電壓大小相等、方向相反的補(bǔ)償電壓 cv ，從而使得接在 A B C1 端的其他負(fù)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(jīng)補(bǔ)償后為正弦，而電網(wǎng)電壓 sv 也為正弦，因此電網(wǎng)輸入電流 si 也就隨之正弦化。這意味著對(duì)于諧波電流，串聯(lián)有源電力濾波器在電網(wǎng)側(cè)具有無(wú)窮大的阻抗，因此沒(méi)有諧波電流經(jīng)負(fù)載流入電網(wǎng)，或經(jīng)電網(wǎng)流入負(fù)載。而對(duì)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(guò)串聯(lián)變壓器與電網(wǎng)相互作用，因此要求在電網(wǎng)輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)具有可靠的保護(hù)。此外從控制策略角度看，電網(wǎng)電壓的補(bǔ)償 是間接性的，而不是直接性的。 并聯(lián)補(bǔ)償型電能質(zhì)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(gè)可控的電壓源變流器組成。如圖 所示，變流器與負(fù)載并聯(lián)地接在電網(wǎng)上，直流端包含一個(gè)電容 C ，輸出端為濾波電感 fL 。負(fù)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(cè) 、 控制 、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)T 1T 4T6T3T5T2dV diiavibvicvACi+C G非線性負(fù)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(wú)功電流。使變流器輸出一個(gè)與負(fù)載諧波電流大小相等的補(bǔ)償電流 ci ( hc ii ? )，于是電網(wǎng)電流 1LcLs iiii ??? ，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī) G、變壓器 PT 及線路均只流過(guò)負(fù)載基波電流。若還要求補(bǔ)償負(fù)載電流中 的無(wú)功電流，則只要令補(bǔ)償器輸出的電流 hQLc iii ?? 1 即可，如此可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)為 1。從負(fù)載側(cè)看，并聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)一個(gè)變化的阻抗，對(duì)于諧波頻率來(lái)說(shuō)其阻抗為零或相當(dāng)?shù)牡?，而?duì)于基波頻率，其阻抗則無(wú)窮大。 雖然并聯(lián)有源電力濾波器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載諧波電流和無(wú)功電流的完全補(bǔ)償，但也存在以下缺點(diǎn)： 一方面 由于負(fù)載直接連接到電網(wǎng)，因此依然存在電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題，如：電壓畸變、跌落或上升、瞬變和不平衡等。 另一方面 當(dāng)同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功和諧波電流時(shí)，系統(tǒng) PWM 變流器的容量要求很大，相對(duì) LC 無(wú)源 濾波器而言造價(jià)高。 （ 2） 靜止同步補(bǔ)償器 先進(jìn)的靜止 VAR 發(fā)生器（ ASVG）：屬于 PWM 開關(guān)型無(wú)功功率發(fā)生器，其電路結(jié)構(gòu)基于三相全橋電路組成的電壓型逆變器，如圖 所示。對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)的 PWM 控制，使得逆變器輸出電壓 iV? 與交流電網(wǎng)電壓 sV? 同相，那么逆變器輸出的電流 ?I 將與電網(wǎng)電壓 sV? 相差 o90 ， 也即逆變器只輸出無(wú)功功率。由于采用 PWM 控制， ASVG 可以向電網(wǎng)提供實(shí)時(shí)連續(xù)的感性和容性無(wú)功功率，可使得電網(wǎng)功率因數(shù)為任意指令值，電流波形接近正弦，由于同時(shí)能調(diào)控電網(wǎng)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(jìn)的靜止 VAR 發(fā)生器（ ASVG） 7 其性能遠(yuǎn)優(yōu)于晶閘管為基礎(chǔ)的 SVC，它是電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。用它可以取代早 期采用旋轉(zhuǎn)式同步發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率的“旋轉(zhuǎn)式同步補(bǔ)償機(jī)”，因此 稱為靜止同步補(bǔ)償器（ STATCOM）。 UPQC【 5】 【 6】 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC（ Unified Power Quality Conditioner）結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)兩個(gè)有源電力濾波器，不同的是兩個(gè)變流器直流公共端并接有蓄電池，其電路結(jié)構(gòu)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(jīng)串聯(lián)變壓器 PT1 輸出補(bǔ)償電壓，向電網(wǎng)注入交流功率，同時(shí)變流器 I 也可以輸出諧波補(bǔ)償電壓。當(dāng)變流器 II 工作在整流狀態(tài)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，也可以同時(shí)向電網(wǎng)輸出滯后的或超前的無(wú)功功率，還可以輸出諧波補(bǔ)償電流。當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，蓄電池對(duì)變流器 II 供電，變流器 II 工作在逆變狀態(tài)，向負(fù) 載提供工作電壓，確保負(fù)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(yīng)用場(chǎng)合，一類是應(yīng)用于配電系統(tǒng)和工業(yè)電力系統(tǒng)之間的通用補(bǔ)償器，要求的容量較大。另一類是相對(duì)容量較小，特別應(yīng)用于對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量要求高的電力用戶。不管那種場(chǎng)合， UPQC 可以有效的滿足電力用戶的電能質(zhì)量要求，即可消除電網(wǎng) 8 諧波電壓、基波偏差、不平衡，保持負(fù)載端電壓的額定和正弦，還可以消除負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功、諧波電流，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦，功率因 數(shù) 為 1，實(shí)現(xiàn)負(fù)載和電網(wǎng)之間完全的擾動(dòng)隔離。 因此 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是面向配電網(wǎng)（電 力用戶）的最優(yōu)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。 本課題研究的必要性和 主要 研究 內(nèi)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(zhì)量控制器， 雖然可以改善電力系統(tǒng)的某些運(yùn) 行特性和供電質(zhì)量，但其電路結(jié)構(gòu)要么和電網(wǎng)并聯(lián)，要么 和電網(wǎng)串聯(lián)，其功能相應(yīng)的較為單一， 且 不 能全面 滿足當(dāng)今電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的全面高要求。為實(shí)現(xiàn)電力用戶電能質(zhì)量的完全改善和最優(yōu)化，選擇統(tǒng)一電能質(zhì)量 調(diào)節(jié)器 （ UPQC） 是一種理想的解決方案。 本文選擇統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 的 串聯(lián)變流器 作為研究對(duì) 象， 是 因?yàn)?UPQC 的電路基礎(chǔ)是串并聯(lián)的雙四象限 PWM 變流器， 適用于多種新型電能質(zhì)量補(bǔ)償器、控制器、調(diào)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(shí)際應(yīng)用的也很少， 所以串聯(lián)變流器是本文的重點(diǎn) 。 本文 除了緒論以外 主要包括以下內(nèi)容： 首先 分析了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)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(zhì)量控制器的 串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型， 討論了 串聯(lián)變流器在理想電網(wǎng)電壓和非理想電網(wǎng)電壓下的控制方案，詳細(xì)分析了串聯(lián)變流器的仿真模型的建立，并對(duì)串聯(lián)變流器各種控制 方案進(jìn)行了仿真分析。最后 對(duì) 10KVA 三相四線 UPQC 實(shí)驗(yàn)裝置的串聯(lián)變流器主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述， 對(duì)以