【正文】 C及空間旋轉(zhuǎn) dq0坐標(biāo)系下建立了電 能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型，指出三相四線制的串聯(lián)變流器在三相坐標(biāo)系下的獨(dú)立性以及 dq0坐標(biāo)系下 0軸獨(dú)立于 dq軸的特性。 最后，給出 10kVA三相四線制 UPQC串聯(lián)變流器 實(shí)驗(yàn)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別對串聯(lián)變流器 單獨(dú)運(yùn)行和串聯(lián)變流器在 UPQC系統(tǒng)中運(yùn)行的各種工況下的運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 由于電力電子技術(shù)不僅可以對電能使用形式進(jìn)行靈活多樣的變換，還可以對電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參數(shù) 做 出精確的控制 和 高效的處理，使其本身成為一門高新技術(shù)，同時(shí) 又 是其它高技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用貫穿發(fā)電、 輸電、配電和用電 全過程 。 （ 3） 發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵 的變頻調(diào)速 。目前，全球已建成的直流輸電工程超過 60 項(xiàng)。 （ 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。為了改善電力電子裝置對電網(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。 電能質(zhì)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。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，只是針對不同的需要分別應(yīng)用于不同的領(lǐng)域 【 7】【 8】 。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。 串聯(lián)補(bǔ)償型電能質(zhì)量控制器 （ 1） 動態(tài)電壓恢復(fù)器（ DVR） 動態(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。 （ 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(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。這意味著對于諧波電流，串聯(lián)有源電力濾波器在電網(wǎng)側(cè)具有無窮大的阻抗，因此沒有諧波電流經(jīng)負(fù)載流入電網(wǎng)，或經(jīng)電網(wǎng)流入負(fù)載。 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）由一個可控的電壓源變流器組成。若還要求補(bǔ)償負(fù)載電流中 的無功電流，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。 （ 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。 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(jié)構(gòu)如圖 所示。當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，蓄電池對變流器 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。 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 。 9 2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC 的工作原理 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC 是具有綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力的電力電子裝置，電路結(jié)構(gòu)比單一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器復(fù)雜，為了對其實(shí)現(xiàn)有效控制并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，首先要對其工作原理進(jìn)行分析 和研究。 （ 2） 串聯(lián)變壓器 Ts：該變壓器可以是三相耦合的三相變壓器，也可以是三個獨(dú)立的單相變壓器，它串接在交流電網(wǎng)和負(fù)載之間，故稱為串聯(lián)變壓器。 （ 5） 直流母線電容 1dcC 和 2dcC ：串聯(lián)連接， 21 dcdc CC ? ，并接在串聯(lián)變流器 VSC1和并聯(lián)變流器 VSC2 的公共直流端。 需要注意系統(tǒng)的中性點(diǎn) N 連接到電網(wǎng)輸入中線、串聯(lián)變壓器中線、電池組中點(diǎn)、直流母線電容中點(diǎn)及并聯(lián)變流器濾波電容的中點(diǎn)。 當(dāng)發(fā)生交流電網(wǎng)掉電時(shí)，直流母線端的電池組放電，經(jīng)并聯(lián)變流器向負(fù)載不間斷的供電，具有 UPS 的功能。交流電網(wǎng)輸入電壓 sv 包含諧波分量 shv ，其基波分量記為 1sv ， shss vvv ?? 1 。本文中 串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，其輸出電流 1i 為正弦波，經(jīng)串聯(lián)變壓器 Ts的線性放大作用，因此電網(wǎng)輸入電流 si 受控為正弦。而由于并聯(lián)變流器受控為額定基波正弦電壓源，負(fù)載電壓 Lv 總是維持額定正弦波不變，因此迫使串聯(lián)變流器經(jīng)串聯(lián)變壓器輸出的電壓 v? 由兩部分組成， hvvv ????? 1 ，其中hv? 為諧波補(bǔ)償電壓，它與交流電源中的諧波電壓 shv 大小相等， shh vv ?? ，但方向相反； 1v? 為基波電壓補(bǔ)償量，用于補(bǔ)償電源電壓的基波 1sv 與負(fù)載電壓額定值 Rv 的偏差，所以串聯(lián)變流器提供的補(bǔ)償電壓 v? 既抵消了電源電壓 sv 中的諧波 shv ，又補(bǔ)償基波電壓 1sv ，使負(fù)載電壓 Lv 成為與電 網(wǎng) 基波電壓 1sv 同相的正弦波額定電壓 Rv 。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常后，系統(tǒng)可以重新 切回到 Standby 工作模式。 （ 2） 串聯(lián)變流器采用高頻 PWM 控制技術(shù)，使得電網(wǎng)輸入電流為平衡的正弦波電流，總諧波畸變率 THD 值低，并且電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為 1。圖 (a)，電網(wǎng)輸入電壓作為參考向量，記為 0?sV ；由于并聯(lián)變流器受控為基波正弦電壓源，輸出與電網(wǎng)輸入電壓同相的負(fù)載電壓，因此負(fù)載電壓記為 0?LV ；而串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，因此僅從電網(wǎng)吸收基波有功電流且和電網(wǎng)輸入電壓同相，記為 0?sI ；負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個角度 ? ，記為 ??LI ；負(fù)載吸收的有功功率記為 LP ，無功功率記為 LQ ；并聯(lián)變流器輸出電流記為 33 ??I ；串聯(lián)變流器輸出電壓記為 ??? ?V ；考慮串聯(lián)變壓器漏抗 X ，其壓降記為 XXV ?? 。而負(fù)載諧波電流 hhshhLh III 330 ?? ????? ，由于 00??shI ，顯然 hhhLh II 33 ?? ??? ，即并聯(lián)變流器對于負(fù)載諧波電流而言具有零阻抗，并 聯(lián)變流器完全抑制了負(fù)載的諧波電流。 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制方案 對于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC，每個變流器要么作為電流源控制，要么作為電壓源控制，按控制方案分，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器有如此兩類基本的控制方案。采用間接控制策略，需要檢測電網(wǎng)電壓及負(fù)載電流的擾動畸變等信息，由于是通過消除擾動來獲得補(bǔ)償效果，因此從電網(wǎng)端看，對于負(fù)載電壓的調(diào)節(jié)和輸入功率因數(shù)的校正是間接的。對于負(fù)載無功和不平衡，串聯(lián)變流器作為正弦電流源運(yùn)行，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦且功率因素為 1，由于電流源對于諧波電壓具有很大的阻抗，因此電網(wǎng)的諧波電壓被阻斷而不影響負(fù)載端電壓。因此串聯(lián)變流器的控制關(guān)鍵是 如何維持變流器的輸入電流為期望的正弦電流。詳細(xì)分析串聯(lián)變換器 matlab 仿真模型的建立的方法。 為建立串聯(lián)變流器的模型，假設(shè)：三相全橋電路中各開關(guān)器件為理想的開關(guān)器件 。 若令 dcdcdc CCC ?? 21 ， 并 且 考 慮 電 容 兩 端 電 壓 均 分 ， 電 池 組 對 稱 ， 即dcdcdc vvv ?? ， bbb EEE ?? 21 ， bbb RRR ?? 21 ，則綜合式（ 31）～（ 312）可以得到串聯(lián)變流器在靜止 ABC 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型： 11111 RivSvvdtdiL adcadcc aNa ???? （ 313） 11111 RivSvvdtdiL bdcbdcc bNb ???? （ 314） 20 11111 RivSvvdtdiL cdccdcccNc ???? （ 315） 2111111 )( dcb bdcccbbaadcdc iR EvSiSiSidtdvC ?????? （ 316） 由式（ 313）～（ 315）可見，對于本文所示的三相四線制串聯(lián)變流器電路，相當(dāng)于三個獨(dú)立的半橋電路的組合，這樣的電路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對三相輸入電流的獨(dú)立控制，也利于消除三相電流的不平衡。在以后的論述中，如果沒有特殊標(biāo)注與說明， qd, 軸都按照如圖 32 所示的定義。 現(xiàn)假設(shè)變流器輸出的控制電壓矢量中包含三個分量： dddd vvvv 1312111 ??? （ 333） qqqq vvvv 1312111 ??? （ 334） 其中 cdd vv ?11 ， qd iLv 1112 ?? ； cqq vv ?11 ， dq iLv 1112 ??? 將式（ 333）和（ 334）分別代入（ 331）和（ 332）得： ddd viRdtdiL 131111 ??? （ 335） qqq viRdtdiL 131111 ??? （ 336） 在式（ 335）和（ 336）表示的 dq 電流子系統(tǒng)中， dq 軸電流是獨(dú)立控制的，而且控制對象也很簡單，相當(dāng)于對一個一階對象的控制。 由于不希望電網(wǎng)電流中包含無功分量，因此 q 軸電流控制指令 0*1 ?qI 。忽略系統(tǒng)功耗，且電池組不充電也不圖 理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)框圖 1L?1L?? ?????????di1qi1*1 di0*1?qicdvcqvdv1qv1空間電壓矢量驅(qū)動信號發(fā)出 *dcvdcv? ???*1 dIt?sin t?c o s串聯(lián)變流器1icNvqCR 1dCR 11I?dcVR電流指令計(jì)算模塊ABCTodqt?s int?c o sPLLsavc aNvc bNvcc Nv1 ai1 bi1 cicdvcqv1 di1 qiL dcPSPW M 25 放電，變流器輸入的有功功率 1P 應(yīng)等于直流側(cè)負(fù)載吸收的有功功率 LdcP ： 1 1 1 2c d d c q q d c d c L d cP v I v I v i P? ? ? ? （ 3－ 37） 式中 2dci 為直流側(cè)負(fù)載電流?；鶊D 系統(tǒng)解耦后傳遞函數(shù)框圖 26 于以上認(rèn)定，三相串聯(lián)變流器系統(tǒng)經(jīng)交叉解耦后可 d軸和 q軸成為兩個獨(dú)立的單閉環(huán)系統(tǒng)，因此 d、 q軸可以分別獨(dú)立設(shè)計(jì)控制器。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將調(diào)節(jié)器中的零點(diǎn)與對象中的主導(dǎo)極點(diǎn)11LTS ??對消，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成典型Ⅰ形系統(tǒng)，然后根據(jù)要求選取阻尼比，從而確定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 （ 2） 對于電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) ，由于考慮有電池組的接入，并且其作用僅僅是提供系統(tǒng)功耗所需要的附加電流指令 1I? ，因此電壓調(diào)節(jié)器對于直流電壓控制的穩(wěn)態(tài)精度、響應(yīng)時(shí)間的要求不是太高，而且串聯(lián)變流 器的控制關(guān)鍵是內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)，因此往往要求電流調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時(shí)間比電壓調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時(shí)間快 3～ 5 倍。需要指出的是調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)定是一個多次反復(fù)調(diào)試的過程，任何一 種方法都只能起指導(dǎo)