【文章內(nèi)容簡介】 TI公司 DSP 芯片 TMS320LF2407A DSP 為核心控制系統(tǒng)電路作了仔細(xì)的分析 ， 并 對控制 系統(tǒng)軟件 設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。 通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析證明電能質(zhì)量控制器串聯(lián) 變流器可以有效的改善電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。 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。因此本章首先對三相四線制下的 UPQC 功率電路進(jìn)行了描述，說明了 UPQC 的功能，闡述了 UPQC 的工作原理和控制方案，然后分析了 UPQC系統(tǒng)的系統(tǒng)的等效電路，最后討論了不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的影響，通過上述的分析，可以對 UPQC 系統(tǒng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識。 UPQC 系統(tǒng)主電路 【 10】－【 13】 圖 給出了 UPQC 簡單的示意圖，為建立對 UPQC 系統(tǒng)的感性認(rèn)識，本節(jié)詳細(xì)地描述了三相四線制 UPQC 系統(tǒng)的功率電路。如圖 所示， UPQC 系統(tǒng)由以下各部分組成： （ 1） 交流電網(wǎng)：三相四線制，額定電壓 220V，頻率 50Hz，電壓波動范圍 %15? ， 10 可能包含諧波電壓，也可能三相不對稱。 （ 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(gè)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。圖 21 所示串聯(lián)變壓器 Ts 為三相耦合變壓器，采用星型接法。 （ 3） 串聯(lián)變流器 VSC1：該變流器經(jīng)輸入電感 L串聯(lián)變壓器 Ts 串聯(lián)接入電網(wǎng)，稱為串聯(lián)變流器，由三相全控半橋電路組成，采用高頻 PWM 控制技術(shù)，具有雙向四象限工作特性。 （ 4） 并聯(lián)變流器 VSC2：該變流器 經(jīng)輸出濾波電感 L濾波電容 C2 后并接在負(fù)載端，稱為并聯(lián)變流器，同樣由三相全控半橋電路組成，采用高頻 PWM 控制技術(shù)，具有雙向四象限工作特性。 （ 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。 （ 6） 直流母線電池組 1bE 和 2bE ：串聯(lián)連接， 21 bb EE ? ，并接在變流器的公共直流端，作為交流電網(wǎng)掉電時(shí)的備用電源，保證負(fù)載的不間斷供電需求。 （ 7） 輸入靜態(tài)開關(guān) S1 和旁路靜態(tài)開關(guān) S2：由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管組成。 （ 8） 負(fù)載：對于 UPQC 系統(tǒng)，可以適合各種負(fù)載特性，諸如線性、非線性、不平衡等。 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)。 UPQC 系統(tǒng)工作原理 【 14】－【 16】 系統(tǒng)功能 圖 所示的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，安裝在交流電網(wǎng) 和電力用戶之間，可以獲得如下的補(bǔ)償效果：對于交流電網(wǎng)側(cè)，使得在負(fù)載不平衡、非線性的情況下，交流電網(wǎng)輸入電流平衡、正弦且與交流電網(wǎng)電壓同相，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為 1，電網(wǎng)僅向負(fù)載輸送有 11 功功率。對于負(fù)載側(cè)，使得在電網(wǎng)電壓畸變、不對稱、非額定的情況下，負(fù)載端電壓始終保持對稱、額定正弦且與電網(wǎng)基波電壓同相。當(dāng)需要時(shí)，可以通過串聯(lián)變流器或并聯(lián)變流器對直流母線端的電池組進(jìn)行充電控制。 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。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，系統(tǒng) 重新切回到電網(wǎng)供電狀態(tài)。 通過對 UPQC 兩個(gè)變流器進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制， 可以實(shí)現(xiàn)上述綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)， 滿足電力用戶對于電網(wǎng)電能質(zhì)量越來越高的要求。 系統(tǒng)工作原理分析 圖 給出了 UPQC 的單相電路原理圖，區(qū)別于圖 的功率電路，直流母線端的電池組和電容等效為單個(gè)電池組 bE 和單個(gè)電容 dcC ，此外電路中忽略了線路阻抗，串聯(lián)變壓器 Ts 視為一個(gè)理想的變壓器。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 。負(fù)載電流 Li 具有非線性特性，由基波有功電流 LPi 、基波無功電流 LQi 和諧波電流 Lhi 三部分組成， LhLQLPL iiii ??? 。 對兩個(gè)變流器 進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制， 可以實(shí)現(xiàn)前述各項(xiàng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能。采用直接控 制策略，串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器分別進(jìn)行獨(dú)立的控制， 從而使得整個(gè) UPQC 系統(tǒng)是一個(gè)單輸入單輸出（ SISO）的系統(tǒng)，這樣的控制策略可 避免多輸入多輸出（ MIMO）圖 UPQC單相電路原理圖 ????VSC 12LTs??shv1sv基波諧波1S2v 2i3i??**1L1C 2CcI?LhLii ??? LQiLPiNsNp變比 N = Np / NsNiis/1?dsLPiii2??ciii ??32sLPdiii ??2cLQqiii ??2Lhhii ?2Cv1i1vVSC 2bEsishssvvv ??12SRsLvvvv ??? ?shRshvvvvvv ??? ????? )(11sPsQTPLQLP1P2P2Q1Q??dcVdcc 12 系統(tǒng)在控制上的復(fù)雜性，利于各個(gè)變流器選擇最優(yōu)的控制策略來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。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。若控制使得 si 與電網(wǎng)輸入電壓 sv 同相，則電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為 1，使電網(wǎng)僅向負(fù)載輸出有功功率 sP ,而無功功率 0?sQ ，顯然此時(shí)串聯(lián)變流器 只是處理有功功率 1P ，而無功功率 01?Q ?？刂撇⒙?lián)變流器為額定正弦電壓源，可使它輸出至負(fù)載的電壓為正弦波額定電壓 Rv 且與電網(wǎng)輸入電壓基波 1sv同相，從而保證了在電網(wǎng)輸入電壓有諧波、非額定、不對稱情況下負(fù)載端對電壓的要求。 由于電網(wǎng)輸入電流 si 在串聯(lián)變流器的控制下為正弦波，因此迫使并聯(lián)變流器向負(fù)載輸出電流 )(3 sLPLhLQ iiiii ???? ，其中 LQi 補(bǔ)償負(fù)載無功電流、 Lhi 補(bǔ)償負(fù)載諧波電流，而負(fù)載的有功電流 LPi 則由交流電網(wǎng)（ si ）和并聯(lián)變流器（ di2 ）共同提供， sLPd iii ??2 ，也即并聯(lián)變流器輸出用于補(bǔ)償負(fù)載無功功率的無功功率 2Q 外，還輸出部分有功功率 2P 。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 。 正是由于串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器的共同作用，使得在負(fù)載非線性、電網(wǎng)輸入電壓高于或低于額定值 Rv 且含有諧波電壓時(shí)，負(fù)載電壓 Lv 補(bǔ)償?shù)脚c電網(wǎng)輸入電壓同相的額定正弦電壓 Rv ，同時(shí)交流電網(wǎng)僅輸入基波有功電流 si ，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為 1。 正常時(shí)交流電網(wǎng)與 UPQC 共同對負(fù)載供電，稱為 Standby 工作模式，此時(shí)輸入靜態(tài) 13 開關(guān) S1 導(dǎo)通，其兩個(gè)并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通信號是按輸入電壓的正負(fù)半周分別加上的。一旦交流電網(wǎng)停電，并聯(lián)變流器從電池組獲取電能，無間隙的繼續(xù)不間斷對負(fù)載供電，稱為 Backup 工作模式，此時(shí)由于電網(wǎng)輸入電壓與輸入電流同相，無相位差，輸入靜態(tài)開關(guān) S1 可立即關(guān)斷，防止并聯(lián)變流器的輸出電流向電網(wǎng)倒灌。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。當(dāng)發(fā)生輸出過載或者變流器故障時(shí)，控制信號觸發(fā)旁路靜態(tài)開關(guān) S2 導(dǎo)通，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入旁路工作模式。 等效電路模型 本 節(jié)討論 UPQC 系統(tǒng)的等效電路模型，通過定義系統(tǒng)在基波和諧波下的等效電路，使得對系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性分析簡單化。該等效電路模型的獲得基于以下必要的假設(shè)： （ 1） 并聯(lián)變流器采用高頻 PWM 控制技術(shù)，于負(fù)載端提供平衡的、額定的正弦波電壓，總諧波畸變率 THD 值低，并且與電網(wǎng)輸入電壓同相。 （ 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。 （ 3） 變流器的 PWM 開關(guān)頻率足夠高，開關(guān)頻率諧波易于為低通濾波器濾除，從而使得低頻至開關(guān)頻率的諧波減小到可以忽略的程度，負(fù)載電壓和電網(wǎng)輸入電流中的諧波成分足以小到滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。 圖 UPQC 基波及諧波單相等效電路模型 (a) 基波等效電路 模型 (b) 諧波等效電路模型 14 （ 4） 串聯(lián)變壓器變比為 1，使得串聯(lián)變流器輸入電流也就代表了電網(wǎng)的輸入電流，串聯(lián)變壓器原邊電壓也即串聯(lián)變流器輸入電壓。 基于上述 假設(shè)，串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器可以分別用靜止的電流源和電壓源來表示，如圖 給出了基波及諧波下 UPQC 的單相等效電路，圖中串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器分別用基波和 諧波下獨(dú)立的電流源和電壓源來代替。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(gè)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 ?? 。顯然交流電網(wǎng)只提供有功功率 sP ，用于負(fù)載有功消耗 LP 和系統(tǒng)損耗losP ，而無功功率 0?sQ ，負(fù)載的無功功率需求 LQ 完全由并聯(lián)變流器提供。 圖 (b)給出了 UPQC 諧波下的等效電路，由于串聯(lián)變流器作為一個(gè)基波正弦電流源運(yùn)行，電網(wǎng)輸入電流中的諧波成分 00??shI ，因此串聯(lián)變流器對諧波電流而言具有無窮大阻抗。電網(wǎng)輸入諧波電壓 00 ???????? ? LhhhXhXhsh VVVV ??，由于并聯(lián) 變流器作為基波正弦電壓源運(yùn)行，負(fù)載電壓中的諧波成分 00??LhV ，且 00??shI ，因此電網(wǎng)輸入諧波電壓 hhsh VV ????? ?0 ，即串聯(lián)變流器對于電網(wǎng)諧波電壓而言具有零阻抗，串聯(lián)變流器完全吸收了電網(wǎng)輸入電壓的諧波。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。 由于理想的控制使得電網(wǎng)輸入電流及負(fù)載電壓中無諧波成分，因此系統(tǒng)不從電網(wǎng)吸收諧波功率 snP ，也無負(fù)載諧波功率消耗 LnP 。 實(shí)際的控制效果并不可能完全消除諧波的 15 影響，但相對基波成分而言，由諧波成分引起的諧波功率分量可以忽略不計(jì)，因此諧波頻率下 UPQC 的工作特性研究是很簡單的，它主要用來分析變流器的視在功率和 kVA 容量?；诖丝紤]，本文所指 UPQC 系統(tǒng)靜態(tài)工作特性的分析主要基于基波下的等效電路。 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(gè)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。 間接控制方案 【 17】－【 20】 所謂間接控制方案，是指串聯(lián)變流器作為非正弦電壓源運(yùn)行，并聯(lián)變流器作為非正弦電流源運(yùn)行。如圖 ，檢測電網(wǎng)電壓的畸變和基波偏差，作為電壓指令，對串聯(lián)變流器進(jìn)行控制，使得串聯(lián)變流器通過串聯(lián)變壓器輸出一個(gè)與電網(wǎng)電壓畸變和基波偏差相抵消的補(bǔ)償電壓，從而保證負(fù)載電壓是一個(gè)額定的正弦電壓。檢 測負(fù)載的無功和諧波電流，作為電流指令，對并聯(lián)變流器進(jìn)行控制，使得并聯(lián)變流器輸出與負(fù)載無功和諧波電流大小相等的無功和諧波，從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載無功和諧波電流的補(bǔ)償，使得電網(wǎng)輸入圖 UPQC 間接控制策略框圖 16 電流為正弦波電流，功率因素為 1。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。此外，當(dāng)交流電網(wǎng)掉電或恢復(fù)供電時(shí)，并聯(lián)變流器需要從間接控制策略轉(zhuǎn)為直接控制策略（或反之），存在工作模式的一個(gè)切換，這對于控制來說是不利的。 直接控制方案 【 21】－【 25】 如圖 所示，直接控制方案指串聯(lián)變流器受控為正弦電流源，而并聯(lián)變流器受控為正弦電壓源。并聯(lián)變流器作為正弦電壓源運(yùn)行，將輸出平衡、額定幅值的正弦電壓于負(fù)載端，由于電壓源對于諧波來說具有很小的阻抗，因此負(fù)載的諧波和電網(wǎng)的諧波電流都流入并聯(lián)變流器支