【正文】 （325） （326） （327） （328） 寫成矩陣表達式如下： （329）其中式（329）考慮了o軸分量、在電網(wǎng)電壓對稱，輸入電流平衡的情況下，有，若控制，則式（329）可以簡化為： （330） 理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制理想電網(wǎng)電壓是指三相輸入電壓平衡且正弦，電網(wǎng)電壓是一定的, 軸的影響而視為三相三線制PWM整流器，采用dq 軸交叉解耦控制技術(shù),可以獲得理想的變流器輸入電流控制效果。軸定義于電網(wǎng)電壓矢量方向，軸定義于其垂直方向，且超前于軸。(2) 基于空間旋轉(zhuǎn)dqo坐標(biāo)系模型上述模型中，假設(shè)三相電網(wǎng)電壓對稱，三相負載電壓在并聯(lián)變流器的控制作用下對稱且與電網(wǎng)電壓同相，如下表示： ， （317） ， （318） ， （319）由式（35）～（37）及（317）～（319）可得： （320） （321） （322）即串聯(lián)變流器的輸入電壓是對稱的三相正弦電壓。而且電網(wǎng)的輸入電流和變流器的輸入電流也是一種線性的關(guān)系；直流端電壓由于并接有電池組，因此為一恒定的電壓源特性(1) 基于三相靜止ABC坐標(biāo)系模型定義串聯(lián)變流器開關(guān)函數(shù)如下： 顯然有： （31），串聯(lián)變流器橋端輸出電壓用開關(guān)函數(shù)可以表示為： （32） （33） （34）由于忽略了電網(wǎng)線路電感及串聯(lián)變壓器漏感，因此串聯(lián)變壓器變流器側(cè)（付方）電壓為： （35） （36） （37）由KVL定律，對串聯(lián)變流器輸入交流側(cè)可以得到以下描述方程，式中考慮了電感的電阻： （38） （39） （310）由KCL定律，串聯(lián)變流器直流側(cè)方程為： （311） （312）式中，、分別為兩電池組及的等效內(nèi)阻。三相輸入電感是對稱的，也即其值及電感電阻大小相等。圖中為串聯(lián)變壓器變比。通過仿真比較了不同控制策略特點?；跀?shù)學(xué)模型分別給出了在理想和非理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制策略及控制器的設(shè)計。由于UPQC要補償電網(wǎng)輸入電壓的基波偏差、諧波及不對稱，因此串聯(lián)變流器的輸入電壓也存在諧波及不對稱，因此在這種條件下，實現(xiàn)串聯(lián)變流器輸入電流的正弦和平衡與一般的PWM整流器是不同的。3 電能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的控制和仿真在三相四線UPQC系統(tǒng)中串聯(lián)變流器作為基波正弦電流源運行，因此串聯(lián)變流器實際上是三相四線制的PWM整流器，通過控制串聯(lián)變流器三相輸入電感電流為平衡的正弦電流，從而實現(xiàn)電網(wǎng)輸入電流也為平衡的正弦電流，且與電網(wǎng)輸入交流電壓同相，也即實現(xiàn)電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1?？傊谥苯涌刂品桨赶拢?lián)變流器隔離了電網(wǎng)與負載端的電壓擾動，而并聯(lián)變流器隔離了負載無功功率、負載諧波電流和不平衡進入電網(wǎng)。并聯(lián)變流器作為正弦電壓源運行，將輸出平衡、額定幅值的正弦電壓于負載端，由于電壓源對于諧波來說具有很小的阻抗，因此負載的諧波和電網(wǎng)的諧波電流都流入并聯(lián)變流器支路。此外，當(dāng)交流電網(wǎng)掉電或恢復(fù)供電時，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切換，這對于控制來說是不利的。檢測負載的無功和諧波電流，作為電流指令，對并聯(lián)變流器進行控制，使得并聯(lián)變流器輸出與負載無功和諧波電流大小相等的無功和諧波，從而實現(xiàn)對負載無功和諧波電流的補償，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦波電流，功率因素為1。 UPQC間接控制策略框圖 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行，并聯(lián)變流器作為非正弦電流源運行?；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。由于理想的控制使得電網(wǎng)輸入電流及負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，也無負載諧波功率消耗。電網(wǎng)輸入諧波電壓，由于并聯(lián)變流器作為基波正弦電壓源運行，負載電壓中的諧波成分，且，因此電網(wǎng)輸入諧波電壓，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。顯然交流電網(wǎng)只提供有功功率，用于負載有功消耗和系統(tǒng)損耗，而無功功率，負載的無功功率需求完全由并聯(lián)變流器提供?；谏鲜黾僭O(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，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立的電流源和電壓源來代替。 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（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。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。當(dāng)發(fā)生輸出過載或者變流器故障時，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。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)不間斷對負載供電，稱為Backup工作模式，此時由于電網(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。正是由于串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器的共同作用，使得在負載非線性、電網(wǎng)輸入電壓高于或低于額定值且含有諧波電壓時，負載電壓補償?shù)脚c電網(wǎng)輸入電壓同相的額定正弦電壓，同時交流電網(wǎng)僅輸入基波有功電流，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1。由于電網(wǎng)輸入電流在串聯(lián)變流器的控制下為正弦波，因此迫使并聯(lián)變流器向負載輸出電流，其中補償負載無功電流、補償負載諧波電流，而負載的有功電流則由交流電網(wǎng)（）和并聯(lián)變流器（）共同提供，也即并聯(lián)變流器輸出用于補償負載無功功率的無功功率外，還輸出部分有功功率。若控制使得與電網(wǎng)輸入電壓同相，則電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1，使電網(wǎng)僅向負載輸出有功功率,而無功功率，顯然此時串聯(lián)變流器只是處理有功功率，而無功功率。采用直接控制策略，串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器分別進行獨立的控制，從而使得整個UPQC系統(tǒng)是一個單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)，這樣的控制策略可避免多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)在控制上的復(fù)雜性，利于各個變流器選擇最優(yōu)的控制策略來實現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。負載電流具有非線性特性，由基波有功電流、基波無功電流和諧波電流三部分組成。 系統(tǒng)工作原理分析 UPQC單相電路原理圖，直流母線端的電池組和電容等效為單個電池組和單個電容，此外電路中忽略了線路阻抗，串聯(lián)變壓器Ts視為一個理想的變壓器。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)。當(dāng)需要時，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行充電控制。 UPQC系統(tǒng)工作原理【14】－【16】 系統(tǒng)功能，安裝在交流電網(wǎng)和電力用戶之間，可以獲得如下的補償效果：對于交流電網(wǎng)側(cè)，使得在負載不平衡、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)僅向負載輸送有功功率。（8）負載：對于UPQC系統(tǒng)，可以適合各種負載特性，諸如線性、非線性、不平衡等。（6）直流母線電池組和：串聯(lián)連接，并接在變流器的公共直流端，作為交流電網(wǎng)掉電時的備用電源，保證負載的不間斷供電需求。（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。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。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，可能包含諧波電壓，也可能三相不對稱。因此本章首先對三相四線制下的UPQC功率電路進行了描述，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撲結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的影響，通過上述的分析，可以對UPQC系統(tǒng)有一個清晰的認識。通過對實驗結(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。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。本文選擇統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的串聯(lián)變流器作為研究對象，是因為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，投入實際應(yīng)用的也很少，所以串聯(lián)變流器是本文的重點。 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)今電力用戶對電能質(zhì)量的全面高要求。不管那種場合，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)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(chǎn)生的無功、諧波電流，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦，功率因數(shù)為1，實現(xiàn)負載和電網(wǎng)之間完全的擾動隔離。UPQC有兩類應(yīng)用場合，一類是應(yīng)用于配電系統(tǒng)和工業(yè)電力系統(tǒng)之間的通用補償器，要求的容量較大。當(dāng)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(wǎng)輸出滯后的或超前的無功功率，還可以輸出諧波補償電流。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)。用它可以取代早期采用旋轉(zhuǎn)式同步發(fā)電機輸出無功功率的“旋轉(zhuǎn)式同步補償機”，因此稱為靜止同步補償器（STATCOM）。對開關(guān)器件進行實時的PWM控制，使得逆變器輸出電壓與交流電網(wǎng)電壓同相，那么逆變器輸出的電流將與電網(wǎng)電壓相差，也即逆變器只輸出無功功率。另一方面當(dāng)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。從負載側(cè)看，并聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)一個變化的阻抗，對于諧波頻率來說其阻抗為零或相當(dāng)?shù)牡?，而對于基波頻率，其阻抗則無窮大。使變流器輸出一個與負載諧波電流大小相等的補償電流()， 先進的靜止VAR發(fā)生器（ASVG），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。變流器與負載并聯(lián)地接在電網(wǎng)上，直流端包含一個電容，輸出端為濾波電感。此外從控制策略角度看，電網(wǎng)電壓的補償是間接性的，而不是直接性的。而對于基波成分，則等效為零阻抗。由于ABC1端的電壓經(jīng)補償后為正弦，而電網(wǎng)電壓也為正弦，因此電網(wǎng)輸入電流也就隨之正弦化。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(yīng)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。在任意瞬間，當(dāng)電網(wǎng)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(dāng)電網(wǎng)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。本文主要分析幾種典型的串并聯(lián)補償?shù)碾娔苜|(zhì)量控制技術(shù)。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、可靠的電能同時協(xié)調(diào)電網(wǎng)和用戶之間的關(guān)系使電網(wǎng)不受負載的干擾。 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。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）。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）。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 各項成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是現(xiàn)在最有前景的電能質(zhì)量控制新技術(shù)。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。 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(zhì)量問題日益嚴重。電源