【正文】 （ 38） bbbc bN viRdtdiLv 11111 ??? （ 39） cccc c N viRdtdiLv 11111 ??? （ 310） 由 KCL 定律，串聯變流器直流側 方程為： 211111111121111dcbbdcccbbaadcbdcdcdciR EvSiSiSiiiidtdvC????????? ? （ 311） 222221212122122)( dcbbdcccbbaadcbdcdcdciR EvSiSiSiiiidtdvC??????????? ? （ 312） 式中， 1bR 、 2bR 分別為兩電池組 1bE 及 2bE 的等效內阻。三相輸入電感是對稱的，也即其值及電感電阻大小相等 。根據UPQC 的功率電路 如 圖，如圖 示出了 串聯變流器的功率電T 1T 4 T 6T 3 T 5T 2dcV+C dc 1av?交流電網 C dc 2E b 1E b 2AS 1bv?cv?LavLbvLcvL 1saisbisciai1bi1ci1BCNsavsbvscvT SVSC 11dci2dcioiav1bv1cv1caNvcbNvccNv1N2N12NNNs?ABC+1dcV2dcV圖 串聯變流器功率電路 18 路，圖中 sN 為串聯變壓器變比。通過仿真比較了不同控制策略特點。基于數學模型分別給出了在理想和非理想電網電壓下串聯變流器的控制策略及控制器的設計。由于 UPQC 要補償電網輸入電壓的基波偏差、諧波及不對稱，因此串聯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，實現串聯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。 Ⅰ ⅡT圖 2 . 5 UPQC 直接控制策略框圖??負載si Lisv Lv1i 2i3i控制 、 驅動 控制 、 驅動檢測 檢測輸入電流指令負載端電壓指令*siLvsv*LvdvdvLi*dv1i Lv 3i2i 17 3 電能質量控制器的串聯變 流 器的控制和仿真 在三相四線 UPQC 系統(tǒng)中串聯變流器作為基波正弦電流源運行，因此串聯變流器實際上是三相四線制的 PWM 整流器，通過控制串聯變流器三相輸入電感電流為平衡的正弦電流，從而實現電網輸入電流也為平衡的正弦電流，且與電網輸入交流電壓同相，也即實現電網輸入功率因數為 1?？傊谥苯涌刂品桨赶?，串聯變流器隔離了電網與負載端的電壓擾 動，而并聯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。并聯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的諧波電流都流入并聯變流器支路。此外，當交流電網掉電或恢復供電時，并聯變流器需要從間接控制策略轉為直接控制策略（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，對并聯變流器進行控制，使得并聯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，從而實現對負載無功和諧波電流的補償，使得電網輸入圖 UPQC 間接控制策略框圖 16 電流為正弦波電流，功率因素為 1。 間接控制方案 【 17】－【 20】 所謂間接控制方案，是指串聯變流器作為非正弦電壓源運行，并聯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輸入電流及負載電壓中無諧波成分，因此系統(tǒng)不從電網吸收諧波功率 snP ，也無負載諧波功率消耗 LnP 。電網輸入諧波電壓 00 ???????? ? LhhhXhXhsh VVVV ??，由于并聯 變流器作為基波正弦電壓源運行，負載電壓中的諧波成分 00??LhV ，且 00??shI ，因此電網輸入諧波電壓 hhsh VV ????? ?0 ，即串聯變流器對于電網諧波電壓而言具有零阻抗，串聯變流器完全吸收了電網輸入電壓的諧波。顯然交流電網只提供有功功率 sP ，用于負載有功消耗 LP 和系統(tǒng)損耗losP ，而無功功率 0?sQ ，負載的無功功率需求 LQ 完全由并聯變流器提供。 基于上述 假設，串聯變流器和并聯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，圖中串聯變流器和并聯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。 （ 3） 變流器的 PWM 開關頻率足夠高，開關頻率諧波易于為低通濾波器濾除，從而使得低頻至開關頻率的諧波減小到可以忽略的程度，負載電壓和電網輸入電流中的諧波成分足以小到滿足電能質量標準的要求。該等效電路模型的獲得基于以下必要的假設： （ 1） 并聯變流器采用高頻 PWM 控制技術，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，并且與電網輸入電壓同相。當發(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 S2 導通，系統(tǒng)轉入旁路工作模式。一旦交流電網停電，并聯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，此時由于電網輸入電壓與輸入電流同相，無相位差，輸入靜態(tài)開關 S1 可立即關斷，防止并聯變流器的輸出電流向電網倒灌。 正是由于串聯變流器和并聯變流器的共同作用，使得在負載非線性、電網輸入電壓高于或低于額定值 Rv 且含有諧波電壓時，負載電壓 Lv 補償到與電網輸入電壓同相的額定正弦電壓 Rv ，同時交流電網僅輸入基波有功電流 si ，電網輸入功率因數為 1。 由于電網輸入電流 si 在串聯變流器的控制下為正弦波，因此迫使并聯變流器向負載輸出電流 )(3 sLPLhLQ iiiii ???? ，其中 LQi 補償負載無功電流、 Lhi 補償負載諧波電流，而負載的有功電流 LPi 則由交流電網（ si ）和并聯變流器（ di2 ）共同提供， sLPd iii ??2 ，也即并聯變流器輸出用于補償負載無功功率的無功功率 2Q 外，還輸出部分有功功率 2P 。若控制使得 si 與電網輸入電壓 sv 同相，則電網輸入功率因數為 1，使電網僅向負載輸出有功功率 sP ,而無功功率 0?sQ ，顯然此時串聯變流器 只是處理有功功率 1P ，而無功功率 01?Q 。采用直接控 制策略，串聯變流器和并聯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）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)在控制上的復雜性，利于各個變流器選擇最優(yōu)的控制策略來實現最優(yōu)的控制效果。負載電流 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 ??? 。 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電池組 bE 和單個電容 dcC ，此外電路中忽略了線路阻抗，串聯變壓器 Ts 視為一個理想的變壓器。當電網恢復供電后，系統(tǒng) 重新切回到電網供電狀態(tài)。當需要時，可以通過串聯變流器或并聯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 圖 所示的統(tǒng)一電能質量調節(jié)器，安裝在交流電網 和電力用戶之間，可以獲得如下的補償效果：對于交流電網側，使得在負載不平衡、非線性的情況下，交流電網輸入電流平衡、正弦且與交流電網電壓同相，電網輸入功率因數為 1，電網僅向負載輸送有 11 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 1bE 和 2bE ：串聯連接， 21 bb EE ? ，并接在變流器的公共直流端，作為交流電網掉電時的備用電源，保證負載的不間斷供電需求。 （ 4） 并聯變流器 VSC2：該變流器 經輸出濾波電感 L濾波電容 C2 后并接在負載端，稱為并聯變流器，同樣由三相全控半橋電路組成，采用高頻 PWM 控制技術，具有雙向四象限工作特性。圖 21 所示串聯變壓器 Ts 為三相耦合變壓器，采用星型接法。如圖 所示， UPQC 系統(tǒng)由以下各部分組成： （ 1） 交流電網：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。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構對系統(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。 通過對實驗結果的分析證明電能質量控制器串聯 變流器可以有效的改善電網側電能質量。 然后 本文 建立 了電能質量控制器的 串聯變流器的數學模型， 討論了 串聯變流器在理想電網電壓和非理想電網電壓下的控制方案，詳細分析了串聯變流器的仿真模型的建立，并對串聯變流器各種控制 方案進行了仿真分析。 本文選擇統(tǒng)一電能質量調節(jié)器 的 串聯變流器 作為研究對 象， 是 因為 UPQC 的電路基礎是串并聯的雙四象限 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型 APF 的理論研究較深入， 但是串聯型APF 則研究得不深入，投入實際應用的也很少， 所以串聯變流器是本文的重點 。 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 采用單一的串聯或并聯的電能質量控制器， 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，要么 和電網串聯，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。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 為 1，實現負載和電網之間完全的擾動隔離。 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。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。 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）。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。 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。從負載側看，并聯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的低，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 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。如圖 所示，變流器與負載并聯地接在電網上，直流端包含一個電