通用電能質(zhì)量控制器的原理及應(yīng)用

通用電能質(zhì)量控制器的原理及應(yīng)用

1研究方興未艾在電網(wǎng)中，變流器、頻速器、電弧爐、電氣機(jī)車和其他能源設(shè)備的廣泛應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)效益具有很好的影響。此外，負(fù)載性非線性、沖擊性和不平衡的能源特性也導(dǎo)致不同的干擾成分的增加，這使得電網(wǎng)的能耗（pq）日益嚴(yán)重，并對(duì)傳輸、輸送、配電、能源等裝置和設(shè)備造成不同程度的影響和損害。與此同時(shí),隨著生產(chǎn)和生活水平的不斷提高,電力用戶對(duì)PQ和可靠性也提出了更高要求,供電技術(shù)已從數(shù)量階段向質(zhì)量階段轉(zhuǎn)換,PQ的好壞直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的總體效益,引起了廣泛關(guān)注。近年來(lái),如何提高PQ已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn),一些專業(yè)人士提出很多改善方法和技術(shù)。比較有影響的是用戶電力(CustomPower)的PQ控制技術(shù)新概念,它是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和現(xiàn)代電力電子技術(shù)等用于配電系統(tǒng),并與配電系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合,為各種不同用戶提供相應(yīng)供電質(zhì)量的電能,使電網(wǎng)成為實(shí)時(shí)可控的柔性化配電系統(tǒng),是現(xiàn)代科技和電力市場(chǎng)發(fā)展的必然結(jié)果,代表下一代配電系統(tǒng)的發(fā)展方向。目前用PQ控制技術(shù)對(duì)各種電力電子設(shè)備的研究方興未艾,正在研制或部分投入使用的典型設(shè)備有固態(tài)斷路器(SSCB)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、配電系統(tǒng)用靜止同步補(bǔ)償(D-Statcom)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)和有源電力濾波器(APF)等。更新的有通用電能質(zhì)量控制器(UniversalPowerQualityController,UPQC),它是20世紀(jì)90年代后期提出的基于PQ控制技術(shù)的一種裝置,相比較而言,其改善電網(wǎng)PQ的綜合性能更優(yōu),值得就其一些相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展研究。2基于upqc的負(fù)載側(cè)無(wú)pq補(bǔ)償聯(lián)結(jié)在電網(wǎng)和低壓配電系統(tǒng)公共連接點(diǎn)(PCC)之間的UPQC系統(tǒng)聯(lián)結(jié)如圖1所示。它有兩個(gè)變流器,分別構(gòu)成串聯(lián)控制器(SC)和并聯(lián)控制器(PC),有時(shí)也稱為串聯(lián)APF和并聯(lián)APF。與電網(wǎng)聯(lián)結(jié)時(shí),UPQC通常有兩種系統(tǒng)聯(lián)結(jié)方式,即圖1(a)所示的第一種和圖1(b)所示的第二種方式。無(wú)論哪種方式,SC都是通過(guò)變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng),而PC都是直接并聯(lián)接入電網(wǎng),分別承擔(dān)不同的補(bǔ)償任務(wù)。兩個(gè)變流器共用一個(gè)直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié),通常是一個(gè)直流側(cè)電容。這種基于雙變流器結(jié)構(gòu)的UPQC與統(tǒng)一潮流控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似,可以控制低壓配電系統(tǒng)的PQ。電網(wǎng)側(cè)的PQ問(wèn)題一般主要源自電壓諧波和電壓幅度的擾動(dòng),包括穩(wěn)態(tài)幅度不穩(wěn)和瞬態(tài)幅度短時(shí)跌落或上升、電壓短時(shí)中斷,而負(fù)載側(cè)PQ問(wèn)題主要源自電流擾動(dòng),包括諧波和無(wú)功電流。UPQC聯(lián)結(jié)到電網(wǎng)時(shí)的一相等效電路如圖2所示。兩種方式均能采用如下的補(bǔ)償策略式中Δu為要補(bǔ)償?shù)碾妷悍至?除諧波正、負(fù)序(含基波負(fù)序)分量外,它還可包括零序和電壓幅度擾動(dòng)等分量;Δi為要補(bǔ)償?shù)碾娏鞣至?除諧波正、負(fù)序(含基波負(fù)序)和(基波正序)無(wú)功分量外,它還可包括零序分量;Ucref為設(shè)定的直流側(cè)(電容)電壓;UC為當(dāng)前檢測(cè)的直流側(cè)電壓。如果UPQC的SC和PC分別能按式(1)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓和電流,則無(wú)論哪種方式,補(bǔ)償后電網(wǎng)都只輸出(基波正序)有功電流,負(fù)載端電壓將滿足PQ標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)檢測(cè)得到的電網(wǎng)電壓的諧波正、負(fù)序電壓補(bǔ)償指令,SC被等效控制為電壓控制電壓源,對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行補(bǔ)償,其作用類似于串聯(lián)型APF或DVR;而根據(jù)檢測(cè)得到的負(fù)載諧波正、負(fù)序和無(wú)功電流補(bǔ)償指令,PC可等效控制為電流控制電流源,向電網(wǎng)注入與負(fù)載諧波正、負(fù)序及無(wú)功和零序電流大小相等、方向相反的電流,對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行補(bǔ)償,使電網(wǎng)只輸出有功電流,其作用類似于并聯(lián)型APF。UC的穩(wěn)定,可通過(guò)控制PC從電網(wǎng)吸收或釋放的有功電流來(lái)維持。UPQC能用于單相、三相三線制或三相四線制系統(tǒng)中,可聯(lián)結(jié)在指定負(fù)載或配電系統(tǒng)PCC上。與PQ控制技術(shù)的其它設(shè)備相比,UPQC主電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、檢測(cè)和處理的信號(hào)多、控制技術(shù)要求也高,但它不僅能提高電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量,還能消除負(fù)載產(chǎn)生的各種PQ問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)和損害。3基于充放電保護(hù)電壓中u和cu假設(shè)UPQC系統(tǒng)中電網(wǎng)、PC、SC或負(fù)載等任一部分的端口瞬時(shí)電壓分別為ua、ub、uc,端口瞬時(shí)輸入電流分別為ia、ib、ic。根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論[4,14-15],有式中C32是從三相到兩相的坐標(biāo)變換陣。UPQC系統(tǒng)中任一部分吸收的瞬時(shí)有功p和無(wú)功q為式中瞬時(shí)功率的兩種表示式等價(jià),可視三相電路電壓和電流的具體形式靈活選擇。實(shí)際應(yīng)用中,常把式(3)中的功率分量分解為直流(dc)分量和脈動(dòng)或交流(ac)分量?jī)刹糠?。其?dc分量對(duì)應(yīng)基波正序分量,ac分量對(duì)應(yīng)諧波正、負(fù)序和零序分量等。由三相電路對(duì)稱分量法得電網(wǎng)(電源)電壓為.式中U+k和U-k分別為諧波正、負(fù)序分量(k=1時(shí)為基波分量)的有效值;φ+k和φ-k分別為它們的初相。利用式(2)把電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為兩相電壓,得式中I+k和I-k分別表示諧波正、負(fù)序分量(k=1時(shí)為基波分量)的有效值;θ+k和θ-k分別表示它們的初相。通過(guò)式(2)把負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為兩相電流,得PC補(bǔ)償負(fù)載時(shí)應(yīng)產(chǎn)生的諧波正、負(fù)序和無(wú)功電流分別為PC補(bǔ)償負(fù)載后,電網(wǎng)只輸出與其電壓基波分量同相的基波正序有功電流,即UPQC工作時(shí),PC除要補(bǔ)償負(fù)載的諧波正、負(fù)序和無(wú)功電流外,要從電網(wǎng)吸收與其電壓基波分量同相的基波有功電流,以維持Uc的恒定。所以,在基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波和無(wú)功電流運(yùn)算原理圖中,要加入一個(gè)控制UC的調(diào)節(jié)器。讓其按偏差比例控制,比例系數(shù)為kp,則其輸出為(Ucref-Uc),從而維持Uc恒定而輸出到PC的有功電流是式中C23為從兩相到三相的坐標(biāo)變換陣;為反變換陣。由式(10)和(11)可知,PC補(bǔ)償負(fù)載后,電網(wǎng)輸出的有功電流總和應(yīng)為用式(2)把它轉(zhuǎn)換為兩相電流為根據(jù)式(6)和式(12),PC補(bǔ)償?shù)碾娏鳛橥ㄟ^(guò)式(2)把該三相電流變換為兩相電流,得SC產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓應(yīng)為式中第一項(xiàng)ΔU為補(bǔ)償電網(wǎng)電壓跌落或上升的分量。通過(guò)式(2)將式(16)變換為此時(shí),對(duì)應(yīng)補(bǔ)償后的負(fù)載電壓(電網(wǎng)輸出電壓)只含基波正序分量,即式中U為公共連接點(diǎn)處滿足PQ標(biāo)準(zhǔn)的電壓有效值,它等于基波正序電壓U+1。用式(2)可將式(18)變換為4功率分析4.1基波正序無(wú)功cs從圖1所示UPQC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),無(wú)論是哪種系統(tǒng)聯(lián)結(jié)方式,在PC補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波正、負(fù)序和無(wú)功電流后,電網(wǎng)都只輸出基波正序有功電流,因此只要將式(5)和式(13)代入式(3)中就能得到電網(wǎng)輸出的瞬時(shí)有功ps和無(wú)功qs。其中dc分量和分為兩項(xiàng),即式中為直接提供給負(fù)載的功率;為PC吸收的維持UC恒定的功率。而ac分量為顯然,假設(shè)維持UC恒定的調(diào)節(jié)系數(shù)kp相同,則兩種方式下電網(wǎng)輸出的ac功率分量相同,均由電網(wǎng)電壓的諧波正、負(fù)序分量產(chǎn)生。4.2負(fù)載吸收功能模塊無(wú)論何種聯(lián)結(jié)方式,在SC補(bǔ)償電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波正、負(fù)序電壓后,負(fù)載端電壓是滿足PQ標(biāo)準(zhǔn)的基波電壓。因此,兩種方式下負(fù)載從電網(wǎng)吸收的功率分量相同。將式(7)和式(19)代入式(3),就能得到負(fù)載吸收的瞬時(shí)有功p1和無(wú)功q1。其中,dc分量為式中為負(fù)載吸收的有功分量?？梢?jiàn),考慮到在UPQC作用下負(fù)載端電壓是滿足PQ標(biāo)準(zhǔn)的U+1,無(wú)論哪種聯(lián)結(jié)方式,就等于電網(wǎng)供給負(fù)載的功率dc分量。而ac分量為可見(jiàn),兩種方式下負(fù)載從電網(wǎng)吸收的功率ac分量相同,均由負(fù)載諧波正、負(fù)序電流產(chǎn)生。4.3u3000方法學(xué)法分析在PC對(duì)負(fù)載電流的補(bǔ)償作用下,第一種方式中只有電網(wǎng)提供的有功電流通過(guò)SC,因此將式(13)和式(17)代入式(3),就能獲得SC吸收的瞬時(shí)有功pu和無(wú)功qu。其中dc分量以及ac分量和均可分為兩部分。dc分量的兩部分分別為式中分別為負(fù)載從電網(wǎng)吸收的有功電流產(chǎn)生的、補(bǔ)償電網(wǎng)電壓跌落或上升而維持負(fù)載為額定電壓U的有功分量和維持Uc恒定的有功分量。ac分量的兩部分分別為式中為負(fù)載從電網(wǎng)吸收的有功電流產(chǎn)生的功率脈動(dòng)分量;為維持UC恒定所吸收電網(wǎng)的有功電流產(chǎn)生的功率脈動(dòng)分量。在第二種方式中,除負(fù)載從電網(wǎng)吸收的基波有功電流外還有諧波和無(wú)功電流通過(guò)SC,因此將式(7)和式(17)代入式(3),就得到SC吸收的瞬時(shí)有功pu和無(wú)功qu。其中,dc分量分為兩部分,ac分量分為四部分。dc分量的兩部分,分別為式中分別為負(fù)載從電網(wǎng)吸收的有功電流產(chǎn)生的補(bǔ)償電網(wǎng)電壓跌落或上升而維持負(fù)載為額定電壓U的有功和無(wú)功分量;Pu2和qu2為同頻率諧波正序電壓和電流及同頻率諧波負(fù)序電壓和電流相互作用產(chǎn)生的有功和無(wú)功分量。ac分量的四部分分別為式中為負(fù)載從電網(wǎng)吸收的有功電流分量產(chǎn)生的功率脈動(dòng)分量;為諧波正、負(fù)序電壓分量與不同頻率的諧波正、負(fù)序電流(但不包括基波負(fù)序電流)分量作用產(chǎn)生的功率脈動(dòng)分量;為無(wú)功電流分量與諧波正、負(fù)序電壓分量作用產(chǎn)生的功率脈動(dòng)分量;為由補(bǔ)償電網(wǎng)電壓跌落或上升的基波電壓ΔU與諧波正、負(fù)序電流分量作用產(chǎn)生的功率脈動(dòng)分量。4.4無(wú)功電流和諧波正、負(fù)序電流ac分量的u和n在SC對(duì)電網(wǎng)電源的補(bǔ)償作用下,第一種方式中PC的端電壓與負(fù)載端電壓一樣,都是滿足PQ標(biāo)準(zhǔn)的基波正序電壓。因此,只要將式(15)和式(19)代入式(3),既可得到PC吸收的瞬時(shí)有功功率pi和無(wú)功功率qi。其中直流分量pi和qi可分為兩部分,分別為式中為電網(wǎng)額定電壓U和PC輸出的無(wú)功電流作用產(chǎn)生的無(wú)功,它補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功;為由吸收的有功電流所產(chǎn)生的有功,它維持UC恒定。ac分量為式中為由U與PC吸收的諧波正、負(fù)序電流作用產(chǎn)生的功率脈動(dòng)分量,對(duì)負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。由于先直接并聯(lián)到電網(wǎng)側(cè),第二種方式PC的端電壓為電網(wǎng)輸出電壓,因此將式(5)和(15)代入式(3),可得PC吸收的瞬時(shí)有功pi和無(wú)功qi。其中dc分量的三部分分別為式中為由電網(wǎng)電壓U+1和吸收的無(wú)功電流作用產(chǎn)生的無(wú)功;為由U+1與吸收的有功電流所產(chǎn)生的有功,它維持Uc恒定;為同頻率諧波正序電壓和電流以及同頻率諧波負(fù)序電壓和電流作用產(chǎn)生的功率分量,它們與一起補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功和諧波正、負(fù)序分量。ac分量的四部分分別為式中對(duì)應(yīng)U+1與諧波正、負(fù)序電流產(chǎn)生的功率分量;為諧波正、負(fù)序電壓分量與不同頻率的諧波正、負(fù)序電流(不包括基波負(fù)序電流)分量作用后產(chǎn)生的功率分量;為無(wú)功電流分量與諧波正、負(fù)序電壓分量作用產(chǎn)生的功率分量;為從電網(wǎng)吸收的、用來(lái)維持UC恒定的有功電流分量與諧波正、負(fù)序電壓分量作用產(chǎn)生的功率分量。5upqc的特性在相同的電網(wǎng)和負(fù)載條件下,針對(duì)UPQC的兩種系統(tǒng)聯(lián)結(jié)方式及其工作原理,分析了電網(wǎng)輸出及PC、SC和負(fù)載吸收的瞬時(shí)有功和無(wú)功及其構(gòu)成。結(jié)果表明:(1)第一種方式PC吸收的、維持UC恒定的電網(wǎng)有功電流要通過(guò)SC,但第二種方式卻不通過(guò)SC。(2)UPQC工作時(shí),兩種方式電網(wǎng)輸出及負(fù)載吸收的瞬時(shí)功率相同。在第一種方式,通過(guò)SC的電流是基波正序有功電流,加在PC的電壓是滿足PQ標(biāo)準(zhǔn)的基波正序電壓,而在第二種方式通過(guò)SC的電流是負(fù)載電流(非正弦電流),加在P