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电能质量综合补偿器补偿电压跌落和浪涌的新策略
xiao_xiao1 发表于 2009/3/18 11:15:07 754 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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关键词: 电能质量综合补偿器; 脉宽调制; 动态调节
1引言
随着微电子、计算机等高新技术的深入发展，人们越来越认识到优质的电能供应对保障社会正常运行的重要意义［1］。我国已经顺利加入WTO，国外许多如芯片制造、精密加工等高新企业纷纷落户，这些企业的所在地如上海浦东开发区、苏州新加坡工业园等已经对电能质量如电压中断、闪变和谐波含量等提出了严格的要求。
用户电力技术（Custom power）为满足这些要求、全面解决电能质量问题提供了一条切实可行的新途径。该技术将电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配、用电系统，以减小谐波畸变，消除电压跌落、电压浪涌、电压的不平衡和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。目前电力电子器件如GTO、IGBT以及近几年刚出现的IEGT、IGCT等的开关容量和频率已经基本满足中、低压配、用电系统的要求，另外由于目前对半导体材料SiC已经取得了新的研究突破，以后的电力电子器件在开关容量和频率上将会有数量级的增长，而开关损耗则变为现有损耗的几十分之一［2］。与Custom power技术紧密相关的微处理器如美国TI公司、AD公司的新型数字信号处理器也完全具备了对Custom power家族中各种装置进数据处理和实时控制的能力［3］。
在Custom power家族中 ，有一类可抑制电流、电压畸变量的装置——有源滤波器(Active power filter，APF)，根据其结构和功能的不同可分为并联型有源滤波器（shunt/parallel APF）、串联型有源滤波器(series APF)以及串并联型有源滤波器（即电能质量综合补偿器，Unified power quality compensator/conditioner ，UPQC），按照目前的工业应用实践，shunt APF主要用于抑制非线性负载的电流谐波，使流向电网的电流为正弦波；series APF主要用于电源电压畸变量的补偿，使用户得到标准的正弦波电压。然而shunt APF或series APF在系统中单独工作时却表现出一定的局限性［4］。电能质量综合补偿器UPQC则集shunt APF和series APF的功能于一体，既能抑制电流畸变量，又能补偿电压畸变量，是一种较为理想的补偿装置。
2电能质量综合补偿器UPQC
由图1可见，UPQC的主体主要包含一个串联变流器和一个并联变流器，两者通过直流电容耦合起来，组成“ACDCAC”的结构模式。串联变流器通过串联在电网中的变压器向系统注入一个补偿电压来补偿电源电压中的畸变量。而并联变流器则通过电感L2向交流系统注入一定的谐波分量，用于抑制非线性负载产生的谐波电流（当然同时也可以向电网注入电流无功分量，从而补偿无功）。并联变流器的另一个作用是向直流耦合电容提供有功电流，用于补偿UPQC的有功损耗，从而维持电容上的电压恒定。由于两个变流器都是由PWM控制信号进行控制，因此在变流器的输出端将产生一定的高次谐波，为此需要一定的无源滤波电路来滤除这些高次谐波，避免它们流入电网。图1中的L1、C和L2、C起到了上述的滤波作用。
2.1UPQC的检测方法
近年来，针对谐波检测人们已提出了许多检测方法，其中有一种能适用于非正弦、非对称电路的基于广义瞬时无功功率理论和dq0坐标系变换的检测法，简称dq0检测法，与其它方法相比该方法具有很好的实时性和准确性［4］。本文将把dq0变换（或dq0反变换）作为检测的核心，分别辅以其它环节，构成UPQC并联和串联部分的检测方法。
图2所示为UPQC并联对畸变电流的检测示意图，在dq0变换中，输入的三相负载电流ial、ibl、icl经dq0变换，第n次正序分量将变为dq0坐标系下的第n-1次分量；第n次负序分量将变为dq0坐标系下的第n+1次分量；只有对称基波正序分量在dq0变换下，转换成d、q轴上的直流分量，零轴分量为零。这样如把ial、ibl、icl经dq0变换所得到的id、iq分别滤除其中的直流分量（即图2中的低通滤波LPF和减法环节所示），得到
和
，之后
和零轴分量i0再经dq0反变换就可以得到a、b、c三相负载电流中待补偿的畸变分量iac、ibc和icc。图中a相电源电压经低通滤波BPF输入锁相环PLL，给dq0 变换模块和dq0反变换模块提供实时的同步信号。
UPQC串联部分主要功能就是要保证用户负荷得到标准的正弦电压，即原电源电压中，无论是谐波分量、不对称分量，还是高于或低于标准电压的基波分量，都必须滤除。由此得到一个启发：在检测电压畸变分量时，可以用原电源电压减去一个负载需要的标准电压，所得的差值就可作为电压待补偿量。该检测方法的流程如图3所示。
2.2UPQC的控制策略
UPQC并联部分既要补偿负载电流的谐波分量又要补偿UPQC的有功损耗从而维持直流电容上的电压恒定，因此并联部分的控制较为复杂。本文采用补偿有功损耗的PI控制策略。其原理如图4所示。
图4中，将检测到的电容两侧电压实际值uc与给定电压值ucr相比较，两者之差经PI环节后得到调节信号iq-dcv。由于UPQC的损耗是作为瞬时实功率分量来考虑的，因而iq-dcv实质上是对主电路的损耗进行实时补偿分量。当把iq-dcv叠加到图2中的q轴分量
上时（因为瞬时有功电流经dq变换后落在q轴），再经过dq0反变换运算，则在图2得到的电流iac、ibc、icc中就会包含一定的基波有功电流而变为图4中的
，从而使UPQC的直流电容侧与交流侧交换能量，让直流电容两侧电压uc保持为参考量ucr。最后UPQC并联侧电流待补偿量与调制三角波进行比较得到PWM控制信号去控制电力电子开关器件的通断。
从有关UPQC的文献［5］来看，目前UPQC串联部分的控制较为简单，也较为传统，只要用检测出的电压待补偿量即调制信号与三角载波进行调制得到PWM控制信号，然后由PWM控制信号直接去控制电力电子开关器件的通断。前面之所以称该方法较为传统，是因为在串联部分进行电压畸变量补偿时，采用的PWM控制中的调制三角载波幅值是个恒值，它没有随畸变量幅值的变化（如出现电压跌落和浪涌）而变化。第3节将对该问题作一些探讨。
2.3电压含稳定谐波量时UPQC的补偿效果
设三相整流负载正常工作时需要的相电压是幅值为155 V的标准正弦波，而实际电源电压中除了已经符合要求的基波外还含有稳定的3、5、7次谐波，它们的谐波含有率HR均为10%。
图5为电源电压Usa和经UPQC的补偿后得到的负载电压Ula的波形及各自相应的FFT分析结果。图6为负载电流Ila和经UPQC补偿后的电源电流Isa的波形及各自相应的FFT分析结果。
从仿真结果可见，UPQC不仅几乎完全补偿了电源电压中的低次谐波分量，而且还补偿了非线性负载产生的绝大部分的低次电流谐波。经计算，电源电压Usa的THD为17.3%，而负载电压Ula的THD降为1.52% ；UPQC还使非线性负载电流的THD大大降低，由负载侧的63.8%降到电源侧的4.73%，应该说在电压仅存在稳定的谐波时UPQC还是取得了很好的补偿效果。
3UPQC补偿电压跌落和浪涌
电压跌落和浪涌在电力系统中较为常见，但目前国内外对两者尚无统一的定义。通常认为电压下降至正常电压的0.1－0.9 pu，持续时间达0.5-30周波时就称之为电压跌落；而当电压上升到正常电压的1.1－1.8 pu，持续时间达0.5-30周波时就称之为电压浪涌［6］。另据Siemens电力事业部对欧洲电网的电压跌落进行的统计［7］表明，电压跌落的持续时间主要集中在100 ms以内，跌落的幅值在0.1－0.3 pu所占比例为48％，跌落的幅值在0.3－0.6 pu所占比例为17％，跌落的幅值在0.6－1.0 pu所占比例为12％。电压跌落和浪涌作为电能质量问题的一种，它对社会生产的危害绝不逊于电压、电流谐波的危害。目前已经有研究表明电压跌落和瞬时供电中断是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的动态电能质量问题［1］［6］。随着社会自动化、智能化水平的不断提高，计算机和各种基于微处理器和智能芯片的嵌入式系统得到了大量的应用，而它们对供电电压的要求极为苛刻，因为短时的电压跌落或中断将造成数据丢失、设备失控等危害。从2.1－2.2节的分析看来，由于电压的跌落和浪涌同样属于电压畸变，那么UPQC对它们也应该具有补偿作用?下面将假设电压跌落或浪涌的幅值为典型值0.4 pu，持续时间为40 ms。如果串联部分仍旧采用2.2节提到的三角载波幅值恒定的PWM控制，则UPQC对电压谐波、电压跌落的补偿结果如图7所示，对电压谐波、电压浪涌的补偿结果如图8所示。由图7、8的波形可见：在电压跌落和浪涌期间UPQC对电压的的补偿效果未尽人意。对补偿后电压跌落和浪涌期间的波形进行FFT计算发现，图7中0.4 pu的基波电压跌落被补偿了0.24 pu，还剩0.16 pu未能补偿，同时这一期间原先各占10％的3、5、7次谐波被补偿后剩余含量为：3次谐波5.3%，5次谐波4.1%，7次谐波2.8%。图8中0.4 pu的基波电压浪涌被补偿的比例相对基波电压跌落被补偿的比例要高些，但3、5、7次电压谐波仅仅被补偿了极少部分。下文将对该问题作进一步研究，以期提高UPQC对电压跌落和浪涌的补偿能力。
4电压跌落和浪涌时对UPQC串联部分PWM控制的改进
通过对UPQC串联部分PWM控制分析发现，造成UPQC对电压跌落和浪涌补偿不力的原因是由于在电压跌落或浪涌期间串联部分检测到的电压畸变量幅值大大超过了三角载波的幅值。通常在未出现电压跌落或浪涌时，电压畸变量幅值与三角载波的幅值之间的比例即调制度α取为0.95左右，α过小，则PWM信号中的开关次高频谐波成分过大，给高频滤波带来了困难；α取值如果超过1，则在PWM信号中将会引入并不希望的低频谐波，而且其中的基波也不能达到所希望的幅值［8］。
4.1电压跌落、浪涌时采取的策略
电压跌落和浪涌尽管在系统经常出现，但从时间角度考虑，它们同仅含有电压谐波的情况相比，可以忽略不计，这样在设定UPQC串联侧PWM控制中的调制度α时就直接取为典型值0.95，而当出现电压跌落或浪涌时，为了保证补偿效果，调制度α也应该取为0.95，这样在电压跌落或浪涌期间将三角载波的幅值就应该作相应的放大——不妨称之为动态调节三角载波幅值的PWM控制技术。图9即为该原理的示意图。其中三角载波的放大比例系数可由电压跌落或浪涌发生期间的电压畸变量的峰值除以电压跌落或浪涌发生前的电压畸变量的峰值得到。
4.2采用动态调节三角波幅值PWM控制时UPQC补偿电压跌落和浪涌
仍旧假设电压跌落或浪涌的幅值为0.4 pu，持续时间为40 ms。但串联部分改用4.1节提出的动态调节三角载波幅值的PWM控制技术，则UPQC对电压谐波、电压跌落的补偿结果如图10所示，对电压谐波、电压浪涌的补偿结果如图11所示。分别比较图7、10和图8、11发现，在电压跌落和浪涌期间，由于采用了动态调节三角载波幅值的PWM控制技术，电能质量综合补偿器不仅很好的补偿了电压谐波分量，而且对电压的跌落和浪涌也起到了良好的补偿作用。