8.5統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC本章前4節(jié)主要介紹了無功靜止無功發(fā)生器（SVG），有源電力濾波（APF）和動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）。它們只能解決單一的電能質(zhì)量問題。隨著電網(wǎng)用戶的多樣化發(fā)展，多種電能質(zhì)量問題會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在同一供電系統(tǒng)中，這時(shí)電壓波動(dòng)、諧波電流和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}都需要解決。若針對(duì)每種電能質(zhì)量問題都采用相應(yīng)單一的調(diào)節(jié)裝置，不但會(huì)增加治理成本，還會(huì)增加設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的難度。日本學(xué)者赤木泰文在1996年首次提出了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)的概念。在這種系統(tǒng)中，一對(duì)“背對(duì)背”的變流器通過公共的直流母線連到一起，它既可補(bǔ)償電源電壓驟升、驟降、不對(duì)稱、閃變和波動(dòng)等，又可補(bǔ)償無功和諧波電流。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)是一種具有綜合功能的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，目前國內(nèi)在該方面的研究也取得了一定的成果。本節(jié)主要介紹統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、檢測(cè)算法、控制策略和主電參數(shù)的確定等。8.5統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC8.5.1統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的工作原理8.5.2統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器系統(tǒng)組成8.5.3統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制策略8.5.4統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器仿真分析8.5.1統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的工作原理

1．UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2．UPQC工作原理3．統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器檢測(cè)算法1．UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，本節(jié)主要介紹兩種常用的結(jié)構(gòu)拓?fù)?，即“左串右并型”和“左并右串型”?1)左串右并型

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一對(duì)“背對(duì)背”的變流器、中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、補(bǔ)償變壓器和輸出電感組成。并聯(lián)側(cè)變流器連接于負(fù)荷側(cè)，用于完成諧波電流和無功電流的補(bǔ)償，同時(shí)保證兩個(gè)變流器之間的直流電壓穩(wěn)定；串聯(lián)側(cè)變流器通過補(bǔ)償變壓器接在系統(tǒng)一側(cè)，完成對(duì)電壓質(zhì)量問題的調(diào)節(jié)，如補(bǔ)償電壓跌落和不對(duì)稱等。(2)左并右串型

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和左串右并同樣由一對(duì)“背對(duì)背”的變流器、中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、輸出變壓器和輸出電感組成。不同的是其并聯(lián)側(cè)變流器連接于系統(tǒng)側(cè)，僅用于完成兩個(gè)變流器之間的直流電壓穩(wěn)定。串聯(lián)側(cè)變流器通過補(bǔ)償變壓器接在負(fù)荷一側(cè)，完成對(duì)電壓質(zhì)量問題的調(diào)節(jié)。此外，在負(fù)荷側(cè)還并接一個(gè)LC無源濾波器，濾除固定次數(shù)諧波。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的并聯(lián)變流器的容量較小。

由于UPQC串并聯(lián)變流器安裝位置的不同，對(duì)其容量的要求也不一樣。第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然對(duì)并聯(lián)側(cè)的變流器的容量要求較低，但是對(duì)諧波電流的補(bǔ)償效果并不理想。左串右并型由于并聯(lián)變流器處于串聯(lián)變流器下游，電壓?jiǎn)栴}已經(jīng)得到串聯(lián)變流器補(bǔ)償，不會(huì)干擾并聯(lián)變流器的工作；同時(shí)，由于并聯(lián)變流器對(duì)諧波及無功電流的補(bǔ)償，經(jīng)過串聯(lián)變流器的電流得以減小，從而適度的減小了串聯(lián)變流器的容量。所以目前UPQC電路大多數(shù)采用左串右并結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)又可分為，單相、三相三線制和三相四線制等主要類型。1）單相統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是由兩個(gè)雙向H橋變流器通過直流電容連接到公共直流母線構(gòu)成，如圖所示。串聯(lián)變流器通過L1、C1組成的低通濾波器和補(bǔ)償變壓器串聯(lián)到系統(tǒng)側(cè)線路上。并聯(lián)變流器通過連接電感L2、C2連到負(fù)荷側(cè)線路上。L1、C1

組成的低通濾波器用于消除串聯(lián)側(cè)高次諧波，L2

、C2組成的低通濾波器用于消除并聯(lián)側(cè)高次諧波2）三相三線制統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器三相三線制統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是通過兩個(gè)背對(duì)背三相變流器和中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)等構(gòu)成。并聯(lián)側(cè)變流器通過電感L2a、L2b、L2c連到負(fù)載側(cè)交流線路上，用于補(bǔ)償諧波和無功電流。L1x

、C1x

(x=a,b,c)和L2x、C2x

(x=a,b,c)組成的低通濾波器用于消除兩個(gè)背對(duì)背變流器輸出的高次諧波。串聯(lián)側(cè)變流器補(bǔ)償變壓器輸出補(bǔ)償電壓解決電網(wǎng)中電壓質(zhì)量問題，補(bǔ)償變壓器可以是三相變壓器也可以用三個(gè)單相變壓器組成3）三相四線制統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

三相四線制電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器適用于三相四線制供電系統(tǒng)中。串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償變壓器采用星連接法。將三相四線制中的中線與直流側(cè)電壓中點(diǎn)相連，為不平衡電壓補(bǔ)償時(shí)提供零序電流的通路，直流側(cè)中點(diǎn)為兩個(gè)電容串聯(lián)的節(jié)點(diǎn)。為了補(bǔ)償不對(duì)稱分量變流器有時(shí)也采用三個(gè)H橋組成或四橋臂組成的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。2．UPQC工作原理

串聯(lián)側(cè)用于補(bǔ)償電壓，其輸出的電壓大小由電網(wǎng)電壓控制，其實(shí)質(zhì)為一個(gè)受控電壓源；而并聯(lián)側(cè)輸出電流，其主要由三部分組成，即負(fù)載諧波電流、負(fù)載無功電流和維持直流電壓穩(wěn)定的有功電流，其實(shí)質(zhì)為一個(gè)受控電流源。補(bǔ)償過程為當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，UPQC控制部分將檢測(cè)到的實(shí)際電網(wǎng)電壓與負(fù)載要求電壓進(jìn)行比較，根據(jù)采用的控制補(bǔ)償策略使UPQC的串聯(lián)側(cè)輸出相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，以保持負(fù)載端電壓滿足要求；同樣并聯(lián)側(cè)以負(fù)載電流中的諧波電流、無功電流分量以及通過直流檢測(cè)電路檢測(cè)到的有功電流分量作為指令電流，通過該指令電流控制并聯(lián)側(cè)變流器。3．統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器檢測(cè)算法

由于UPQC要實(shí)時(shí)的補(bǔ)償電流和電壓，解決電能存在的質(zhì)量問題，其對(duì)諧波電流、無功電流及電壓跌落等信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性及相移是否準(zhǔn)確關(guān)系到UPQC能否可靠高效的工作。目前周期信號(hào)檢測(cè)的方法主要有基于有效值定義的均方根法，基于整流的交/直流變換法，傅里葉級(jí)數(shù)法和基于坐標(biāo)變換法等，鑒于UPQC對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)性的要求。串、并聯(lián)側(cè)信號(hào)的檢測(cè)選用基于坐標(biāo)變換法，其串聯(lián)側(cè)具體實(shí)現(xiàn)同8.3節(jié)，并聯(lián)側(cè)的實(shí)現(xiàn)同8.2節(jié)的內(nèi)容，本節(jié)不再贅述。8.5.2統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器系統(tǒng)組成

除選擇合適的檢測(cè)和控制算法外，硬件電路的科學(xué)合理設(shè)計(jì)也影響著UPQC的補(bǔ)償性能。UPQC裝置中主要包括數(shù)據(jù)采集、補(bǔ)償量檢測(cè)、計(jì)算、輸出等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)電路的總體結(jié)構(gòu)圖如圖所示。檢測(cè)調(diào)理等電路的設(shè)計(jì)請(qǐng)參閱第7章的內(nèi)容。8.5.3統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制策略1．不同補(bǔ)償策略的能量流動(dòng)分析2．最優(yōu)補(bǔ)償角的確定3．補(bǔ)償電壓的計(jì)算4．直流側(cè)穩(wěn)壓控制策略5．輸出PWM控制方法1．不同補(bǔ)償策略的能量流動(dòng)分析

采用左串右并UPQC主電路拓?fù)洌瑸榱朔治龇奖慵僭O(shè)補(bǔ)償變壓器為理想變壓器，忽略開關(guān)管功率損耗，并聯(lián)側(cè)對(duì)負(fù)載諧波電流、無功電流分量能進(jìn)行完全補(bǔ)償，保證電網(wǎng)電流為純正弦且電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為1，則UPQC串聯(lián)側(cè)可等效為一個(gè)受電網(wǎng)電壓控制的電壓源，并聯(lián)側(cè)可等效為一個(gè)受負(fù)載諧波、無功電流控制的可控電流源，其單相等效電路原理圖和單相基波相量圖如圖所示。

根據(jù)UPQC直流側(cè)提供補(bǔ)償能量及負(fù)載電壓補(bǔ)償前后的相位不同可將電壓補(bǔ)償控制策略分為：完全補(bǔ)償、同相位補(bǔ)償和最小能量補(bǔ)償。(1)基于同相位補(bǔ)償策略的能量流動(dòng)分析

同相位補(bǔ)償策略指的是補(bǔ)償電壓的相位與電網(wǎng)波動(dòng)后的電壓同相，即只對(duì)波動(dòng)的幅值進(jìn)行補(bǔ)償，而不考慮相位的變化。它們相量關(guān)系如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)單，補(bǔ)償迅速，可補(bǔ)償?shù)姆秶畲螅珶o法控制有功功率的輸出，不能補(bǔ)償相位的變化，因此該控制策略多用于對(duì)相位變化要求不敏感的場(chǎng)合

同相位補(bǔ)償策略的要求是輸出的補(bǔ)償電壓始終與電網(wǎng)電壓同相位

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，UPQC并聯(lián)側(cè)吸收的有功功率，并通過中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)傳遞給串聯(lián)側(cè)，而負(fù)載所需的無功功率始終由并聯(lián)側(cè)提供。能量傳遞方向如圖所示。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生凸升時(shí)，則由UPQC串聯(lián)側(cè)吸收有功功率，通過中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)傳遞給并聯(lián)側(cè)，有功功率從的傳遞與電網(wǎng)電壓跌落時(shí)正好相反。(a)電網(wǎng)電壓跌落(b)電網(wǎng)電壓凸升(2)基于最小能量補(bǔ)償策略的能量流動(dòng)分析

最小能量補(bǔ)償策略要求串聯(lián)變流器不但能提供有功功率，同時(shí)也要提供無功功率。即提供的補(bǔ)償電壓比電網(wǎng)側(cè)電壓有一個(gè)合適的相位超前角，從而減少有功交換。它通過使補(bǔ)償器提供的有功功率最小化來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)提供的有功功率最大化，使電網(wǎng)的功率因數(shù)增加，補(bǔ)償器的功率因數(shù)減小。Us≤ULcosUPQC并聯(lián)側(cè)吸收的有功功率通過中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)傳遞給串聯(lián)側(cè)，經(jīng)串聯(lián)側(cè)回饋給電網(wǎng)。此時(shí)負(fù)荷所需要的無功功率則由串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)共同提供。當(dāng)Us≤ULcosφ，0≤δ≤φ，在δ=φ時(shí)，運(yùn)行在B點(diǎn)Pc值最小，即B點(diǎn)為最小能量補(bǔ)償點(diǎn)。UPQC串聯(lián)與并聯(lián)側(cè)之間沒有有功流動(dòng)，負(fù)荷所需的無功功率由串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)共同提供2)當(dāng)ULcosφ<Us≤UL且β=90o時(shí)，C點(diǎn)為最小能量補(bǔ)償運(yùn)行點(diǎn)。此時(shí)，Pc值為零，δ=arccos(Us/UL)，有UPQC串聯(lián)側(cè)吸收有功通過中間直流環(huán)節(jié)傳遞給并聯(lián)側(cè)。并聯(lián)側(cè)向負(fù)載側(cè)同時(shí)提供無功3)當(dāng)Us>UL，0≤δ≤φ，如圖8-86(c)在δ=0最小能量補(bǔ)償位于A點(diǎn)，此時(shí)時(shí)Pc值最小，即串聯(lián)側(cè)吸收有功功率最小。由下式可計(jì)算出基于最小能量補(bǔ)償策略的串聯(lián)側(cè)有功功率Pc和無功功率Qc：2．最優(yōu)補(bǔ)償角的確定

同相位補(bǔ)償和最小能量補(bǔ)償各有特點(diǎn)，最小能量補(bǔ)償能將提供的有功功率最小化來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)提供的有功功率最大化，但是由于增加了無功電流使設(shè)備的總?cè)萘孔兇螅瑢?duì)于UPQC經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響較大。所以本小節(jié)討論總?cè)萘孔钚〉目刂撇呗浴為電網(wǎng)電壓的波動(dòng)率串聯(lián)變流器補(bǔ)償電壓的表達(dá)式為并聯(lián)側(cè)無功基波電流的表達(dá)式為則串聯(lián)側(cè)需要容量為并聯(lián)側(cè)基波的能量關(guān)系為在考慮電流為非正弦情況下不同頻率的正弦電壓與電流之間的能量關(guān)系時(shí)，并聯(lián)側(cè)容量可表示為公共電網(wǎng)中一般電壓畸變很小，在此作為純正弦處理，設(shè)電源電壓的有效值為U，而負(fù)載電流畸變則可能很大，則有由此可得到UPQC主電路總?cè)萘繛?/p>

可見UPQC的總?cè)萘繛閐，φ，β的函數(shù)，可表示為S=f(d,φ,β)。cosφ為負(fù)載基波的功率因數(shù)，針對(duì)不同的負(fù)荷和電網(wǎng)的波動(dòng)，只要選擇合適的β角就可以使主電路總?cè)萘窟_(dá)到最小。上述方程直接求解比較困難，我們采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助求解。根據(jù)不同的負(fù)載的因數(shù)cosφ和不同的電網(wǎng)波動(dòng)率d建立一個(gè)二維表，利用查表的方法求取β角，采用這種處理方法可以提高程序的運(yùn)行速度。對(duì)于本樣機(jī)系統(tǒng)，最大電壓跌落設(shè)定為額定電壓的30%，負(fù)荷功率因數(shù)的角度變化范圍為0到60°。按每1%的跌落和1o位移功率因數(shù)的角度構(gòu)成一個(gè)30x60二維查詢表來確定總?cè)萘孔钚r(shí)的最優(yōu)角β。3．補(bǔ)償電壓的計(jì)算

若電網(wǎng)電壓波動(dòng)且?guī)в邢辔惶儠r(shí)，可采用瞬時(shí)無功理論求取的電網(wǎng)電壓初始相位和跳變角，依據(jù)上述UPQC總?cè)萘孔钚≡瓌t的控制策略確定最優(yōu)補(bǔ)償角，根據(jù)最終確定的補(bǔ)償電壓的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)做出相應(yīng)的補(bǔ)償。(1)補(bǔ)償電壓值和相位的計(jì)算經(jīng)過dq坐標(biāo)變換后，三相電網(wǎng)電壓除基波正序分量其它仍為交流量，可以通過巴特沃斯低通濾波器將其濾除，從而得到基波分量。基波分量udf

和uqf

在dq0坐標(biāo)中的對(duì)應(yīng)為直流分量，且數(shù)值上與abc系統(tǒng)中的三相電網(wǎng)電壓基波的峰值Ums

、初相角θlp

以及電網(wǎng)電壓相位凸變角γ之間存在著如下關(guān)系(2)目標(biāo)電壓函數(shù)的求取

目標(biāo)電壓函數(shù)是敏感負(fù)荷正常工作時(shí)所需要的電壓，即當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)經(jīng)UPQC串聯(lián)側(cè)補(bǔ)償后要達(dá)到的電壓量。三相目標(biāo)電壓函數(shù)為

串聯(lián)側(cè)的補(bǔ)償電壓為目標(biāo)電壓與實(shí)際波動(dòng)后的電壓之差，考慮串聯(lián)側(cè)輸出濾波器及變壓器變比等因素，最終可求得UPQC串聯(lián)側(cè)需提供的補(bǔ)償電壓的表達(dá)式為4．直流側(cè)穩(wěn)壓控制策略

將需穩(wěn)定的直流電壓作為給定值，Ucf為反饋值，將兩者做差，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。將PI調(diào)節(jié)的結(jié)果疊加在瞬時(shí)有功電流分量上，這樣經(jīng)反變換后生成的指令電流包含了基波有功分量。從而使并聯(lián)側(cè)跟隨指令電流變化的補(bǔ)償電流中存在有功分量。該有功分量的存在使并聯(lián)側(cè)的變流器交直流兩側(cè)產(chǎn)生有功交換，保證了直流側(cè)電容兩端電壓的穩(wěn)定。5．輸出PWM控制方法

目前在統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器補(bǔ)償方法中應(yīng)用最廣泛采用的波形調(diào)制技術(shù)主要有正弦脈沖寬調(diào)制(SPWM)方法、空間矢量脈寬調(diào)制方法（SVPWM）、滯環(huán)跟蹤控制方法以及三角波比較法等；目前串聯(lián)側(cè)大多采用正弦脈沖寬調(diào)制(S