UPQC 中串聯逆變器的控制研究

李 強 ，李曉莉

(1.中鐵21 局電務電化公司，蘭州730030;2.蘭州交通大學自動化與電氣學院，蘭州730070)

1 UPQC 簡介

UPQC 的一個顯著特性是一個典型的直流電容器(CDC)連接在電壓源逆變器(VSI)兩端，而不是一個直流電源。由于串聯補償器和并聯補償器都是無損的，需要一個特殊的直流環節電壓控制器來使直流側電容電壓的平均電壓保持恒定。在UPQC 中，并聯補償器通常負責這一電壓的調節。在穩定狀態，直流側電壓保持在設定值，但在暫態情況下不是這樣的。暫態發生在當負載與UPQC連接、斷開或電源電壓跌落、上升的期間。因為計算新的參考電流需要一定的時間，所以并聯補償器不能及時反映負載的變化。此外，一些時間的設定圍繞著穩定控制參數的參考值。因此，在負載變化的瞬間，通過直流側電容器上的平均電壓與他的參考值之間存在一段過渡時間。圖1 為UPQC 的系統結構框圖。

圖1 UPQC 系統的結構框圖

2 串聯變頻器控制

為了使輸出交流電壓波形接近正弦波，采用多種方案來調制串聯逆變器的開關頻率。文獻［6］所詳述的正弦脈寬調制方案被廣泛應用。在該方案中，通過模數比較器來比較正弦波(控制信號)和三角波(載波信號)進而產生開關脈沖。調制深度ma可定義為:

當Vcontrol為調制信號的幅值，Vtri為三角波信號的幅值時，調制深度通常保持恒定。

電壓源逆變器輸出電壓基波分量的幅值取決于直流側輸入電壓和調制深度:

在典型應用中，逆變器的輸出電壓通常保持常數。對于確定的Vout(1)，對應的ma可從式(2)中計算出，再由式(1)算出Vcontrol。假定Vdc恒定，為使Vout(1)在一定時間內恒定，ma必須保持恒定。然而，如果ma在某時間段內保持不變，而Vdc偏離其參考值，則Vout(1)也會偏離預設值。如果要求Vout(1)恒定，但Vdc偏離參考值，則ma必須作相應調整。因此，在這里建議，暫態時串聯逆變器的正弦脈寬調制的調制深度必須不斷調整以匹配直流側實際電壓Vdc·act，而不是采取參考直流側電壓。由式(1)和式(2)得調制信號的幅值為:

Vdc=Vdc·ref時，由于Vtri和Vdc·ref是常數，則Vcontrol是只有一個變量Vout(1)的函數。因此，無論在穩態和暫態時出現實際直流側電壓偏離其參考值時都不影響Vcontrol，且對于特定的Vout(1)，Vcontrol的幅值是固定的。

為使Vcontrol對應直流側電壓的變換，將Vdc=Vdc·act代入式(3)，則Vcontrol是關于Vout(1)和Vdc·act的雙變量函數。由于任何直流側電壓偏差對Vcontrol都有直接影響，故Vcontrol的計算是連續進行的。因此，當直流側電壓發生上升或跌落時的瞬間，調制信號的幅值會相應調整且串聯逆變器輸出電壓的基波分量幅值仍不受偏差影響。故無論在穩態還是暫態，該串聯補償器都能夠注入適當電壓使負載側電壓幅值保持在理想水平［8］。

這種復制能力與變革能力從哪里來？這就是管理要思考的首要命題。企業在小的時候，在業務模式沒有起來之前，要探索可復制能力，一定要形成經驗，應用到更大、更廣的范圍，管理首先是對經驗的管理。例如：有十個業務人員，一定要將其中資歷深的業務人員的成功經驗形成工具、方法，復制到新人身上。經驗被放大后，在一個店能做成功，也能復制到更多的店獲得成功，往更大的范圍去做，企業也能變得更大。

調制深度通常保持在線性范圍內，電壓的基波幅值隨ma線性變化。若進一步增加輸出基波電壓幅值使調制深度大于1.0 就會導致系統超調。超調導致逆變器的輸出電壓含有更多低次諧波。更重要的是，超調時的基波分量幅值不再與調制深度呈線性關系。當ma足夠大時，逆變器將退化到方波逆變的工作狀態。因此，在超調區內，逆變器的輸出電壓基波分量的幅值為［6］:

考慮到式(2)中Vdc=Vdc·act，則調制深度為:

為保證逆變器工作在線性區，必須滿足以下條件:

由于超調，逆變器輸出電壓的基波分量幅值相比線性調制模式最大可能值增加了27.32%。它也可以總結為逆變器輸出電壓Vout(1)的基波分量的幅值不低于直流側參考電壓的78.54%。因直流側電壓低于該值則逆變器輸出電壓的基波分量的幅值低于Vdc·ref/2，這似乎是出現嚴重電源電壓跌落的條件，因此應當避免Vdc＜0.785 4Vdc·ref的情形出現。

用于計算調制深度的式(5)可改寫如下:

UPQC 的串聯逆變器通常運行在線性調制模式且按照此條件設計。該逆變器在線性調制模式下的輸出電壓基波分量的最大值Vout(1)max=Vdc·ref/2，此值對應于調制深度ma·ref=1。在穩態下，實際直流側電壓Vdc·act不僅有波動且包含直流和交流成分。由于直流側電壓控制器，直流側電壓保持恒定且等于Vdc·ref。在交流分量處于負值的時間段，實際的直流側電壓Vdc·act比Vdc·ref小，且Vdc·ref/Vdc·act＞1。因此可以從式(7)看出，當ma·ref=1且Vdc·ref/Vdc·act＞1時，調制深度ma＞1，這使得逆變器運行在非線性模式，因此逆變器的輸出電壓中出現諧波。如果在穩態時，式(7)的調制深度大于臨界值，那么它應該等于常規調制深度ma=ma·ref。

綜上述，設串聯逆變器滿足以下條件和控制規則:

(1)若直流側電壓偏離其參考值Vdc·ref大于最大穩態紋波，則式(7)可作為系統在暫態時的調制深度的計算公式。

(2)系統處于穩態且調制深度不大于臨界值時，可使用式(7)計算調制深度ma。

(3)如果系統處于穩態，且根據式(7)中的ma＞1，則ma等同于常規調制深度ma=ma·ref。

(4)當Vdc＜0.785 4Vdc·ref時導致串聯逆變器的輸出電壓的幅值低于Vdc·ref/2，可通過選擇合適的直流側電容容量和設計直流側電壓控制器來避免此情況出現。

3 仿真結果分析

將以上所提出的控制策略通過MATLAB 進行仿真驗證，該仿真系統建立在12 kVA 的試驗平臺上，電源相電壓為230 V，直流電容器CDC=2 000 μF，濾波電感L=1.245 mH，仿真結果如下所示。該干擾由電源電壓跌落到50%和UPQC 在2 s 和3.5 s 時連接和斷開負荷所致。圖2 顯示了直流側電壓變化情況。

直流側電壓參考值設定為400 V，從圖2 中可看出，UPQC 在2 s 時接入全負荷導致直流側電壓跌落(約50%)。由于直流側電壓控制器的作用，直流側電壓在2.5 s 恢復到其參考值。在3.5 s 時負荷從UPQC 中斷開，產生一個大的過電壓(約50%)通過直流電容器，同樣由于直流電壓控制器的作用，擾動在3.8 s 時消失。

圖2 直流側電壓波形

圖3顯示串聯逆變器注入電壓的兩種情形。為了使負載側電壓達到額定值(相電壓230 V)，串聯變換器必須注入115 V。從圖4(a)可看出，穩態時串聯變換器注入所需電壓。在2 s ～2.5 s 和3.5 s ～3.8 s 期間，直流側電壓偏差和ma保持常數使得串聯逆變器注入電壓不合適，導致負載電壓在此瞬間出現偏差。在第1個瞬間(2.0 s ～2.5 s)，負載電壓降到170 V(額定值的74%)，在第2 個瞬間(3.5 s ～3.8 s)，負載電壓上升到300 V(額定值的131%)，如圖4(a)所示。

圖3 ma 不同取值下的注入電流

圖4 ma 不同取值下的負載電壓

圖3 (b)和圖4(b)分別顯示的是串聯注入電壓和負載電壓在根據Vdc·act不斷調整ma的情形下的圖形。從這些圖中可以看出，在第2 個瞬間的電壓偏差是微不足道的。

4 結論

通過分析UPQC 串聯變頻器正弦脈寬調制的調

制深度在不同范圍內的取值，得出了逆變器輸出電壓的基波幅值隨調制深度的變化關系。以此為基礎，獲得了串聯逆變器輸出電壓的控制方法，即根據直流側實際電壓不斷調整串聯逆變器的調制深度，利用這種方法可以補償電源電壓的跌落、不平衡和失真。仿真結果表明，在電源電壓和負載發生變化時，逆變器輸出電壓和負載電壓都能保持穩定，串聯逆變器具有較好的補償效果，表明這種改進的正弦脈寬調制法是可行的。

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