自適應電壓控制器在UPQC 直流側的仿真應用

李曉莉，李 強，張蕊萍*

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

目前，統一電能質量控制器(UPQC)被廣泛應用于針對非線性負載和大功率電力電子設備對供電系統產生的大量高次諧波、電力系統電壓和電流畸變等電能質量問題。統一電能質量控制器可簡化為一個由兩個背靠背通過直流側連接的電壓源逆變器組成的功率調節裝置［1］，而其直流側采用直流電容器來等效直流電源。直流側電壓的控制水平直接影響UPQC 串并聯單元的電壓和電流補償效果［2］。直流電容補償負載變化導致主電路與負載間的功率差［3］，為了維持直流電容器電壓的穩定，將直流側電壓實際值與參考值間的偏差作為PI 控制器的輸入，向主電路釋放或吸收電流來抑制直流側電壓的波動，使其維持在參考值附近。在此基礎上提出了一種自適應電壓控制器，根據電路的不同狀態來調整控制器的參數使其能實時跟蹤直流電壓變化。仿真結果顯示采用此電壓控制器具有較好的動態性能和更好的直流側電壓波形。

1 直流側電壓控制原理

在負載與UPQC 連接/斷開及電源電壓發生跌落/上升的瞬間，通過直流電容器的電壓平均值Vdc偏離它的參考值Vdc·ref。直流環節電壓偏差的嚴重性取決于電源電壓跌落/上升的程度、與UPQC 連接/斷開的負載的大小、直流側電容器的容量以及直流側電壓控制器的參數。在Vdc＜0.785 4Vdc·ref時串聯逆變器的輸出電壓基波分量的大小低于Vdc·ref/2，故必須通過一些措施使直流側電壓限制在21. 46%Vdc·ref［4］。此外，直流暫態過電壓必須限制在合理的數值。通過恰當的設置直流側電壓控制器可以減少直流側暫態偏差，而不是采取增加直流電容容量。

直流側電壓控制通過調節并聯逆變器到直流側電容器間的微小電流來實現。這個微小電流是通過改變參考電流基波分量的實際幅值來調整的。PI控制器常被用于通過直流電容器的平均電壓與參考電壓間的誤差來確定補償電流的幅值［1－2］，且PI 控制器有助于在跟蹤參考信號實現零穩態誤差。直流側電壓控制環節如圖1 所示。直流側電壓控制環節的輸出(ΔIreal)是參考電流基波分量的幅值，用來補償傳輸損耗和開關損耗，從而保證直流側電壓恒定。

圖1 直流側電壓控制單元

有功/無功電流注入可能導致直流側電壓波動，為濾除此波動通常使用一個低通濾波器(LPF)，但它引入了一個有限的延遲。因直流側電壓波動的頻率應低于50 Hz，故低通濾波器的截止頻率不應超過50 Hz，否則，LPF 不能濾除波動且ΔIreal將包含交流分量，反過來會導致電源電壓失真。另一方面，LPF 的截止頻率越低，直流側電壓的穩定時間就越長，直流側電壓偏差會更大。

圖2 直流側電壓波形

將直流側電壓控制單元裝入UPQC 仿真模型分別得到直流側電壓的兩種形式，如圖2 所示。第1種情形(圖2(a))LPF 的截止頻率為50 Hz，PI 控制器的參數為kp=0.2 A/V，ki=2.8 A/(V·rad)。第2種情形(圖2(b))LPF 的截止頻率為300 Hz，PI 控制器的參數為kp=0.6 A/V，ki=17.2 A/(V·rad)［4］。在2 s 時，負載接入UPQC，在3.5 s 時斷開。這種連接/斷開負載導致直流側電壓暫態偏差。從圖2 中可看出，當LPF 的截止頻率為50 Hz 時直流側電壓偏差較大，而使用一個截止頻率為300 Hz 的LPF 可大大減少直流側電壓偏差。

圖3 是電源電流在上述兩種情況下的穩態值。從圖中可看到，當使用LPF 的截止頻率為300 Hz時，電源電流畸變，而使用截止頻率為50 Hz 的LPF時，不會出現這種失真。每橫格單位為0.01 s，電流單位為A。

圖3 電源電壓波形

2 自適應電壓控制器

綜合上述可得出以下結論，使用截止頻率為50 Hz 的LPF 能使系統具有良好的穩態性能，但動態響應較慢(直流側電壓偏差大且恢復緩慢)，而使用截止頻率為300 Hz 的LPF 將產生更好的動態響應但系統的穩態性能不能令人滿意。因此，截止頻率為50 Hz 的LPF 適用于穩態運行，而在暫態時使用截止頻率為300 Hz 的LPF 是可取的。為了在穩態和暫態時都有較好的系統性能，應使用自適應直流側電壓控制器。該控制器的框圖如圖4。

圖4 自適應電壓控制器

在穩態運行時，LPF 的截止頻率為50 Hz，相應的PI 控制器的參數為k50p，k50i。暫態時，LPF 的截止頻率為300 Hz，相應的PI 控制器的參數為k3p00，k3i00。一段時間后，暫態消失，控制器回到穩態參數(LPF截止頻率為50 Hz，k5p0，k5i0)運行，各狀態的PI 控制器參數如表1 所示。因此，LPF 的截止頻率和PI 控制器的參數會根據系統的運行模式自動調整。PI控制器參數應當首先利用Ziegler－Nichols 調整規則計算，然后通過模擬提純。

表1 穩態和暫態時的狀態參數

通常當直流側電壓偏差大于正常穩態偏差時被認為是暫態階段的起點［6－7］。例如，一個系統的Vdc·ref=400 V，正常穩態偏差可高達15 V。如果出現|Vdc－Vdc·ref|＞15 V，則直流電壓控制器開始切換到暫態參數。當|V50dc·av－Vdc·ref|小于某閥值時，可認為暫態消失。此閥值接近于零且它的值反映了系統的精度。在這里V50dc·av是LPF 截止頻率為50 Hz 的直流側平均電壓。圖5 顯示的是用于確定系統是否處于穩態或暫態的控制模塊。

圖5 判定系統狀態的控制單元

將上述提出的自適應控制策略載入在UPQC 仿真模型中，仿真結果如下所示。圖6(a)顯示使用自適應直流側電壓控制器的直流側電壓。通過負載與UPQC 的連接或斷開和電源側50%的電壓跌落造成最嚴重的擾動［5］。在2 s 時負載連接到UPQC 且在3.5 s 斷開，導致直流側電壓的瞬時偏差。

從圖6(a)中可看出最大直流側電壓偏差約為30 V(直流側參考電壓的7.5%)。直流側電壓偏差限制在21.46%［8－10］，而現在的直流側電壓偏差遠低于極限。比較圖6(a)和圖2(a)可得出結論:利用提出的自適應控制器使直流側電壓偏差在暫態時大大減少(從50%到7.5%)。

圖6(b)是使用自適應直流側電壓控制器的電源電流。暫態從2 s 持續到2.54 s，在此期間的LPF截止頻率為300 Hz 且電源電流畸變(幅值大小)，這種畸變只持續了0.54 s。在2.54 s，該控制器切換到穩態參數運行，從此刻起電流不在畸變。因此，采用自適應控制策略在穩態和暫態時都能令人滿意。

圖6 自適應控制下的直流側電壓和電源電流

3 仿真結果

為使UPQC 在穩態和暫態條件下都能獲得更好的性能，將改進的串聯逆變器脈寬調制法［11］與自適應電壓控制器結合在一起應用，其仿真結果如圖所示。設在2 s 時負載連接到UPQC 且在3.5 s 斷開，整個仿真過程有50%的電壓跌落，電源相電壓的額定值230 V，直流側參考電壓設為400 V，直流側電容容量為2 000 μF，負載采用電壓源型電路，其有功功率為5 kW。在約2.003 s，直流側電壓低于閥值385 V，直流側電壓控制器切換到暫態運行模式。在2.525 s，直流側電壓偏差低于閥值(0.1 V)，直流側電壓控制器切換到穩態運行模式。類似的在3.503 5 s 和3.808 9 s 分別切換到暫態和穩態運行模式。由于直流側電壓偏差小于50 V(12.5%)，故直流側電容電壓等級只需比直流側電壓(400 V)高12. 5%。此外，由于直流側電壓不低于0.785 4Vdc·ref，不再需要串聯逆變器工作在非線性模式來注入所需電壓。

由于將改進的串聯逆變器脈寬調制法與自適應電壓控制器聯合使用，注入電壓(圖7(a))和負載電壓已大大改善。現在，無論是在穩態還是在暫態，串聯變換器的注入電壓都滿足要求(115 V)。從圖7(b)中可看出，在整個仿真過程中，負載電壓的大小可看出是恒定的。因此，使用所提出的控制策略可使負載電壓在暫態無偏差。

圖7 注入電壓和負載電壓

4 結論

當負載與UPQC 連接或斷開或者電源側發生電壓跌落或上升時，UPQC 的直流側電壓都經歷了一個偏離參考電壓的暫態過程。這個直流側電壓偏差造成串聯補償器的注入電壓偏差，反過來影響負載電壓［12］。為了克服這個問題，提出和驗證了利用自適應電壓控制器控制直流側電壓的控制策略。

自適應直流側電壓控制器是為了在穩態和暫態時都能獲得更好的系統性能而提出的。在穩態運行期間，LPF 截止頻率為50 Hz 且使用相應的PI 控制器參數;在暫態運行期間，LPF 截止頻率為300 Hz 且使用相應的PI 控制器參數。此補償策略用DSP 很容易實現。此控制策略的有效性已通過仿真模擬被證明。

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