統一電能質量調節器能量優化控制策略研究*

費平平，江全元*，嚴玉婷

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027;2.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020)

0 引 言

電網中大量非線性負荷、沖擊性負荷的不斷增加，對電網電能質量的影響日益加重。而隨著科技和工業的發展，電力用戶對電能質量的要求越來越高。因此，如何提高電網的電能質量問題成為了電力系統研究領域中的一個熱點[1-3]。

統一電能質量調節器(UPQC)是一種基于現代電力電子技術的綜合電能質量調節裝置，它兼顧動態電壓恢復器(DVR)和有源濾波器(APF)的功能，既能治理電網電壓跌落、三相不平衡、諧波等電能質量問題，又能補償負載引起的諧波、無功電流等問題[4-6]。現有的UPQC控制策略根據負載電壓補償前、后的相位和直流側提供的補償能量的不同，可以分為同相位控制(UPQC_P)[7-8]、純無功功率補償控制(UPQC_Q)[9-10]和能量優化控制[11-13]等。同相位控制雖然在實際工程中得到了廣泛應用，但是該控制方法的補償電壓與電源電壓同相位，只能對電源電壓進行幅值的補償，不能補償相角變化，僅適用于對相位跳變不敏感的負荷進行電壓補償。純無功功率補償控制是通過控制UPQC串聯補償單元輸出補償電壓的相位與電網電流相垂直，來達到UPQC僅向電網注入無功功率而不消耗有功功率的目的。然而純無功功率控制方法受限于UPQC串聯補償單元的電壓補償能力，僅適用于電網電壓跌落較小的情況，當電網電壓跌落較嚴重時，該控制方法無法完全補償電網的電壓跌落。文獻[11-12]研究了UPQC的能量優化控制方法，但僅針對電網發生三相平衡電壓跌落故障的情況，沒有考慮電網在三相不平衡電壓跌落情況下的能量優化問題。文獻[13]研究了三相不平衡電壓跌落故障下的UPQC能量優化問題，但僅考慮使UPQC串聯補償單元的有功功率最小，沒有綜合考慮UPQC串聯補償單元和并聯補償單元總補償能量的最優化問題。

本研究對三相不平衡電壓跌落故障情況下的UPQC能量優化問題進行研究，綜合考慮UPQC串聯補償單元電壓補償和并聯補償單元電流補償所需的總補償能量;根據UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量圖，分析UPQC的最優穩態功率，并依據UPQC主電路總補償能量最小的原則，對串聯補償單元補償電壓的注入角 θa、θb、θc進行優化。

1 UPQC拓撲結構和工作原理

UPQC的拓撲結構圖如圖1所示。它主要由一個串聯補償單元和一個并聯補償單元組成，串聯補償單元和并聯補償單元共用一個直流母線電容。

圖1 UPQC拓撲結構圖

串聯補償單元通過變壓器串聯在電網和負載之間，主要用來補償電網電壓的諧波、電壓跌落和不平衡等問題，保證負載側的電壓質量;并聯補償單元與負載并聯連接，主要用來補償負載側的電流諧波和無功，保證電網側的電流質量。UPQC工作時，串聯補償單元可等效為一個受控電壓源，而并聯補償單元可等效為一個受控電流源，其等效電路圖如圖2所示。

圖2 UPQC等效電路圖

2 UPQC能量優化

電網發生帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落時的UPQC相量圖如圖3所示。

圖3 三相不平衡電壓跌落下的UPQC相量圖

電網發生帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落時的UPQC能量優化即在經UPQC補償后負載電壓保持為額定幅值的三相平衡電壓(相位可以和電壓跌落前不同)的前提下，使得UPQC串聯補償單元和并聯補償單元消耗的總能量最小。

本研究以UPQC單相相量圖來推導電網發生帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落時UPQC消耗的總能量，UPQC單相相量圖如圖4所示。

通過UPQC的補償作用，電網電壓跌落前后負載側的負載電壓和負載電流將保持不變，有:

圖4 三相不平衡電壓跌落下的UPQC單相相量圖

UPQC并聯補償單元諧波補償能量為:

則UPQC總的補償能量為:S=Ss+Sp。S為 θa、θb、θc的函數，所以UPQC的能量優化可以等價于變量為 θa、θb、θc的函數最優化問題，設 UPQC 串聯補償單元的補償能力為0.5UL，則該優化問題可表示為:

由式(15)可求得滿足UPQC總補償能量S最小時的 θa、θb、θc，再通過式(5)和式(6)得到 UPQC 串聯補償單元所需提供的補償電壓值，從而實現UPQC的能量優化控制。

對式(15)所示的優化問題，可以通過粒子群算法(PSO)[14]進行求解。本研究為了實現對統一電能質量調節器的在線實時控制，首先通過PSO算法離線計算出300種不同三相不平衡電壓跌落故障下的優化結果，再基于這300種優化結果利用Matlab工具箱中的自適應神經模糊推理系統(ANFIS)工具進行數據訓練。實際控制中筆者根據三相不平衡電壓跌落故障情況和ANFIS數據訓練結果得到所需提供的補償電壓值，從而實現對統一電能質量調節器的在線控制。

3 UPQC控制策略

UPQC的控制策略包括串聯補償單元的控制和并聯補償單元的控制兩個部分。

3.1 串聯補償單元的控制

UPQC串聯補償單元的控制框圖如圖5所示，串聯補償單元的控制首先需要檢測出電壓跌落程度、相位跳變角和負載的功率因數角，再根據上述檢測量通過UPQC能量優化模塊計算出補償能量最小時的補償電壓。其中，電網電壓每一相的跌落程度和故障發生時相位跳變角的檢測計算可以采用可用于單相電路的瞬時電壓dq0變換方法[15]。該方法通過基于某一項電壓構造出一個虛擬的三相系統，再根據三相電路瞬時無功理論計算出該相電壓的幅值和相位跳變角。

圖5 串聯補償單元控制框圖

3.2 并聯補償單元的控制

UPQC并聯補償單元的控制框圖如圖6所示，并聯補償單元采用滯環電流控制，滯環電流控制具有控制簡單、動態響應快和對負載適應能力強的優點。并聯補償單元的控制包括諧波電流補償和穩定UPQC直流母線電壓兩方面。

圖6 并聯補償單元控制框圖

4 仿真結果

本研究在PSCAD仿真軟件中搭建如圖1所示的仿真系統。系統的仿真參數為:電網相電壓有效值Us=220 V，頻率為50 Hz，負載相電流有效值IL=8 A，負載功率因數為0.8;UPQC串聯補償單元濾波電感為0.4475 mH，濾波電容為13.25 μF，并聯補償單元濾波電感為6 mH;UPQC直流母線電容5000μF，直流側電壓1500V。

仿真系統中，0.1 s～0.2 s時設置帶有相位跳變的三相不平衡電壓跌落故障:a相電壓跌落量xa=0.4，相位跳變角 γa= －10°;b相電壓跌落量 xb=0.13，相位跳變角 γb=10.05°;c 相電壓跌落量 xc=0.04，相位跳變角 γc= －12.16°。

本研究對上述故障條件下的UPQC進行能量優化并計算能量優化下所需的UPQC補償能量和補償電壓，與采用同相位控制UPQC(UPQC_P)、純無功功率補償控制UPQC(UPQC_Q)和文獻[13]中UPQC補償方法時所需的UPQC補償能量相比較，比較結果如表1所示。由表1可以看出，采用本研究能量優化控制所需的UPQC補償能量比采用同相位控制(UPQC_P)所需補償能量少12.34%，比采用文獻[13]中的串聯補償單元最小有功功率輸出控制所需的補償能量少3.89%。雖然采用純無功功率控制時所需的UPQC補償能量最小，但是此時的a相補償電壓已經超過了UPQC串聯補償單元的補償能力(110 V)，在實際應用中是無法實現的。

表1 三相不平衡電壓跌落下UPQC補償能量比較

UPQC能量優化控制策略下的三相不平衡電壓跌落和電流諧波治理仿真結果如圖7～10所示。由圖7、圖8可以看出，采用本研究提出的UPQC能量優化控制策略，通過UPQC串聯補償單元輸出能量優化下相對應的補償電壓值，使得負載電壓在電網發生三相不平衡電壓跌落故障時能夠維持為額定的電壓幅值，即負載電壓不受電網電壓跌落故障的影響。由圖9、圖10可以看出，通過UPQC并聯補償單元的作用，使得電網電流基本不受非線性負載的影響，總諧波畸變率由UPQC補償前的27.42%降為補償后的2.26%。

圖7 電網電壓波形

圖8 負載電壓波形

圖9 負載電流(a相)波形

圖10 電網電流波形

5 結束語

本研究提出了一種考慮三相不平衡電壓跌落故障的UPQC能量優化控制策略。根據UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量圖，筆者分析了UPQC的最優穩態功率，對UPQC串聯補償單元補償電壓的注入角進行了優化，并通過對補償電壓注入角的控制實現UPQC的能量優化控制。

仿真結果驗證了本研究提出的能量優化控制策略在解決電能質量問題上的有效性，同時減小了UPQC的補償容量，提高了補償裝置的經濟性。

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