基于定有功電流限值控制的MMC型UPQC協(xié)調(diào)控制方法

陸晶晶 肖湘寧 張 劍 徐云飛

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))北京 102206）

1 引言

近年來能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)峻使得智能化電網(wǎng)的發(fā)展，尤其是微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，風(fēng)電、光伏、潮汐等新能源給電網(wǎng)帶來了清潔便利的電力供應(yīng)，但輸出功率的波動(dòng)性及間歇性等特性也對(duì)電能的質(zhì)量造成一定影響，對(duì)其他用電設(shè)備安全正常的運(yùn)行構(gòu)成了潛在威脅[1,2]。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）作為一種既可以解耦后獨(dú)立運(yùn)行，又可以針對(duì)配電線路中同時(shí)存在電壓、電流問題時(shí)實(shí)現(xiàn)綜合補(bǔ)償?shù)膹?fù)合型裝置，能夠應(yīng)用于多種電能質(zhì)量治理的場(chǎng)合。其采用背靠背換流器的結(jié)構(gòu)特性比配電線路同時(shí)安裝并聯(lián)有源濾波器及串聯(lián)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器更加經(jīng)濟(jì)有效，同時(shí)不用考慮裝置之間的協(xié)調(diào)配合問題，降低了裝置運(yùn)行維護(hù)的難度[3,4]。在UPQC的主體結(jié)構(gòu)中，MMC的引入有利于裝置朝著高壓大功率方向發(fā)展，同時(shí)采用模塊化結(jié)構(gòu)使得輸出電壓通過疊加的形式，隨著模塊數(shù)的增多，更加趨近于正弦，從而省去輸出側(cè)的濾波器，降低了成本；另一方面模塊化的設(shè)計(jì)模式便于擴(kuò)展裝置的容量，有利于故障排除[5]。上述這些特點(diǎn)極大地提高了 UPQC的性價(jià)比，從而擴(kuò)展了UPQC在中壓領(lǐng)域的使用，使得UPQC具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

一般情況下，UPQC的協(xié)調(diào)運(yùn)行方式是串聯(lián)側(cè)被控為電壓源，提供幅值、相位均可調(diào)節(jié)的正弦電壓以補(bǔ)償系統(tǒng)電壓降落的部分；并聯(lián)側(cè)被控為電流源，補(bǔ)償負(fù)載側(cè)的無功、不平衡或諧波電流分量以及維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。已有文獻(xiàn)多是將不同的控制方法應(yīng)用于 UPQC以實(shí)現(xiàn)上述功能的協(xié)調(diào)運(yùn)行，如PID控制[6,7]、模型預(yù)測(cè)控制[8]、模糊變結(jié)構(gòu)控制[9]、情感智能控制[10]和單周期控制[11]等，或是分析UPQC串、并聯(lián)換流器之間的耦合關(guān)系并采用H∞控制以消除耦合造成的影響[12]。文獻(xiàn)[13]雖然涉及到電壓暫降補(bǔ)償?shù)娜N策略：有功同相補(bǔ)償（UPQC-P）、無功補(bǔ)償（UPQC-S）及最小能量補(bǔ)償（UPQC-VAmin），但仍是在定直流電壓協(xié)調(diào)控制基礎(chǔ)上考慮裝置可輸出補(bǔ)償電壓約束情況下展開的討論。上述研究均忽略了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較嚴(yán)重的電壓暫降事件時(shí)，由于UPQC并聯(lián)側(cè)吸收有功以維持公共直流母線電壓的恒定而可能引起的串聯(lián)換流器橋臂過電流問題，危及 IGBT器件運(yùn)行安全且影響UPQC的性能發(fā)揮。

本文將MMC作為UPQC的背靠背換流器拓?fù)湫问剑渥幽K電容儲(chǔ)存的能量釋放作為對(duì)協(xié)調(diào)控制時(shí)電壓暫降補(bǔ)償?shù)哪芰垦a(bǔ)充，以此提高UPQC的整體性能指標(biāo)。本文計(jì)及UPQC并聯(lián)側(cè)維持直流電壓恒定的有功電流分量的限值，在傳統(tǒng)的定直流電壓控制的基礎(chǔ)上提出定有功電流限值協(xié)調(diào)控制新思路；對(duì)UPQC所能補(bǔ)償?shù)碾妷簳航档姆怠⒀a(bǔ)償持續(xù)時(shí)間與 UPQC參數(shù)、MMC電氣量之間的關(guān)系進(jìn)行了理論與數(shù)值分析，并推導(dǎo)出劃分裝置處于定直流電壓控制及定有功電流限值控制兩種不同狀態(tài)時(shí)，暫降電壓臨界值的計(jì)算表達(dá)式；在 PSCAD/EMTDC下搭建MMC型UPQC仿真模型對(duì)本文提出的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證。

圖1 MMC型UPQC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及MMC單相等效電路Fig.1 Topology of MMC-UPQC main circuit and equivalent circuit of MMC single phase

2 MMC型UPQC的暫降補(bǔ)償能力分析

2.1 MMC型UPQC的基本工作原理

圖1所示為三相三線制MMC型UPQC掛接于10kV中壓配電網(wǎng)某條專用線路（配電專線）的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，負(fù)荷由非線性及線性負(fù)載并聯(lián)構(gòu)成。UPQC的主體結(jié)構(gòu)采用較常用的“左串右并”結(jié)構(gòu)形式，由背靠背連接的兩個(gè)MMC及一個(gè)串聯(lián)耦合變壓器組成。系統(tǒng)經(jīng)耦合變壓器連接UPQC的串聯(lián)側(cè)，在發(fā)生電壓暫降時(shí)，串聯(lián)側(cè)MMC被控成電壓源，產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，經(jīng)變壓器線圈感應(yīng)到一次側(cè)，最終確保負(fù)載側(cè)的電壓能運(yùn)行在允許范圍內(nèi)，保證對(duì)負(fù)載的正常持續(xù)供電；UPQC的并聯(lián)側(cè)MMC并接于靠近負(fù)載的線路，被控為電流源以提供電流質(zhì)量補(bǔ)償，確保系統(tǒng)僅需提供額定幅值的三相正序基波有功電流。正常情況下系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降后，根據(jù)圖1可得

式中，uload、usag、uc分別為負(fù)載電壓、系統(tǒng)暫降電壓及 UPQC補(bǔ)償電壓；is2、ip、ic、iload分別為UPQC串聯(lián)側(cè)MMC的出口電流、并聯(lián)側(cè)支撐直流電壓穩(wěn)定的有功電流、并聯(lián)側(cè)補(bǔ)償電流及負(fù)載電流；nT為串聯(lián)耦合變壓器變比；Rj、Ljarm分別為j相等效橋臂電阻和橋臂電感；iPj、iNj分別為 MMC各相上、下橋臂電流；uPj、uNj分別為MMC各相上、下橋臂的等值受控電壓源電壓，由n個(gè)子模塊輸出電壓疊加而成。

從式（1）中的電流關(guān)系表達(dá)式可看到，決定is2大小的關(guān)鍵因素是負(fù)載電流iload、并聯(lián)側(cè)支撐直流電壓穩(wěn)定的有功電流ip、并聯(lián)側(cè)補(bǔ)償電流ic及變壓器電壓比nT。在UPQC裝置參數(shù)及負(fù)載確定的情況下，ip與is2正相關(guān)。本文正是基于以上關(guān)系提供一種定有功電流限值控制的思路，即通過控制并聯(lián)側(cè)從系統(tǒng)中吸收的有功電流ip的大小以達(dá)到控制串聯(lián)耦合變壓器二次電流is2的目的，第3節(jié)將對(duì)定有功電流限值的協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

式（1）中當(dāng)且僅當(dāng)不計(jì)Rj及換流器內(nèi)部環(huán)流(iPj+iNj)/2時(shí)[14]，直流電壓Udc可看作是上、下橋臂子模塊輸出電壓的線性疊加，即

式中，UjPi、UjNi分別為j相上、下橋臂子模塊的電容電壓；SjPi、SjNi分別為對(duì)應(yīng)子模塊的開關(guān)函數(shù)，其值由子模塊調(diào)制觸發(fā)算法計(jì)算得出。

此外，一般情況下為了保證換流器運(yùn)行在線性工作區(qū)，有調(diào)制比ma≤1.0[15]，因此公共直流母線電壓需滿足Udc≥2Um_phase，其中Um_phase為換流器出口側(cè)交流相電壓幅值。

2.2 MMC型UPQC潮流分析

本文以實(shí)際中較常采用的同相補(bǔ)償控制為前提[16]，研究MMC型UPQC的暫降補(bǔ)償能力，阻感性負(fù)載和阻容性負(fù)載情況下的同相補(bǔ)償相量圖如圖2所示。

圖2 MMC型UPQC電壓暫降補(bǔ)償時(shí)電壓、電流相量圖Fig.2 Phasor representation of MMC-UPQC voltage sag

從圖2中可看到，由于采用同相補(bǔ)償，負(fù)載電流基頻有功分量IL1與系統(tǒng)電壓Usag同相位，有

式中，SL、φL分別為負(fù)載容量及負(fù)載功率因數(shù)角。

圖 3為發(fā)生電壓暫降時(shí)系統(tǒng)中有功功率流動(dòng)圖。暫降時(shí)，一方面串、并聯(lián)側(cè)MMC子模塊電容釋放儲(chǔ)能為系統(tǒng)提供有功補(bǔ)充，另一方面并聯(lián)側(cè)MMC從系統(tǒng)中吸收有功以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。忽略換流器損耗的有功功率Ploss，有

式中，PS、PL分別為系統(tǒng)側(cè)及負(fù)載側(cè)的有功功率；PC1、PC2分別為UPQC從系統(tǒng)吸收和輸出至系統(tǒng)的有功功率；PSC、PPC分別為UPQC串、并聯(lián)側(cè)輸出有功功率。

圖3 電壓暫降時(shí)UPQC系統(tǒng)潮流圖Fig.3 Power flow of UPQC when voltage sag occurs

式（4）中當(dāng)電壓暫降幅值較小、暫降持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，有PC1=PC2，此時(shí)并聯(lián)側(cè)有功電流ip仍在其限值范圍內(nèi)運(yùn)行；當(dāng)電壓暫降幅值較大、暫降持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)需要UPQC子模塊電容中的儲(chǔ)能釋放以提供更多的能量補(bǔ)償，此時(shí)為了避免開關(guān)器件過電流、保證串聯(lián)側(cè) MMC的正常運(yùn)行，ip達(dá)到限值運(yùn)行，有PC1≤PC2。

2.3 暫降補(bǔ)償能力的理論分析

以同相補(bǔ)償控制為討論前提，并假設(shè)理想情況下UPQC并聯(lián)側(cè)MMC提供對(duì)負(fù)載全部的無功及諧波電流補(bǔ)償（本文假設(shè)系統(tǒng)中無不平衡負(fù)載），系統(tǒng)電流為三相正序基波有功電流且忽略耦合變壓器漏抗的影響。以a相為例，串、并聯(lián)側(cè)MMC交流側(cè)輸出的電壓和有功電流分別為

式中，Usag、Uc分別為暫降電壓及補(bǔ)償電壓的有效值；Us2、Is2分別為串聯(lián)側(cè)MMC輸出交流電壓、電流的有效值；Ip為并聯(lián)側(cè)維持直流電壓穩(wěn)定的有功電流的有效值。

當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，從MMC單相橋臂單個(gè)子模塊電容電壓的波動(dòng)情況來看，其動(dòng)態(tài)過程所釋放出的能量為

式中，C為MMC子模塊電容容值；Udc0、Udc1分別為電壓暫降前與電壓暫降期間直流側(cè)電壓值（Udc≥2Um_phase）；USM0、USM1分別為對(duì)應(yīng)Udc0、Udc1時(shí)子模塊的電容電壓。

進(jìn)一步，由于UPQC串、并聯(lián)側(cè)的MMC通過公共直流母線連接，暫降期間直流母線電壓的衰減直接導(dǎo)致串、并聯(lián)側(cè)各相子模塊電容共同釋放能量。以單相為例，MMC任意時(shí)刻導(dǎo)通的子模塊數(shù)為n個(gè)，并設(shè)在t0～tc時(shí)間段內(nèi)UPQC提供暫降補(bǔ)償，有

從式（7）中可看出，MMC型UPQC的電壓暫降補(bǔ)償輸出具有如下特點(diǎn)：

（1）UPQC串、并聯(lián)側(cè)MMC的儲(chǔ)能由裝置的容量參數(shù)決定，電容容值與子模塊個(gè)數(shù)的比值越大，裝置所能提供的補(bǔ)償輸出能力就越大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，裝置參數(shù)的選擇還需根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、安全性等因素進(jìn)行綜合考慮。

（2）當(dāng)PC1=PC2時(shí)，ΔWsag=0，子模塊在電壓暫降期間釋放的能量能完全由并聯(lián)側(cè)充電補(bǔ)充，Udc1=Udc0，公共直流母線電壓不會(huì)降低；當(dāng)PC1＜PC2時(shí)，ΔWsag＞0，Udc1＜Udc0，公共直流母線電壓降低。

（3）在系統(tǒng)參數(shù)和裝置參數(shù)已知的情況下，UPQC能補(bǔ)償?shù)臅航捣礥c及補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間tc的大小主要取決于Ip、Is2和Udc1。將變量Ip、Is2限定在一定范圍內(nèi)并允許Ip、Is2達(dá)到限值后，子模塊電容儲(chǔ)能釋放以支撐暫降補(bǔ)償?shù)目刂品绞剑苓_(dá)到控制Uc及tc的目的。

本文提出的協(xié)調(diào)控制方法旨在使MMC型UPQC在系統(tǒng)同時(shí)存在無功、諧波及電壓暫降現(xiàn)象時(shí)能進(jìn)行綜合的治理。在UPQC并聯(lián)側(cè)補(bǔ)償能力已確定的情況下，評(píng)價(jià)協(xié)調(diào)補(bǔ)償控制方法效果最主要的指標(biāo)就是裝置能補(bǔ)償?shù)碾妷簳航捣岛脱a(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間。下文定義了電壓暫降的兩個(gè)臨界值，分別根據(jù)裝置系統(tǒng)側(cè)電壓暫降程度的不同及UPQC串聯(lián)側(cè)提供的暫降補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間的不同進(jìn)行了控制狀態(tài)的劃分：

（1）定直流電壓控制狀態(tài)。MMC型UPQC從系統(tǒng)中吸收有功功率用以維持公共直流母線電壓的穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)電壓暫降幅值較小，UPQC串聯(lián)側(cè)MMC上、下橋臂子模塊中導(dǎo)通的IGBT器件所流過的電流在安全運(yùn)行范圍之內(nèi)。由2.1節(jié)的分析可知，維持直流電壓穩(wěn)定的有功電流ip滿足式（1）中的電流關(guān)系，串聯(lián)側(cè)MMC出口的交流電流is2隨ip的增大而增大，負(fù)載側(cè)的電壓能在UPQC的補(bǔ)償作用下達(dá)到額定值，有

根據(jù)裝置內(nèi)部有功功率流動(dòng)情況可知，此時(shí)并聯(lián)側(cè)MMC吸收的有功與串聯(lián)側(cè)MMC向系統(tǒng)提供的有功達(dá)到平衡，PC1=PC2，即

隨著暫降幅值的增加、持續(xù)時(shí)間的加長(zhǎng)，當(dāng)Is2增大至其上限值Is2_limit時(shí)，由式（6）及式（9）得到裝置運(yùn)行于定直流電壓控制狀態(tài)下的電壓臨界值UT1（忽略換流器的交流出口電壓與電流的相角偏差）

（2）定有功電流限值控制狀態(tài)。由式（10）知，當(dāng)Uc≥UT1時(shí)，串聯(lián)側(cè) MMC交流出口電流達(dá)到其運(yùn)行上限Is2_limit，此時(shí)UPQC并聯(lián)側(cè)從系統(tǒng)中吸收的有功功率受限，但電壓暫降的補(bǔ)償仍需要從UPQC獲取能量，因此電容器開始釋放儲(chǔ)存的電能對(duì)電壓暫降補(bǔ)償提供支撐，UPQC串、并聯(lián)側(cè)MMC滿足式（7）。此狀態(tài)下UPQC裝置有如下運(yùn)行特點(diǎn)：

①UPQC串聯(lián)側(cè)MMC以其交流出口電流上限Is2_limit對(duì)系統(tǒng)電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償，而并聯(lián)側(cè) MMC為了維持直流電壓穩(wěn)定而從系統(tǒng)中吸收的有功電流運(yùn)行在其上限值Ip_limit。

②由于Ip_limit的作用，UPQC串聯(lián)側(cè)MMC子模塊電容釋放的儲(chǔ)能與并聯(lián)側(cè)能從系統(tǒng)中吸收的能量出現(xiàn)不平衡，PC1≤PC2，UPQC公共直流母線電壓有一定程度的下降。

③根據(jù) UPQC所能提供暫降補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間tc，本狀態(tài)應(yīng)劃分為兩個(gè)區(qū)域：

區(qū)域1：當(dāng)tc≥tsag時(shí)（tsag為電壓暫降的持續(xù)時(shí)間），在t0～tsag時(shí)間范圍內(nèi)，負(fù)載側(cè)的電壓在UPQC的補(bǔ)償作用下達(dá)到額定值。根據(jù)式（7），求得電壓暫降期間任意時(shí)刻t的公共直流母線電壓值

此時(shí)Udc_sag滿足Udc_sag≥2Um_phase。

區(qū)域2：當(dāng)tc≤tsag時(shí)，UPQC在t0～tc時(shí)間范圍內(nèi)提供對(duì)電壓暫降的補(bǔ)償，t=tc時(shí)刻后子模塊儲(chǔ)能的釋放達(dá)到極限，此時(shí)如 2.1節(jié)所述，有Udc_sag=2Um_phase。應(yīng)注意到，為了保證 UPQC串、并聯(lián)側(cè)功能的正常實(shí)現(xiàn)，Um_phase需根據(jù)式（12）求得。

在區(qū)域2中暫降補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間tc與電壓暫降幅值負(fù)相關(guān)，暫降幅值越大，補(bǔ)償所能持續(xù)的時(shí)間越短。求解以補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間tc為未知量，其他量為已知量的式（7），得到tc的計(jì)算方程為

在式（7）中令tc=tsag，Udc_sag=2Um_phase，可得區(qū)分區(qū)域1與區(qū)域2之間的電壓臨界值UT2

因此，上述劃分也可表述為：當(dāng)UT2≥Uc≥UT1時(shí)，UPQC的運(yùn)行特性符合區(qū)域1；當(dāng)Uc≥UT2時(shí)，UPQC的運(yùn)行特性符合區(qū)域2。

3 基于定有功電流限值控制的協(xié)調(diào)控制方法

根據(jù) 2.3節(jié)的理論分析，在裝置參數(shù)已確定的情況下UPQC可輸出的暫降補(bǔ)償能力有限，如何利用UPQC有限的暫降補(bǔ)償能力，最大限度地提高可補(bǔ)償?shù)碾妷簳航笛a(bǔ)償幅值范圍及補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間是本文研究的主要目標(biāo)。結(jié)合 2.1節(jié)分析得出的串聯(lián)側(cè)MMC交流出口側(cè)電流is2與并聯(lián)側(cè)有功電流ip正相關(guān)的理論依據(jù)，本文提出了定有功電流限值的UPQC協(xié)調(diào)控制思路，通過對(duì)并聯(lián)側(cè)ip的限制進(jìn)而限制is2的大小，保證了串聯(lián)側(cè)MMC中不出現(xiàn)器件過電流的現(xiàn)象，同時(shí)通過串、并聯(lián)側(cè)MMC子模塊電容儲(chǔ)能的釋放與從系統(tǒng)中吸收能量的共同作用，提高電壓暫降補(bǔ)償幅值和補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間。

定電流限值控制框圖如圖4所示。

圖4 定有功電流限值控制框圖Fig.4 Block diagram of the fixed current limit value control

圖 4中公共直流母線電壓Udc與母線電壓參考值Udc_ref之間的誤差為 ΔUdc，ΔUdc通過外環(huán) PI調(diào)節(jié)后生成有功電流ip，附加限流環(huán)節(jié)將其限制在(-Ip_limit,+Ip_limit)，其中Ip_limit根據(jù)式（15）計(jì)算得出。

式中，Is2_max為串聯(lián)耦合變壓器二次側(cè)允許通過的最大電流。

K與是控制通道切換指令信號(hào)，當(dāng) 0.9UN≤Usag≤1.1UN時(shí)，K置 1；置0，通道一開啟，有

式中，kp、ki分別為外環(huán)PI調(diào)節(jié)的比例、積分系數(shù)；當(dāng)Usag≤0.9UN，K置 0；置1，控制通道二開啟。若Usag≥UN-UT1，則ip遵循式（16），公共直流母線恒壓運(yùn)行；若Usag≤UN-UT1，則ip被控制在定電流限值運(yùn)行狀態(tài)，其中若Usag≤UN-UT2則UPQC僅提供部分電壓暫降期間的補(bǔ)償，當(dāng)時(shí)間達(dá)到暫降補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間tc后，UPQC閉鎖串聯(lián)側(cè)、并聯(lián)側(cè)MMC子模塊的觸發(fā)信號(hào)，斷開相應(yīng)連接的斷路器，退出運(yùn)行。

本文正是采用上述控制方法對(duì)公共直流母線電壓進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)MMC型UPQC的協(xié)調(diào)運(yùn)行功能。

4 仿真結(jié)果與分析

基于 PSCAD/EMTDC軟件平臺(tái)搭建了如圖 1所示的MMC型UPQC系統(tǒng)，并掛接于10kV某中壓配電線路。采用dq解耦控制方法檢測(cè)分離電壓、電流補(bǔ)償分量，產(chǎn)生相應(yīng)的三相調(diào)制波，進(jìn)而由最近電平逼近調(diào)制策略產(chǎn)生全部子模塊的觸發(fā)信號(hào)[17]。采用本文提出的定有功電流限值控制方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并同傳統(tǒng)的定直流電壓控制方法進(jìn)行比較。表給出了仿真時(shí)采用的系統(tǒng)參數(shù)。

表 UPQC主要電路參數(shù)列表Tab. The list of UPQC main circuit parameters

模型中子模塊開關(guān)器件 IGBT的額定電流根據(jù)UPQC額定容量計(jì)算，以橋臂額定電流為逆變器交流側(cè)電流的一半，考慮橋臂30%的環(huán)流并留有一倍的裕量，最終選取了額定電流為300A的IGBT器件。以器件 300A額定電流為限制，按照上述計(jì)算原則反推得出Is2_limit=0.163kA，Is1_limit=0.408kA，根據(jù)式（16）計(jì)算得出Ip_limit=0.142kA，進(jìn)一步由式（10）、式（14）可得兩個(gè)臨界電壓值分別為：UT1=3.48kV，UT2=5kV。

圖 5、圖 6給出了補(bǔ)償后的系統(tǒng)電壓與同相位的系統(tǒng)電流仿真波形以及電壓暫降 50%情況下，UPQC電流補(bǔ)償效果仿真波形。圖 7a、圖 7b、圖7d和圖 8是系統(tǒng)三相電壓分別降落 20%、50%及60%時(shí)，采用定有功電流限值控制所產(chǎn)生的直流電壓以及裝置電壓補(bǔ)償效果的仿真波形（為了使電壓補(bǔ)償效果更加清晰，圖8中補(bǔ)償電壓Uca與式（1）規(guī)定的正方向相反）。仿真設(shè)補(bǔ)償前電流 THD為6.83%，補(bǔ)償后降低為3.2%。從波形及THD計(jì)算結(jié)果可見，這種協(xié)調(diào)控制方法較好地實(shí)現(xiàn)了UPQC對(duì)電流型及電壓型電能質(zhì)量問題的協(xié)調(diào)補(bǔ)償功能。

圖5 電壓暫降50%，系統(tǒng)電流及系統(tǒng)電壓波形Fig.5 Waveforms of the system current and the system voltage with voltage sag 50%

圖6 電壓暫降50%，負(fù)載電流、補(bǔ)償電流及系統(tǒng)電流波形Fig.6 Waveforms of the system currents,the compensation currents and the load currents with voltage sag 50%

圖7 電壓暫降期間公共直流電壓波形Fig.7 The common DC voltages during voltage sag

圖8 電壓暫降期間系統(tǒng)電壓、補(bǔ)償電壓及負(fù)載電壓波形Fig.8 Waveforms of the system voltages,the compensation voltages and the load voltages

圖7a中，系統(tǒng)側(cè)電壓暫降20%，由于Uc=2kV＜UT1，此時(shí) UPQC工作在定直流電壓控制狀態(tài)，直流電壓穩(wěn)定在28kV左右。圖7b中當(dāng)Uc=5kV＞UT1時(shí)，UPQC已經(jīng)切換到定有功電流限值控制狀態(tài)，公共直流母線降壓運(yùn)行。又由于此時(shí)Uc=UT2=5kV，當(dāng)t=2.4s時(shí)公共直流電壓剛好達(dá)到該工況下UPQC串聯(lián)側(cè)允許工作的最小值，即Udc=2Um_phase=16kV。仿真中設(shè)定當(dāng)Udc≤16kV時(shí)UPQC閉鎖子模塊，斷開連接斷路器，退出運(yùn)行，因此對(duì)比圖7b及圖7d、圖8b及圖8c、圖9b及圖9c可看到，隨著電壓暫降幅值的增加，在Uc＞UT2的情況下，UPQC在其能夠提供電壓補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)調(diào)補(bǔ)償。圖7c所示為電壓暫降50%時(shí)，不對(duì)直流母線進(jìn)行控制而僅通過串聯(lián)側(cè)MMC子模塊的儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)提供補(bǔ)償情況下的直流電壓仿真波形，對(duì)比圖 7b和圖 7c可看出，與上述控制方法相比，在發(fā)生相同程度電壓暫降的情況下本文的協(xié)調(diào)控制方法明顯提高了電壓暫降的補(bǔ)償時(shí)間。

圖9 電壓暫降期間系統(tǒng)電流波形Fig.9 Waveforms of the system currents during voltage sag

圖9a和圖9b對(duì)比了采用傳統(tǒng)的定直流電壓控制方法和本文的協(xié)調(diào)控制方法，在電壓暫降50%時(shí)的系統(tǒng)電流補(bǔ)償效果。可明顯看到，相對(duì)于傳統(tǒng)的控制方法，采用定有功電流限值控制方法后，在發(fā)生相同程度電壓暫降的情況下，暫降期間的系統(tǒng)電流明顯降低。對(duì)比圖9b和圖9c可看出，即使隨著電壓暫降的進(jìn)一步加深，采用定有功電流限值控制方法的系統(tǒng)電流有效值也一直被限定在[-0.408kA，+0.408kA]范圍內(nèi)，圖 9a中暫降期間的系統(tǒng)電流有效值為 0.636kA，已明顯超出系統(tǒng)電流的限定值0.408kA。

圖 10對(duì)比了電壓暫降 50%時(shí)，采用定有功電流限值控制方法后圖4中有功電流 ipref與實(shí)際有功電流ip的波形，可見電壓暫降期間，當(dāng)ip隨直流電壓的降低而逐漸增加時(shí)，協(xié)調(diào)控制將 ip限定在0.142kA，由此實(shí)現(xiàn)了 UPQC對(duì)系統(tǒng)電流、串聯(lián)耦合變壓器二次電流及串聯(lián)側(cè)MMC子模塊電流的限制作用。

圖10 電壓暫降50%，定有功電流限值控制輸出有功電流及實(shí)際有功電流波形Fig.10 Waveforms of the output positive current and the actual positive current with voltage sag 50%

5 結(jié)論

（1）對(duì)MMC型UPQC電壓暫降補(bǔ)償能力進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，推導(dǎo)出電壓暫降幅值、補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間與公共直流母線電壓等電氣量之間的關(guān)系表達(dá)式，為協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提供了參考理論依據(jù)。

（2）提出了定有功電流限值的協(xié)調(diào)控制策略，定義并計(jì)算出了MMC型UPQC處于定直流控制狀態(tài)及定有功電流限值控制狀態(tài)的兩個(gè)臨界值。

（3）PSCAD/EMTDC環(huán)境下MMC型UPQC模型的仿真結(jié)果表明，本文提出的協(xié)調(diào)控制策略實(shí)現(xiàn)了MMC型UPQC在系統(tǒng)中同時(shí)存在電壓暫降及諧波、無功電流等電能質(zhì)量問題時(shí)的綜合治理功能，同時(shí)與采用定直流電壓的協(xié)調(diào)控制策略以及不對(duì)直流母線電壓進(jìn)行控制的策略相比，定有功電流限值的協(xié)調(diào)控制策略提高了MMC型UPQC的暫降補(bǔ)償幅值及時(shí)間，為深度電壓暫降提供了短時(shí)支撐，進(jìn)而提高了裝置對(duì)于電壓暫降補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用范圍，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] He Jinwei,Li Yun Wei,Blaabjerg F. Flexible microgrid power quality enhancement using adaptive hybrid voltage and current controller[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics,2014,61(6): 2784-2794.

[2] 張坤,毛承雄,陸繼明,等. 基于儲(chǔ)能的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(7): 7-14+43.

Zhang Kun,Mao Chengxiong,Lu Jiming,et al. Power control strategy of directly driven wind turbine with energy storage system[J]. Transaction of China Electrotechnical Society,2011,26(7): 7-14+43.

[3] Akagi H. New trends in active filters for power conditioning[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,1996,21(1): 218-224.

[4] Han B,Bae B,Kim H,et al. Combined operation of unified power-quality conditioner with distributed generation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(1): 330-338.

[5] 屠卿瑞,徐政,姚為正. 模塊化多電平換流器型直流輸電電平數(shù)選擇研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(20): 33-38,44.

Tu Qingrui,Xu Zheng,Yao Weizheng. Selecting number of voltage levels for modular multilevel converter based HVDC[J]. Power System Protection and Control,2010,38(20): 33-38,44.

[6] 譚智力,朱冬姣,陳堅(jiān),等. 一種三相四線統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的零穩(wěn)態(tài)誤差控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(10): 77-83.

Tan Zhili,Zhu Dongjiao,Chen Jian,et al. A new zero steady-state error control strategy used in three-phase four-wire UPQC[J]. Transaction of China Electrotechnical Society,2011,26(10): 77-83.

[7] 梁祖權(quán),束洪春. 新型UPQC直流電壓的PIλDμ控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(2): 147-151,157.

Liang Zuquan,Shu Hongchun. Novel UPQC DC voltage research of PIλDμcontroller[J]. Transaction of China Electrotechnical Society,2010,25(2): 147-151,157.

[8] 張旭,楊學(xué)友,劉常杰. 模型預(yù)測(cè)控制在統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2010,34(5): 35-40.

Zhang Xu,Yang Xueyou,Liu Changjie. Application of model predictive control in unified power quality conditioner[J]. Power System Technology,2013,34(5): 35-40.

[9] 黃敏,查曉明,陳允平. 并聯(lián)型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的模糊變結(jié)構(gòu)控制[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2002,26(7): 11-14.

Huang Min,Zha Xiaoming,Chen Yunping. Fuzzy variable structure associated control of shunt unified power quality conditioner[J]. Power System Technology,2002,26(7): 11-14.

[10] 楊達(dá)亮,盧子廣,杭乃善. 基于情感智能控制器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2013,41(20): 118-124.

Yang Daliang,Lu Ziguang,Hang Naishan. Unified power quality conditioner using emotional intelligent controller[J]. Power System Protection and Control,2013,41(20): 118-124.

[11] 張志超,魏富建,王義峰. 單周期控制策略在統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(22): 28-33.

Zhang Zhichao,Wei Fujian,Wang Yifeng. Applied research on one-cycle control method of unified power quality conditioner[J]. Power System Protection and Control,2009,37(22): 28-33.

[12] 李鵬,楊以涵. 基于H∞控制理論的UPQC串并聯(lián)單元協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(20): 91-97.

Li Peng,Yang Yihan. Realization for coordinated control of UPQC series unit and shunt unit based on H∞control theory[J]. Proceedings of the CSEE,2006,26(20): 91-97.

[13] Khadkikar V,Chandra A. UPQC-S: A novel concept of simultaneous voltage sag/swell and load reactive power compensations utilizing series inverter of UPQC[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(9): 2414-2425.

[14] Makoto H,Ryo M,Hirofumi A. Control and analysis of the modular multilevel cascade converter based on double-star chopper-cell(MMCC-DSCC)[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26(6):1649- 1658.

[15] Iurie A,Malabika B,Michael F C. DC link voltage control of UPQC for better dynamic performance[J].Electric Power System Research,2011,81(9): 1815-1824.

[16] 周暉,齊智平. 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器檢測(cè)方法和補(bǔ)償策略綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2006,30(6): 23-29.

Zhou Hui,Qi Zhiping. A survey on detection algorithm and restoring strategy of dynamic voltage restorer[J].Power System Technology,2006,30(6): 23-29.

[17] Gum T S,Hee J L,Tae S N,et al. Desigh and control of a modular multilevel HVDC converter with redundant power modules for noninterruptible energy transfer[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2012,27(3):1611- 1619.