αβ坐標系下統一電能質量調節器直接控制策略的實現

韓 雙

(國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050091)

?

αβ坐標系下統一電能質量調節器直接控制策略的實現

韓 雙

(國網河北省電力公司石家莊供電分公司，石家莊 050091)

介紹一種αβ兩相靜止坐標系下統一電能質量調節器(UPQC)直接控制策略，提出將串聯變流器控制成正弦電流源，將并聯變流器控制成正弦電壓源的控制方案。分析了αβ坐標下兩軸變量間無耦合項不需要復雜的解耦控制過程。通過Matlab / Simulink仿真，證明了該控制方案的有效性。

統一電能質量調節器(UPQC)；αβ坐標系；直接控制

統一電能質量調節器(UPQC)是一種綜合性電能質量補償裝置，它既可以補償負載電流中的諧波和無功分量，使電網的輸入電流為與電網電壓同相位的正弦波，使電網輸入功率因數為1；又可以對電網電壓的波動和畸變進行補償，使負載電壓為正弦波。

UPQC大多采用間接控制策略，即將串聯變流器作為非正弦電壓源，補償電網電壓畸變和波動，使負載電壓為額定的正弦電壓；并聯變流器控制為非正弦電流源，用來補償負載電流中無功和諧波分量，使電網輸入電流為正弦電流，并調節直流母線電壓穩定。

該間接控制策略中PWM控制器的指令電壓和指令電流的高頻特性使有源濾波器控制器的設計非常困難。由于PWM控制器精確跟蹤非正弦指令信號的能力有限，使UPQC的補償性能受限。

1 UPQC直接控制策略

圖1為三相三線制UPQC拓撲結構示意，它由2個電壓源型PWM變流器通過直流母線電容耦合起來，左側變流器通過補償變壓器Ts串聯接入電網與負載之間，變壓器變比為1∶1，右側變流器并聯接在負載上。

圖1 三相三線制UPQC基本拓撲結構示意

直接控制策略將串聯變流器控制為正弦電流源，直接控制電源電流為基波正弦，由于電流源對諧波電壓具有很大阻抗，因此電網畸變電壓不能傳遞到負載側，從而實現電網諧波電壓的隔離。將并聯變流器控制為正弦電壓源，直接控制負載電壓為基波正弦，由于電壓源對于諧波具有很小的阻抗，因此負載和電網的諧波電流都流入并聯變流器，實現負載諧波電流和電網之間的隔離。該控制策略下，PWM變流器的指令信號均為標準正弦信號，有利于控制器的設計，且在電網斷電或恢復供電時，不需要進行工作模式的切換，控制系統相對簡單。

2 αβ坐標系下UPQC系統數學模型

為了方便UPQC的建模，作如下假設，開關器件均為理想開關；輸入濾波電感為理想電感且對稱，即電感值大小相等且忽略其內阻； 串聯變壓器變比為1:1。

根據圖1所示拓撲結構建立UPQC低頻數學模型，圖中以a相為例標出電壓電流正方向。

(1)

(2)

式中：k=a、b、c。

直流側數學模型為：

(3)

要建立兩相靜止坐標系αβ下數學模型，需經過Clark變換，

(4)

(5)

(6)

(7)

將(6)式帶入(1)，(2)式得到UPQC兩相靜止坐標系αβ下低頻數學模型為(8)、(9)式：

(8)

(9)

對于三相三線制系統，三相電壓(電流)之間存在耦合關系而相互影響，因此相應的控制規律實際只有兩個獨立的方程。而若系統為非對稱系統，三相電壓源不對稱，使得中性點之間的電壓會影響電流控制。目前，UPQC的解耦控制基本圍繞dq旋轉坐標變換進行研究[1]。將三相UPQC模型變換到兩相同步旋轉坐標系dq下進行解耦控制，這類解耦控制的優點是變量的物理概念清晰，但解耦過程較為復雜。由式(8)、(9)可知，該文采用的αβ坐標系下，兩軸變量間無耦合項，不需要解耦控制，使控制過程更加簡捷。

3 系統控制策略

系統控制策略如圖2所示，將串聯交流器控制為正弦電流源，提供和電源電壓us同步的基波正序電流is，對于非線性負載的諧波呈現高阻抗。相反，并聯變流器提供給負載額定的正弦電壓，對于非線性負載產生的諧波電流呈現低阻抗。這種方式也可以看作，并聯變流器作為負載諧波電流的有源濾波器[2]。

圖2 直接控制策略整體控制原理

3.1 指令信號的獲取

圖3 指令電壓與指令電流的獲取

(10)

(11)

將(6)、(10)式帶入(11)式，則經Clark變換后αβ坐標系下指令電壓為：

(12)

3.2 串聯變流器的電流控制

根據串聯側數學模型(8)式串聯側電流控制如圖4所示。串聯變流器實際輸出電流經Clark變換得到ucα、icβ，與指令電流信號i*α、i*β做差后經PI調節后得到串聯變流器指令補償電壓i*cα、i*cβ，經Clark逆變換后作為串聯側PWM控制的輸入。結合圖3可以看出，串聯變流器的控制實際是雙閉環控制。外環為直流側電壓的控制，其目的是維持直流側電壓穩定，內環為電網輸入電流控制，使內環電流為基波正弦。

圖4 聯變流器控制框圖

3.3 并聯變流器的電壓控制

并聯變流器的電壓控制其根據數學模型(9)式采用圖5所示雙閉環控制。外環電壓環由負載指令基波正弦電壓u*α、u*β與負載實際電壓uα、uβ做差經PI調節器，從而控制負載電壓為指令基波正弦電壓[3]，得到并聯變流器的指令輸出電流i*2。內環電流環i*2與并聯變流器實際輸出電流i2進行PWM控制，內環控制的目的主要是為了使整個并聯變流器控制系統穩定[4]。

3.4 直流側控制方法

圖5 并聯變流器控制框圖

4 仿真分析

為了驗證該文所采用控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中構建了拓撲結構的三相三線制UPQC在 坐標下直接控制策略的控制系統仿真模型。仿真中電網電源采用三相可編程電源，非線性負載采用三相二極管全控整流橋串接阻感性負載。

仿真結果參見圖6、圖7，仿真參數如表1所示。下面分析不同工況下系統的工作情況：

表1 UPQC電路仿真參數

UPQC電路參數數值電網電壓有效值Us/V220串聯變壓器變比N1∶1串聯變流器輸入電感L1/mH1串聯變流器輸入電容C1/μF1并聯變流器輸入電感L2/mH10并聯變流器輸入電容C2/μF5直流側電壓給定值Udc/V800直流側濾波電容C/F1000e-4負載電阻R/Ω30負載電感L/mH1

a. 當負載為非線性負載，如二極管整流橋，負載電流含諧波成分，主要含有6k+1次諧波。設置仿真時間為0.1 s，其仿真波形如圖6所示。

由圖6可以看出，當非線性負載引起負載電流諧波時，UPQC將電網輸入電流補償為近似基波正弦電流，圖6(c)可以看出，該控制策略下直流側電壓也基本穩定。

(a) 負載電流波形

(b) 電源電流波形

(c) 直流側電容電壓

b. 電網電壓發生波動時的情況。為模擬電壓畸變，在t=0.06～0.1 s電網電壓跌落20%，t=0.18～0.22 s電網電壓上升20%。其運行情況如圖7所示。

(a) 電源電壓波形

(b) 負載電壓波形

(c) 直流側電壓波形

由圖7可以看出電網電壓發生跌落和上升時，UPQC能較好地將負載電壓補償到與電網電壓基波同相的正弦波；由圖7(c)可以看出，電網電壓發生波動的時刻，直流側電壓也會發生較小的波動，以實現交流側和直流側的功率傳遞。

5 結論

該文在對三相三線制UPQC數學模型深入分析的基礎上，提出一種在αβ坐標系下的直接控制策略。該控制策略優勢有：PWM變流器的指令信號均為基波正弦信號，有利于控制器的設計；采用αβ坐標與dq坐標系下直接控制策略相比，避免了復雜的交叉解耦過程，運算和控制簡單；采用直接控制策略，將串聯變流器控制成正弦電流源，并聯變流器控制成正弦電壓源，在電網斷電或恢復供電時，不需要進行工作模式的切換，控制系統相對簡單。仿真結果表明了該控制策略能有效的補償電網電壓的跌落和上升等電壓質量問題，負載電流諧波等電流質量問題。

[1] 朱鵬程,李 勛,康 永，等. 統一電能質量調節器控制策略研究[J].中國電機工程學報, 2004,24(8):67-73.

[2] 王廣柱. 有源電力濾波器諧波及無功電流檢測的不必要性(一)[J].中國電機工程學報, 2007,22(1):137-141.

[3] 周海亮. 統一電能質量調節器檢測與補償控制策略研究[D].天津：天津大學，2012.

[4] Aredes, M. and Fernandes, R.M. “A unified power quality conditioner with voltage SAG/SWELL compensation capability”. Brazilian Power Electronics Conference, 2009. COBEP '09.

本文責任編輯：羅曉曉

Implementation of Direct Control Strategy Based on αβ Phases Stationary Coordinate for Unified Power Quality Conditioner

Han Shuang

(State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Power Supply Branch，Shijiazhuang 050091，China)

A direct control strategy based onαβtwo phases stationary coordinate for Unified Power Quality Conditioner (UPQC) is proposed.The control scheme is simple and intuitive by contolling the series convertor as a sinusoidal current source and the parallel convertor as a sinusoidal voltage source. In theαβcoordinate system,there's no coupling term between different coordinate variables,so that the contol process is forthright without complex decoupling control.At last,the control scheme proposes effective by the results of simulation of MATLAB/Simulink.

Unified Power Quality Conditioner (UPQC);αβcoordinate; direct control

2017-01-12

韓 雙(1988-)，女，工程師，主要從事變電運維工作。

TM711

B

1001-9898(2017)03-0027-04