基于超級電容儲能的UPQC控制策略的分析研究

洪偉成 王燕 葉友泉 黃龍杰

摘要：為解決常規統一電能質量調節器（UPQC）難以處理電壓暫降較深的問題，在常規UPQC拓撲結構中加入超級電容儲能系統（SCESS）。針對UPQC并聯側和串聯側的電能質量補償需求提出了相應控制策略;分析SCESS的主電路結構和功能需求，確定SCESS的控制策略;針對電壓暫降時串聯側過電流問題提出UPQC協調控制策略。仿真驗證表明，本文中的拓撲結構及控制策略能夠達到電能質量治理需求，實現各單元的協調控制。

關鍵詞：統一電能質量調節器;超級電容儲能;電能質量

引言

隨著更多的電力電子設備和非線性元件在電力系統中的大量使用，它們所產生電能質量問題也日益嚴重[1]。網側電壓的電壓波動、三相電壓不平衡和短暫中斷會嚴重地影響生產設備的運行，造成重大的經濟損失[2];網側諧波電流會導致高精度設備誤動作，電源使用率降低等問題，造成一定的經濟損失。因此，如何確保負載電壓穩定和電流的正弦化是目前最基本的兩個電能質量問題。目前，工業上廣泛使用的解決電能質量問題的電力電子設備主要包括無源LC濾波器、靜態無功補償發生器、有源電力濾波器和動態電壓恢復器[3-5]。但是，這些設備功能單一，僅適用于單一的電能質量問題，無法完成對于電能質量問題的綜合治理。統一電能質量調節器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）相對于上述裝置功能豐富，性能優越，能夠解決配電網的各類電能質量問題[6-8]。

UPQC是將串聯電壓補償裝置和并聯電流補償裝置相結合，綜合了有源濾波器和動態電壓恢復裝置的功能，兼具了補償電壓跌落、治理三相電壓不對稱、補償非線性負載的不對稱和諧波問題等功能。但傳統不帶儲能裝置的UPQC在面對電壓暫降程度較深的事件是較為乏力，本文采用了基于超級電容儲能系統（Super Capacitors Energy Storage System，SCESS）的UPQC拓撲結構，運用超級電容的儲能支持實現了對于網側電壓瞬間中斷或深度跌落的問題的解決;基于瞬時無功理論提出了UPQC串并聯側的控制策略，實現了UPQC串聯變流器、并聯變流器以及SCESS單元三方的協調控制，全面治理了電能質量問題。仿真研究驗證了該拓撲結構和控制方式的可行性和準確性，達到了全面綜合治理電能質量的目的。

1基于SCESS的UPQC的拓撲結構及模型

1.1UPQC的拓撲結構

圖1所示為本文基于SCESS的UPQC的拓撲結構圖，主要包括了并聯側補償單元、串聯側補償單元和SCESS三個單元。并聯側補償單元由補償電感L2、濾波電容C2和并聯變流器組成，用于補償網側電流消除網側電流由于電力電子設備等因素產生的諧波電流，同時確保網側電流的單位功率因數。串聯側補償單元由補償電感L1、濾波電容C1、串聯變壓器Ts和串聯變流器組成，用于確保網側電壓穩定和正弦。SCESS單元由超級電容和雙向DC/DC逆變器組成，用于調節功率維持變流器直流側電壓穩定，解決電壓深度跌落問題。

1.2SCESS模型

在對超級電容進行模型分析時，可以將其視作理想電容器與等效電阻串聯。所以SCESS的等效電路如圖2所示。

圖中Csc為超級電容等效的理想電容器，Rsc為超級電容的等效串聯電阻。根據圖2的電路圖所示。其中，d為VT14的開關函數，i2d，i2q，d2d，d2q分別為d軸和q軸在交流側的輸出電流和等效的電流補償單元開關函數。

2基于SCESS的UPQC的控制策略

2.1串聯補償單元控制策略

圖3為串聯側控制算法框圖。考慮到UPQC串聯側補償單元主要補償電壓暫降，對響應速度要求較高，提出如圖3所示的電壓單環控制。采集網側電壓Vabc通過通過鎖相環得出電壓相角θ，通過dq旋轉變換變成相應的d軸和q軸的量，將所求得的ud與給定的參考電壓Vdref作差后經dq旋轉逆變換得出三相電壓的調整值Va*、Vb*、Vc*，再將調整值與當前調整量Va、Vb、Vc作差后經滯環控制輸出可以得到串聯補償單元的控制信號。

2.2并聯補償單元控制策略

圖4為并聯側控制算法框圖。UPQC并聯側補償單元主要補償連續型電流畸變，包括負序補償、無功補償和諧波補償，對于穩態誤差要求較高，提出如圖4所示控制。采用基于瞬時無功功率理論dq0檢測算法實現負載電流的負序、無功和諧波補償。直流公共側電壓環采用PI控制實際值跟蹤期望值，采集負載電流ILa、ILb、ILc通過通過dq旋轉變換得出d軸量id，經低通濾波器后進行dq旋轉逆變換將產生正序基波電流分量ILa*、ILb*、ILc*，與負載電流作差得出補償電流值，經滯環控制模塊可得出并聯補償單元控制信號。

2.3SCESS控制策略

SCESS模塊電路圖如圖2所示，主要有超級電容及雙向DC/DC變換器組成。超級電容作為儲能設備提供電壓深度暫降時所需的能量，DC/DC變流器實現輸出電壓的控制。DC/DC變流器有兩種工作模式，分別是功率流向相反的升壓模式和降壓模式。在升壓模式下，VT14和VD13導通，VT13關閉VT14以一定的開關頻率工作，功率從超級電容流向直流側。在降壓模式下，VT14保持關閉，而VT13一定的頻率工作，功率由直流側流向超級電容。

DC/DC變換器的工作模式主要取決于串聯補償單元的補償方式（即串聯補償單元的有功輸出）和電壓暫降程度，根據串聯側補償單元控制可以控制DC/DC的工作模式。在電壓暫降區間，直流側的功率波動較大，DC/DC變流器工作在升壓模式，通過電壓外環，電流內環的調節策略，實現對直流側的有功輸出，加強直流側電壓的穩定性。DC/DC變流器控制框圖如圖5所示。

圖中Udref為給定的直流側參考電壓，與DC/DC輸出電壓Ud構成電壓外環控制，經過PI控制得出超級電容輸出電流給定值Id*，采集超級電容輸出電流Id與Id*構成電流內環控制，經過PI控制后由PWM發生器生成DC/DC變流器的控制信號。

3仿真驗證

基于Matlab/Simulink工具箱根據圖1所示系統建立仿真測試，仿真參數如下所示：

電網電壓采用頻率為50Hz，正常相電壓有效值為220V的三相交流電壓。直流側額定電壓設定為600V，超級電容額定電壓設定為200V，初始電壓為200V。

圖7（a）為直流側濾波電容C兩端電壓波形，（b）為SCESS輸入電流波形。在0.1s時設置網側電壓跌落額定值的30%，0.4s時恢復為額定值。從圖中可以看出，直流側電壓基本維持在額定值附近;在開始時間段內由于超級電容初始電壓設置為額定電壓，沒有進行超級電容的充電，SCESS單元輸入電流為0，在0.1s時發生電壓暫降時，輸入電流為負，即代表超級電容對外輸出有功功率以維持直流側濾波電容兩端電壓穩定，在0.4s之后，由于對外進行功率輸出使得超級電容電壓下降，輸入電流為正對電容充電。圖8為超級電容兩端電壓，在電壓暫降區間對外進行有功輸出Usc下降，0.4s后電壓暫降故障結束，由于Usc低于額定值，由電網側對其進行充電。

圖9為暫降60%時直流側電壓波形，從圖中可以看出，對比暫降30%時的波形，在電壓暫降區間直流側電壓跌落幅度更大但跌落幅度也沒有超過直流側電壓額定值的1%，由此可見，即使在電壓深度跌落的情況下，SCESS模塊依然具有良好的維持直流側電壓能力。

圖10為UPQC串聯補償單元電壓暫降補償仿真波形，在0.1s～0.4s之間設置了三相電壓暫降60%的故障。圖中u1為串聯補償單元發出的補償電壓，u2為負載電壓（即檢測到電壓暫降補償后的電壓），u3為電網電壓。

串聯側暫降補償仿真主要驗證UPQC串聯側暫降補償功能和能力。從圖10中可以看出，串聯補償單元于0.1s時檢測到暫降60%并發出補償電壓降負載電壓補償至額定電壓值附近。由此可見，由于SCESS模塊的電壓支持使UPQC串聯側具有良好的電壓深度暫降補償能力。

4結論

針對傳統UPQC難以處理的電壓深度暫降電能質量問題，在傳統UPQC的拓撲結構中加入SCESS模塊，利用SCESS中的超級電容儲能進行功率調節以維持直流側電壓穩定。針對串并聯側電能質量補償需求提出了能夠實現補償電壓、電流實時檢測和快速補償的控制策略，并根據功能需求提出了SCESS的控制策略，實現了UPQC各單元配合控制。通過仿真驗證了基于SCESS的UPQC拓撲結構及控制策略的正確、有效和可行性。

參考文獻

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作者簡介

洪偉成（1995—），男，漢，福建南安，學歷：碩士研究生，電能質量治理，福建電力職業技術學院;福建省泉州市。