电能质量控制器的串联变流器的设计与实现论文(编辑修改稿)

电能质量控制器的串联变流器的设计与实现论文(编辑修改稿)内容摘要：

TI公司 DSP 芯片 TMS320LF2407A DSP 为核心控制系统电路作了仔细的分析 ， 并 对控制 系统软件 设计进行分析。 通过对实验结果的分析证明电能质量控制器串联 变流器可以有效的改善电网侧电能质量。 9 2 统一电能质量调节器 UPQC 的工作原理 统一电能质量调节器 UPQC 是具有综合电能质量调节能力的电力电子装置，电路结构比单一电能质量调节器复杂，为了对其实现有效控制并达到预期目标，首先要对其工作原理进行分析 和研究。 因此本章首先对三相四线制下的 UPQC 功率电路进行了描述，说明了 UPQC 的功能，阐述了 UPQC 的工作原理和控制方案，然后分析了 UPQC系统的系统的等效电路，最后讨论了不同主电路拓扑结构对系统的影响，通过上述的分析，可以对 UPQC 系统有一个清晰的认识。 UPQC 系统主电路 【 10】－【 13】 图 给出了 UPQC 简单的示意图，为建立对 UPQC 系统的感性认识，本节详细地描述了三相四线制 UPQC 系统的功率电路。 如图 所示， UPQC 系统由以下各部分组成： （ 1） 交流电网：三相四线制，额定电压 220V，频率 50Hz，电压波动范围 %15 ， 10 可能包含谐波电压，也可能三相不对称。 （ 2） 串联变压器 Ts：该变压器可以是三相耦合的三相变压器，也可以是三个独立的单相变压器，它串接在交流电网和负载之间，故称为串联变压器。 图 21 所示串联变压器 Ts 为三相耦合变压器，采用星型接法。 （ 3） 串联变流器 VSC1：该变流器经输入电感 L串联变压器 Ts 串联接入电网，称为串联变流器，由三相全控半桥电路组成，采用高频 PWM 控制技术，具有双向四象限工作特性。 （ 4） 并联变流器 VSC2：该变流器 经输出滤波电感 L滤波电容 C2 后并接在负载端，称为并联变流器，同样由三相全控半桥电路组成，采用高频 PWM 控制技术，具有双向四象限工作特性。 （ 5） 直流母线电容 1dcC 和 2dcC ：串联连接， 21 dcdc CC  ，并接在串联变流器 VSC1和并联变流器 VSC2 的公共直流端。 （ 6） 直流母线电池组 1bE 和 2bE ：串联连接， 21 bb EE  ，并接在变流器的公共直流端，作为交流电网掉电时的备用电源，保证负载的不间断供电需求。 （ 7） 输入静态开关 S1 和旁路静态开关 S2：由两个反并联的晶闸管组成。 （ 8） 负载：对于 UPQC 系统，可以适合各种负载特性，诸如线性、非线性、不平衡等。 需要注意系统的中性点 N 连接到电网输入中线、串联变压器中线、电池组中点、直流母线电容中点及并联变流器滤波电容的中点。 UPQC 系统工作原理 【 14】－【 16】 系统功能 图 所示的统一电能质量调节器，安装在交流电网 和电力用户之间，可以获得如下的补偿效果：对于交流电网侧，使得在负载不平衡、非线性的情况下，交流电网输入电流平衡、正弦且与交流电网电压同相，电网输入功率因数为 1，电网仅向负载输送有 11 功功率。 对于负载侧，使得在电网电压畸变、不对称、非额定的情况下，负载端电压始终保持对称、额定正弦且与电网基波电压同相。 当需要时，可以通过串联变流器或并联变流器对直流母线端的电池组进行充电控制。 当发生交流电网掉电时，直流母线端的电池组放电，经并联变流器向负载不间断的供电，具有 UPS 的功能。 当电网恢复供电后，系统 重新切回到电网供电状态。 通过对 UPQC 两个变流器进行实时、适式的控制， 可以实现上述综合的电能质量调节， 满足电力用户对于电网电能质量越来越高的要求。 系统工作原理分析 图 给出了 UPQC 的单相电路原理图，区别于图 的功率电路，直流母线端的电池组和电容等效为单个电池组 bE 和单个电容 dcC ，此外电路中忽略了线路阻抗，串联变压器 Ts 视为一个理想的变压器。 交流电网输入电压 sv 包含谐波分量 shv ，其基波分量记为 1sv ， shss vvv  1。 负载电流 Li 具有非线性特性，由基波有功电流 LPi 、基波无功电流 LQi 和谐波电流 Lhi 三部分组成， LhLQLPL iiii 。 对两个变流器 进行实时、适式的控制， 可以实现前述各项电能质量调节功能。 采用直接控 制策略，串联变流器和并联变流器分别进行独立的控制， 从而使得整个 UPQC 系统是一个单输入单输出（ SISO）的系统，这样的控制策略可 避免多输入多输出（ MIMO）图 UPQC单相电路原理图 VSC 12LTsshv1sv基波谐波1S2v 2i3i**1L1C 2CcILhLii  LQiLPiNsNp变比 N = Np / NsNiis/1dsLPiii2ciii 32sLPdiii 2cLQqiii 2Lhhii 2Cv1i1vVSC 2bEsishssvvv 12SRsLvvvv  shRshvvvvvv   )(11sPsQTPLQLP1P2P2Q1QdcVdcc 12 系统在控制上的复杂性，利于各个变流器选择最优的控制策略来实现最优的控制效果。 本文中 串联变流器受控为基波正弦电流源，其输出电流 1i 为正弦波，经串联变压器 Ts的线性放大作用，因此电网输入电流 si 受控为正弦。 若控制使得 si 与电网输入电压 sv 同相，则电网输入功率因数为 1，使电网仅向负载输出有功功率 sP ,而无功功率 0sQ ，显然此时串联变流器 只是处理有功功率 1P ，而无功功率 01Q。 控制并联变流器为额定正弦电压源，可使它输出至负载的电压为正弦波额定电压 Rv 且与电网输入电压基波 1sv同相，从而保证了在电网输入电压有谐波、非额定、不对称情况下负载端对电压的要求。 由于电网输入电流 si 在串联变流器的控制下为正弦波，因此迫使并联变流器向负载输出电流 )(3 sLPLhLQ iiiii  ，其中 LQi 补偿负载无功电流、 Lhi 补偿负载谐波电流，而负载的有功电流 LPi 则由交流电网（ si ）和并联变流器（ di2 ）共同提供， sLPd iii 2 ，也即并联变流器输出用于补偿负载无功功率的无功功率 2Q 外，还输出部分有功功率 2P。 而由于并联变流器受控为额定基波正弦电压源，负载电压 Lv 总是维持额定正弦波不变，因此迫使串联变流器经串联变压器输出的电压 v 由两部分组成， hvvv  1 ，其中hv 为谐波补偿电压，它与交流电源中的谐波电压 shv 大小相等， shh vv  ，但方向相反； 1v 为基波电压补偿量，用于补偿电源电压的基波 1sv 与负载电压额定值 Rv 的偏差，所以串联变流器提供的补偿电压 v 既抵消了电源电压 sv 中的谐波 shv ，又补偿基波电压 1sv ，使负载电压 Lv 成为与电 网 基波电压 1sv 同相的正弦波额定电压 Rv。 正是由于串联变流器和并联变流器的共同作用，使得在负载非线性、电网输入电压高于或低于额定值 Rv 且含有谐波电压时，负载电压 Lv 补偿到与电网输入电压同相的额定正弦电压 Rv ，同时交流电网仅输入基波有功电流 si ，电网输入功率因数为 1。 正常时交流电网与 UPQC 共同对负载供电，称为 Standby 工作模式，此时输入静态 13 开关 S1 导通，其两个并联晶闸管的导通信号是按输入电压的正负半周分别加上的。 一旦交流电网停电，并联变流器从电池组获取电能，无间隙的继续不间断对负载供电，称为 Backup 工作模式，此时由于电网输入电压与输入电流同相，无相位差，输入静态开关 S1 可立即关断，防止并联变流器的输出电流向电网倒灌。 当电网恢复正常后，系统可以重新 切回到 Standby 工作模式。 当发生输出过载或者变流器故障时，控制信号触发旁路静态开关 S2 导通，系统转入旁路工作模式。 等效电路模型 本 节讨论 UPQC 系统的等效电路模型，通过定义系统在基波和谐波下的等效电路，使得对系统的静态工作特性分析简单化。 该等效电路模型的获得基于以下必要的假设： （ 1） 并联变流器采用高频 PWM 控制技术，于负载端提供平衡的、额定的正弦波电压，总谐波畸变率 THD 值低，并且与电网输入电压同相。 （ 2） 串联变流器采用高频 PWM 控制技术，使得电网输入电流为平衡的正弦波电流，总谐波畸变率 THD 值低，并且电网输入功率因数为 1。 （ 3） 变流器的 PWM 开关频率足够高，开关频率谐波易于为低通滤波器滤除，从而使得低频至开关频率的谐波减小到可以忽略的程度，负载电压和电网输入电流中的谐波成分足以小到满足电能质量标准的要求。 图 UPQC 基波及谐波单相等效电路模型 (a) 基波等效电路 模型 (b) 谐波等效电路模型 14 （ 4） 串联变压器变比为 1，使得串联变流器输入电流也就代表了电网的输入电流，串联变压器原边电压也即串联变流器输入电压。 基于上述 假设，串联变流器和并联变流器可以分别用静止的电流源和电压源来表示，如图 给出了基波及谐波下 UPQC 的单相等效电路，图中串联变流器和并联变流器分别用基波和 谐波下独立的电流源和电压源来代替。 图 (a)，电网输入电压作为参考向量，记为 0sV ；由于并联变流器受控为基波正弦电压源，输出与电网输入电压同相的负载电压，因此负载电压记为 0LV ；而串联变流器受控为基波正弦电流源，因此仅从电网吸收基波有功电流且和电网输入电压同相，记为 0sI ；负载电流滞后负载电压一个角度  ，记为 LI ；负载吸收的有功功率记为 LP ，无功功率记为 LQ ；并联变流器输出电流记为 33 I ；串联变流器输出电压记为  V ；考虑串联变压器漏抗 X ，其压降记为 XXV 。 显然交流电网只提供有功功率 sP ，用于负载有功消耗 LP 和系统损耗losP ，而无功功率 0sQ ，负载的无功功率需求 LQ 完全由并联变流器提供。 图 (b)给出了 UPQC 谐波下的等效电路，由于串联变流器作为一个基波正弦电流源运行，电网输入电流中的谐波成分 00shI ，因此串联变流器对谐波电流而言具有无穷大阻抗。 电网输入谐波电压 00   LhhhXhXhsh VVVV ，由于并联 变流器作为基波正弦电压源运行，负载电压中的谐波成分 00LhV ，且 00shI ，因此电网输入谐波电压 hhsh VV  0 ，即串联变流器对于电网谐波电压而言具有零阻抗，串联变流器完全吸收了电网输入电压的谐波。 而负载谐波电流 hhshhLh III 330   ，由于 00shI ，显然 hhhLh II 33   ，即并联变流器对于负载谐波电流而言具有零阻抗，并 联变流器完全抑制了负载的谐波电流。 由于理想的控制使得电网输入电流及负载电压中无谐波成分，因此系统不从电网吸收谐波功率 snP ，也无负载谐波功率消耗 LnP。 实际的控制效果并不可能完全消除谐波的 15 影响，但相对基波成分而言，由谐波成分引起的谐波功率分量可以忽略不计，因此谐波频率下 UPQC 的工作特性研究是很简单的，它主要用来分析变流器的视在功率和 kVA 容量。 基于此考虑，本文所指 UPQC 系统静态工作特性的分析主要基于基波下的等效电路。 统一电能质量调节器的控制方案 对于统一电能质量调节器 UPQC，每个变流器要么作为电流源控制，要么作为电压源控制，按控制方案分，统一电能质量调节器有如此两类基本的控制方案。 间接控制方案 【 17】－【 20】 所谓间接控制方案，是指串联变流器作为非正弦电压源运行，并联变流器作为非正弦电流源运行。 如图 ，检测电网电压的畸变和基波偏差，作为电压指令，对串联变流器进行控制，使得串联变流器通过串联变压器输出一个与电网电压畸变和基波偏差相抵消的补偿电压，从而保证负载电压是一个额定的正弦电压。 检 测负载的无功和谐波电流，作为电流指令，对并联变流器进行控制，使得并联变流器输出与负载无功和谐波电流大小相等的无功和谐波，从而实现对负载无功和谐波电流的补偿，使得电网输入图 UPQC 间接控制策略框图 16 电流为正弦波电流，功率因素为 1。 采用间接控制策略，需要检测电网电压及负载电流的扰动畸变等信息，由于是通过消除扰动来获得补偿效果，因此从电网端看，对于负载电压的调节和输入功率因数的校正是间接的。 此外，当交流电网掉电或恢复供电时，并联变流器需要从间接控制策略转为直接控制策略（或反之），存在工作模式的一个切换，这对于控制来说是不利的。 直接控制方案 【 21】－【 25】 如图 所示，直接控制方案指串联变流器受控为正弦电流源，而并联变流器受控为正弦电压源。 并联变流器作为正弦电压源运行，将输出平衡、额定幅值的正弦电压于负载端，由于电压源对于谐波来说具有很小的阻抗，因此负载的谐波和电网的谐波电流都流入并联变流器支。