李曉莉，李 強，張蕊萍*

(1.蘭州交通大學自動化與電氣學院，蘭州730070;2.中鐵21 局電務電化公司，蘭州730030)

目前，統(tǒng)一電能質量控制器(UPQC)被廣泛應用于針對非線性負載和大功率電力電子設備對供電系統(tǒng)產生的大量高次諧波、電力系統(tǒng)電壓和電流畸變等電能質量問題。統(tǒng)一電能質量控制器可簡化為一個由兩個背靠背通過直流側連接的電壓源逆變器組成的功率調節(jié)裝置［1］，而其直流側采用直流電容器來等效直流電源。直流側電壓的控制水平直接影響UPQC 串并聯(lián)單元的電壓和電流補償效果［2］。直流電容補償負載變化導致主電路與負載間的功率差［3］，為了維持直流電容器電壓的穩(wěn)定，將直流側電壓實際值與參考值間的偏差作為PI 控制器的輸入，向主電路釋放或吸收電流來抑制直流側電壓的波動，使其維持在參考值附近。在此基礎上提出了一種自適應電壓控制器，根據電路的不同狀態(tài)來調整控制器的參數(shù)使其能實時跟蹤直流電壓變化。仿真結果顯示采用此電壓控制器具有較好的動態(tài)性能和更好的直流側電壓波形。

1 直流側電壓控制原理

在負載與UPQC 連接/斷開及電源電壓發(fā)生跌落/上升的瞬間，通過直流電容器的電壓平均值Vdc偏離它的參考值Vdc·ref。直流環(huán)節(jié)電壓偏差的嚴重性取決于電源電壓跌落/上升的程度、與UPQC 連接/斷開的負載的大小、直流側電容器的容量以及直流側電壓控制器的參數(shù)。在Vdc＜0.785 4Vdc·ref時串聯(lián)逆變器的輸出電壓基波分量的大小低于Vdc·ref/2，故必須通過一些措施使直流側電壓限制在21. 46%Vdc·ref［4］。此外，直流暫態(tài)過電壓必須限制在合理的數(shù)值。通過恰當?shù)脑O置直流側電壓控制器可以減少直流側暫態(tài)偏差，而不是采取增加直流電容容量。

直流側電壓控制通過調節(jié)并聯(lián)逆變器到直流側電容器間的微小電流來實現(xiàn)。這個微小電流是通過改變參考電流基波分量的實際幅值來調整的。PI控制器常被用于通過直流電容器的平均電壓與參考電壓間的誤差來確定補償電流的幅值［1－2］，且PI 控制器有助于在跟蹤參考信號實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。直流側電壓控制環(huán)節(jié)如圖1 所示。直流側電壓控制環(huán)節(jié)的輸出(ΔIreal)是參考電流基波分量的幅值，用來補償傳輸損耗和開關損耗，從而保證直流側電壓恒定。

圖1 直流側電壓控制單元

有功/無功電流注入可能導致直流側電壓波動，為濾除此波動通常使用一個低通濾波器(LPF)，但它引入了一個有限的延遲。因直流側電壓波動的頻率應低于50 Hz，故低通濾波器的截止頻率不應超過50 Hz，否則，LPF 不能濾除波動且ΔIreal將包含交流分量，反過來會導致電源電壓失真。另一方面，LPF 的截止頻率越低，直流側電壓的穩(wěn)定時間就越長，直流側電壓偏差會更大。

圖2 直流側電壓波形

將直流側電壓控制單元裝入UPQC 仿真模型分別得到直流側電壓的兩種形式，如圖2 所示。第1種情形(圖2(a))LPF 的截止頻率為50 Hz，PI 控制器的參數(shù)為kp=0.2 A/V，ki=2.8 A/(V·rad)。第2種情形(圖2(b))LPF 的截止頻率為300 Hz，PI 控制器的參數(shù)為kp=0.6 A/V，ki=17.2 A/(V·rad)［4］。在2 s 時，負載接入UPQC，在3.5 s 時斷開。這種連接/斷開負載導致直流側電壓暫態(tài)偏差。從圖2 中可看出，當LPF 的截止頻率為50 Hz 時直流側電壓偏差較大，而使用一個截止頻率為300 Hz 的LPF 可大大減少直流側電壓偏差。

圖3 是電源電流在上述兩種情況下的穩(wěn)態(tài)值。從圖中可看到，當使用LPF 的截止頻率為300 Hz時，電源電流畸變，而使用截止頻率為50 Hz 的LPF時，不會出現(xiàn)這種失真。每橫格單位為0.01 s，電流單位為A。

圖3 電源電壓波形

2 自適應電壓控制器

綜合上述可得出以下結論，使用截止頻率為50 Hz 的LPF 能使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，但動態(tài)響應較慢(直流側電壓偏差大且恢復緩慢)，而使用截止頻率為300 Hz 的LPF 將產生更好的動態(tài)響應但系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能不能令人滿意。因此，截止頻率為50 Hz 的LPF 適用于穩(wěn)態(tài)運行，而在暫態(tài)時使用截止頻率為300 Hz 的LPF 是可取的。為了在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時都有較好的系統(tǒng)性能，應使用自適應直流側電壓控制器。該控制器的框圖如圖4。

圖4 自適應電壓控制器

在穩(wěn)態(tài)運行時，LPF 的截止頻率為50 Hz，相應的PI 控制器的參數(shù)為k50p，k50i。暫態(tài)時，LPF 的截止頻率為300 Hz，相應的PI 控制器的參數(shù)為k3p00，k3i00。一段時間后，暫態(tài)消失，控制器回到穩(wěn)態(tài)參數(shù)(LPF截止頻率為50 Hz，k5p0，k5i0)運行，各狀態(tài)的PI 控制器參數(shù)如表1 所示。因此，LPF 的截止頻率和PI 控制器的參數(shù)會根據系統(tǒng)的運行模式自動調整。PI控制器參數(shù)應當首先利用Ziegler－Nichols 調整規(guī)則計算，然后通過模擬提純。

表1 穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時的狀態(tài)參數(shù)

通常當直流側電壓偏差大于正常穩(wěn)態(tài)偏差時被認為是暫態(tài)階段的起點［6－7］。例如，一個系統(tǒng)的Vdc·ref=400 V，正常穩(wěn)態(tài)偏差可高達15 V。如果出現(xiàn)|Vdc－Vdc·ref|＞15 V，則直流電壓控制器開始切換到暫態(tài)參數(shù)。當|V50dc·av－Vdc·ref|小于某閥值時，可認為暫態(tài)消失。此閥值接近于零且它的值反映了系統(tǒng)的精度。在這里V50dc·av是LPF 截止頻率為50 Hz 的直流側平均電壓。圖5 顯示的是用于確定系統(tǒng)是否處于穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)的控制模塊。

圖5 判定系統(tǒng)狀態(tài)的控制單元

將上述提出的自適應控制策略載入在UPQC 仿真模型中，仿真結果如下所示。圖6(a)顯示使用自適應直流側電壓控制器的直流側電壓。通過負載與UPQC 的連接或斷開和電源側50%的電壓跌落造成最嚴重的擾動［5］。在2 s 時負載連接到UPQC 且在3.5 s 斷開，導致直流側電壓的瞬時偏差。

從圖6(a)中可看出最大直流側電壓偏差約為30 V(直流側參考電壓的7.5%)。直流側電壓偏差限制在21.46%［8－10］，而現(xiàn)在的直流側電壓偏差遠低于極限。比較圖6(a)和圖2(a)可得出結論:利用提出的自適應控制器使直流側電壓偏差在暫態(tài)時大大減少(從50%到7.5%)。

圖6(b)是使用自適應直流側電壓控制器的電源電流。暫態(tài)從2 s 持續(xù)到2.54 s，在此期間的LPF截止頻率為300 Hz 且電源電流畸變(幅值大小)，這種畸變只持續(xù)了0.54 s。在2.54 s，該控制器切換到穩(wěn)態(tài)參數(shù)運行，從此刻起電流不在畸變。因此，采用自適應控制策略在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時都能令人滿意。

圖6 自適應控制下的直流側電壓和電源電流

3 仿真結果

為使UPQC 在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)條件下都能獲得更好的性能，將改進的串聯(lián)逆變器脈寬調制法［11］與自適應電壓控制器結合在一起應用，其仿真結果如圖所示。設在2 s 時負載連接到UPQC 且在3.5 s 斷開，整個仿真過程有50%的電壓跌落，電源相電壓的額定值230 V，直流側參考電壓設為400 V，直流側電容容量為2 000 μF，負載采用電壓源型電路，其有功功率為5 kW。在約2.003 s，直流側電壓低于閥值385 V，直流側電壓控制器切換到暫態(tài)運行模式。在2.525 s，直流側電壓偏差低于閥值(0.1 V)，直流側電壓控制器切換到穩(wěn)態(tài)運行模式。類似的在3.503 5 s 和3.808 9 s 分別切換到暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行模式。由于直流側電壓偏差小于50 V(12.5%)，故直流側電容電壓等級只需比直流側電壓(400 V)高12. 5%。此外，由于直流側電壓不低于0.785 4Vdc·ref，不再需要串聯(lián)逆變器工作在非線性模式來注入所需電壓。

由于將改進的串聯(lián)逆變器脈寬調制法與自適應電壓控制器聯(lián)合使用，注入電壓(圖7(a))和負載電壓已大大改善?，F(xiàn)在，無論是在穩(wěn)態(tài)還是在暫態(tài)，串聯(lián)變換器的注入電壓都滿足要求(115 V)。從圖7(b)中可看出，在整個仿真過程中，負載電壓的大小可看出是恒定的。因此，使用所提出的控制策略可使負載電壓在暫態(tài)無偏差。

圖7 注入電壓和負載電壓

4 結論

當負載與UPQC 連接或斷開或者電源側發(fā)生電壓跌落或上升時，UPQC 的直流側電壓都經歷了一個偏離參考電壓的暫態(tài)過程。這個直流側電壓偏差造成串聯(lián)補償器的注入電壓偏差，反過來影響負載電壓［12］。為了克服這個問題，提出和驗證了利用自適應電壓控制器控制直流側電壓的控制策略。

自適應直流側電壓控制器是為了在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)時都能獲得更好的系統(tǒng)性能而提出的。在穩(wěn)態(tài)運行期間，LPF 截止頻率為50 Hz 且使用相應的PI 控制器參數(shù);在暫態(tài)運行期間，LPF 截止頻率為300 Hz 且使用相應的PI 控制器參數(shù)。此補償策略用DSP 很容易實現(xiàn)。此控制策略的有效性已通過仿真模擬被證明。

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