王浩，劉進(jìn)軍，梅桂華

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安710049)

一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓暫降補(bǔ)償深度的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器

王浩1，2，劉進(jìn)軍2，梅桂華1

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西西安710049)

傳統(tǒng)模塊化多電平變換器統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(MMC-UPQC)的串聯(lián)變壓器采用固定變比結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致UPQC裝置電壓暫降補(bǔ)償深度最大值為固定值，在饋線負(fù)荷未達(dá)到額定容量時(shí)串聯(lián)變換器不能輸出額定容量來(lái)補(bǔ)償電壓暫降。為充分利用串聯(lián)變換器的容量補(bǔ)償電壓暫降，提出了新結(jié)構(gòu)的MMC-UPQC以提高電壓暫降補(bǔ)償深度。分析了傳統(tǒng)及新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC的電壓暫降補(bǔ)償能力，并通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC的正確性。與傳統(tǒng)MMC-UPQC相比，新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC在保持裝置容量不變的前提下，可分段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓暫降補(bǔ)償深度，增大各段饋線負(fù)荷容量范圍下MMC-UPQC裝置的電壓暫降能力。

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器;電壓暫降;補(bǔ)償深度;模塊化多電平變換器

1 引言

隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用電設(shè)備日益增多，配網(wǎng)用戶的用電設(shè)備對(duì)電源特性變化的敏感性呈逐年上升趨勢(shì)，所面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，由電能質(zhì)量問(wèn)題引起的損失也日趨增加［1，2］。針對(duì)配網(wǎng)專線用戶設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題敏感度高、對(duì)供電質(zhì)量要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器［3］(Unified Power Quality Conditioner，UPQC)的應(yīng)用在中壓配網(wǎng)有著重要的意義，它可綜合地解決電源帶來(lái)的電壓暫升/暫降、電壓諧波問(wèn)題和負(fù)荷導(dǎo)致的無(wú)功電流、諧波電流、不平衡電流問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外UPQC的研究主要在控制方法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面［4-6］，小容量UPQC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已有報(bào)道［7］，但大容量UPQC裝置在中壓配網(wǎng)的應(yīng)用仍屬空白。模塊化多電平變換器［8］(Modular Multilevel Converter，MMC)技術(shù)為電力電子裝置在中高壓、大功率場(chǎng)合的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)［9-11］，模塊化多電平變換器統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器［12］(MMC-UPQC)成為10kV配網(wǎng)綜合治理電能質(zhì)量問(wèn)題的最佳解決方案之一，可提高專用饋線的供電質(zhì)量，降低專線用戶因電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損失。

傳統(tǒng)MMC-UPQC的串聯(lián)變壓器采用固定變比結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致UPQC裝置電壓暫降補(bǔ)償深度最大值為固定值，在饋線負(fù)荷未達(dá)到額定容量時(shí)串聯(lián)變換器不能輸出額定容量來(lái)補(bǔ)償電壓暫降。為充分利用串聯(lián)變換器的容量補(bǔ)償電壓暫降，本文提出的MMC-UPQC可動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)電壓暫降補(bǔ)償深度，根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷容量大小來(lái)調(diào)整串聯(lián)變壓器分接頭與串聯(lián)變換器的連接關(guān)系，等效地改變了串聯(lián)變壓器初級(jí)和次級(jí)的匝數(shù)比，使得串聯(lián)變換器充分利用其最大容量，達(dá)到了提高M(jìn)MC-UPQC裝置電壓暫降補(bǔ)償能力的目的。建立MMC-UPQC的仿真驗(yàn)證電路，通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了所提MMC-UPQC的正確性。

2 MMC-UPQC電壓暫降補(bǔ)償能力分析

2.1 傳統(tǒng)MMC-UPQC結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)MMC-UPQC結(jié)構(gòu)如圖1所示，由串聯(lián)部分和并聯(lián)部分組成，其中串聯(lián)部分包括一個(gè)串聯(lián)變換器和三個(gè)單相隔離變壓器，并聯(lián)部分包括一個(gè)并聯(lián)變換器，串、并聯(lián)變換器均采用MMC技術(shù)的變換器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)MMC-UPQC結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of traditional MMC-UPQC

圖2 MMC變換器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of MMC

串聯(lián)變換器控制為電壓源，可處理電源側(cè)出現(xiàn)的電壓型電能質(zhì)量問(wèn)題(如電壓暫升、電壓暫降、電壓諧波等);并聯(lián)變流器控制為電流源，處理負(fù)荷側(cè)出現(xiàn)的電流型電能質(zhì)量問(wèn)題(如諧波電流、不平衡電流、無(wú)功電流等);串、并聯(lián)變換器通過(guò)公共直流側(cè)相連。

2.2 電壓暫降補(bǔ)償能力分析

MMC-UPQC裝置的電壓暫降補(bǔ)償能力是一個(gè)重要指標(biāo)，該指標(biāo)由電壓暫降補(bǔ)償深度dsagc和電壓暫降補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間tsagc這兩個(gè)性能參數(shù)組成。傳統(tǒng)MMC-UPQC裝置電壓暫降補(bǔ)償深度dsagc由串聯(lián)變換器的容量和饋線負(fù)荷的容量決定，為

式中，ssvsc為串聯(lián)變換器的容量;sload為饋線負(fù)荷的容量

式中，vload為額定負(fù)荷電壓;is為負(fù)荷電流。

并聯(lián)變換器在電壓暫降期間不吸收有功功率，電壓暫降補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間tsagc由MMC-UPQC子模塊直流電容總儲(chǔ)能和饋線實(shí)際有功負(fù)荷決定，為

式中，wcap為MMC-UPQC裝置中子模塊電容可用于電壓暫降補(bǔ)償?shù)目偰芰?pload為發(fā)生電壓暫降時(shí)饋線負(fù)荷的平均有功功率。由式(3)可知tsagc直接影響子模塊直流電容容量的選擇。

由于電壓暫降的突發(fā)性和短暫性，在MMC-UPQC裝置應(yīng)用中用戶往往希望在裝置串聯(lián)部分容量不提高的同時(shí)要求更高電壓暫降補(bǔ)償深度，但該性能參數(shù)的提高受到裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制。

傳統(tǒng)MMC-UPQC，電壓暫降補(bǔ)償電壓為vcomp，初級(jí)繞組電流為is時(shí)，MMC-UPQC串聯(lián)部分的瞬時(shí)功率ssvsc為

當(dāng)串聯(lián)變壓器變比(系統(tǒng)側(cè)到裝置側(cè))為k時(shí)，串聯(lián)變換器交流側(cè)電流isvsc為

當(dāng)串聯(lián)變換器的最大交流輸出電壓為vsvscm時(shí)，串聯(lián)部分的最大補(bǔ)償電壓vcompm為

當(dāng)饋線負(fù)荷為額定容量時(shí)串聯(lián)變壓器初級(jí)繞組流過(guò)電流is達(dá)到額定值，由式(4)可知此時(shí)如果發(fā)生最大跌落深度電壓暫降，串聯(lián)變換器的瞬時(shí)輸出功率將達(dá)到額定值。當(dāng)饋線負(fù)荷低于額定容量時(shí)，串聯(lián)變壓器初級(jí)繞組流過(guò)電流小于額定電流，由式(5)可知，耦合到次級(jí)繞組的電流低于額定值，既使對(duì)大跌落深度的電壓暫降進(jìn)行串聯(lián)部分補(bǔ)償串聯(lián)變換器輸出也無(wú)法達(dá)到額定容量。

由式(1)、式(2)、式(4)、式(6)可得MMC-UPQC裝置的最大電壓暫降補(bǔ)償深度dsagcm為

由式(7)可知，傳統(tǒng)MMC-UPQC由于耦合變壓器的變比固定，即使饋線實(shí)際負(fù)荷減小，也無(wú)法進(jìn)一步提高最大暫降補(bǔ)償深度。

2.3 新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC和電壓暫降補(bǔ)償深度分級(jí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)MMC-UPQC采用固定變比的串聯(lián)變壓器，當(dāng)饋線負(fù)荷低于額定容量時(shí)串聯(lián)變壓器無(wú)法充分利用其額定容量進(jìn)一步提高最大暫降補(bǔ)償深度。采用單初級(jí)繞組多次級(jí)繞組變壓器來(lái)代替串聯(lián)變壓器，并采用多個(gè)雙向開(kāi)關(guān)器件將次級(jí)繞組端子與串聯(lián)變換器的交流側(cè)端子相連，可構(gòu)成如圖3所示的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC。

圖3 新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of novel MMC-UPQC

新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC可通過(guò)控制各雙向開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變換器的交流側(cè)輸出端子與串聯(lián)變壓器各次級(jí)繞組端子的各種連接方式，等效地改變串聯(lián)變壓器的變比。由式(7)可知，當(dāng)串聯(lián)變壓器變比k增大時(shí)，可提高最大暫降補(bǔ)償深度，故新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC可在饋線負(fù)荷小于額定容量時(shí)通過(guò)調(diào)整各雙向開(kāi)關(guān)來(lái)等效增大串聯(lián)變壓器的變比，從而充分利用串聯(lián)變換器的容量，提高最大暫降補(bǔ)償深度。

新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC可實(shí)現(xiàn)分段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)MMC-UPQC裝置的電壓暫降補(bǔ)償深度，分段調(diào)節(jié)策略的分段數(shù)與每相采用的雙向開(kāi)關(guān)數(shù)相同。增加分段數(shù)可提高裝置的電壓暫降補(bǔ)償深度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力，但同時(shí)增加串聯(lián)變壓器的復(fù)雜度和MMC-UPQC裝置的成本。出于成本和性能的綜合考慮，將圖3的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用于10kV配網(wǎng)的MMC-UPQC，宜每相用三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，分段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓暫降深度策略見(jiàn)表1。

表1 分段調(diào)節(jié)電壓暫降深度策略Tab.1 Control strategy of piecewise adjusting voltage sag depth

3 仿真研究及結(jié)果

為了驗(yàn)證所提新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC及相應(yīng)分段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓暫降深度策略的正確性，基于PSCAD進(jìn)行了仿真研究。搭建10kV、3MVA的傳統(tǒng)MMCUPQC，主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 仿真電路主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of simulation circuit

仿真試驗(yàn)中，饋線輸入電壓深度和負(fù)荷容量變化見(jiàn)表3。

表3 饋線電壓跌落深度和負(fù)荷容量變化Tab.3 Change of voltage sag depth and load capacity

仿真結(jié)果如圖4所示，由于采用固定變比的串聯(lián)變壓器，電壓暫降補(bǔ)償深度最大值固定為0.4，故在0～0.8s負(fù)荷側(cè)電壓可補(bǔ)償?shù)筋~定值，但在0.8～1s和1.2～1.4s發(fā)生大于40%電壓暫降時(shí)負(fù)荷側(cè)電壓不能補(bǔ)償?shù)筋~定值。

搭建10kV、3MVA的新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC，除電壓暫降補(bǔ)償深度可分段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)外其余主要參數(shù)與表2相同。饋線輸入電壓暫降深度和負(fù)荷變化見(jiàn)表3，仿真結(jié)果如圖5所示，由于串聯(lián)變壓器變比可變，電壓暫降補(bǔ)償深度可隨負(fù)荷情況分段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，電壓暫降均在該MMC-UPQC電壓補(bǔ)償深度范圍內(nèi)，故負(fù)荷側(cè)電壓一直保持在額定值。

圖4 饋線負(fù)荷側(cè)電壓(傳統(tǒng)MMC-UPQC)Fig.4 Voltage of feeder load(traditional MMC-UPQC)

圖5 饋線負(fù)荷側(cè)電壓(新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC)Fig.5 Voltage of feeder load(novel MMC-UPQC)

4 結(jié)論

本文提出了新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC，可在不增加裝置容量的前提下提高M(jìn)MC-UPQC在饋線負(fù)荷低于額定負(fù)荷時(shí)的最大電壓暫降補(bǔ)償深度。新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC采用初級(jí)單繞組次級(jí)多繞組的串聯(lián)變壓器，并通過(guò)多個(gè)雙向開(kāi)關(guān)連接串聯(lián)變壓器次級(jí)繞組和串聯(lián)變換器交流端，可通過(guò)控制各雙向開(kāi)關(guān)來(lái)等效地改變串聯(lián)變壓器的變比，串聯(lián)變換器在不同負(fù)荷情況下充分利用其額定容量，實(shí)現(xiàn)了分段動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)MMC-UPQC裝置最大電壓暫降補(bǔ)償深度，保證了負(fù)荷側(cè)電壓到達(dá)額定值。本文提供了相應(yīng)的分段調(diào)節(jié)電壓暫降深度策略，并進(jìn)行PSCAD下的仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提新結(jié)構(gòu)MMC-UPQC及其分段調(diào)節(jié)電壓暫降深度策略的正確性。

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UPQC for dynam ically adjusting voltage sag com pensation depth

WANG Hao1，2，LIU Jin-jun2，MEIGui-hua1
(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510080，China; 2.School of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

Traditional MMC-UPQC uses series transformerswith constant transformation ratio structure，which causes a constantmaximum voltage sag compensation depth and the series converter cannotutilize its full rated capacity to compensate the voltage sag when the feeder load does not reach its rated capacity.A novel MMC-UPQC is proposed to fully utilize the rated capacity of the series converter and increase the voltage sag compensation depth of the MMC-UPQC，in whichmulti-winding transformer and bidirectional switches are used.Voltage sag compensation capability of the traditional MMC-UPQC and the novel MMC-UPQC are analyzed，which points out the advantage on changing the transformation ratio of the series transformer.Simulations based on the traditionalMMC-UPQC and the novel MMC-UPQC are done and the simulation results verify the effectiveness of the novel MMC-UPQC.Compared with the traditional one，novel MMC-UPQC can piecewise dynamically adjusts voltage sag compensation depth and increases the voltage sag compensation capability when the feeder load does not reach its rated capacity without increasing the rated capacity of the MMC-UPQC.

unified power quality conditioner;voltage sag;compensation depth;modularmultilevel converter

TM71

A

1003-3076(2014)08-0011-04

2013-09-27

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2009CB219705)、南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目(K-GD2011-420)

王浩(1976-)，男，廣東籍，博士后，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電能質(zhì)量控制及輸配電中的應(yīng)用;劉進(jìn)軍(1970-)，男，湖南籍，教授，博士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電能質(zhì)量控制及輸配電中的應(yīng)用等。