郭 伽 段建東 孫 力 王志剛

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁驅(qū)動與控制研究所 哈爾濱 150001 2.中國石油集團濟柴動力總廠 濟南 250306）

0 引言

近年來，配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題越來越受到重視。一方面是因為以電力電子設(shè)備為代表的非線性負(fù)荷在配電網(wǎng)中的比重不斷上升，導(dǎo)致配電網(wǎng)中電壓畸變越來越嚴(yán)重；另一方面則是更多負(fù)載對電網(wǎng)電壓波動越來越敏感，對配電網(wǎng)供電質(zhì)量提出了更高的要求。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器由于具備同時治理電壓諧波、電流諧波、無功電流、三相不平衡、電壓跌落與閃變等多種電能質(zhì)量問題的特點而廣受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器采用背靠背式雙PWM 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有開關(guān)器件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的進一步擴展。

九開關(guān)變換器是近年來提出的一種用以替代傳統(tǒng)背靠背式雙PWM 變換器的新電路拓?fù)鋄1]，其電力電子器件使用量相比減少25%。自提出之日起，九開關(guān)變換器便得到了研究人員的關(guān)注，在不間斷供電、電動車驅(qū)動和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域獲得了一定的應(yīng)用[2]。

九開關(guān)變換器減少開關(guān)器件使用量的最主要代價是直流母線電壓的升高。直流母線電壓升高，不但對開關(guān)器件、直流電容等器件提出了更高的要求，而且增加了變換器的損耗。應(yīng)用領(lǐng)域不同，九開關(guān)變換器直流電壓增加程度區(qū)別很大。在電動車驅(qū)動、雙電機控制等應(yīng)用中，直流電壓增加幅度較大，甚至可以達到傳統(tǒng)拓?fù)浞桨傅? 倍；而在不間斷供電、風(fēng)力發(fā)電等應(yīng)用中，直流電壓增加較小，該領(lǐng)域適合九開關(guān)變換器應(yīng)用。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是另一類九開關(guān)變換器的適用領(lǐng)域。由于電壓跌落事件出現(xiàn)頻率較低，在系統(tǒng)運行的絕大多數(shù)時間，直流電壓為主要組成電流補償單元的上側(cè)變換器所獨享；當(dāng)配電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，組成電壓補償單元的下側(cè)變換器所占用的直流電壓份額大幅增加，以完成補償工作。通過直流母線電壓的動態(tài)分配，應(yīng)用于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中的九開關(guān)變換器能夠有效降低直流電壓增加的需求。

本文通過對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器工作的穩(wěn)態(tài)分析，驗證了九開關(guān)變換器方案的正確性與有效性?；诰砰_關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器能夠在減少開關(guān)器件數(shù)量的前提下，完成與傳統(tǒng)方案相同的功能。本文對于降低統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的成本，擴展其應(yīng)用領(lǐng)域具有積極的意義。

1 九開關(guān)變換器的原理與調(diào)制策略

1.1 原理

分別基于傳統(tǒng)電路和九開關(guān)變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器如圖1 所示。九開關(guān)變換器由三個橋臂組成，每個橋臂包含三個串聯(lián)的開關(guān)器件，如圖1b 點劃線框中所示。九開關(guān)變換器共有兩組輸出端口，與背靠背式雙PWM 變換器相比，開關(guān)器件使用率減少25%。

圖1 兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器Fig.1 Unified power quality conditioner with two topologies

九開關(guān)變換器通過分時控制實現(xiàn)兩路輸出的獨立控制。表1 為背靠背式變換器的開關(guān)狀態(tài)，表2為九開關(guān)變換器的有效開關(guān)狀態(tài)。九開關(guān)變換器每相橋臂3 個開關(guān)器件共有8 種開關(guān)狀態(tài)，由于輸出引腳不能懸浮、直流母線不能短路等原因，有效狀態(tài)只有3 個。通過對以上3 個有效開關(guān)狀態(tài)的分析，存在上側(cè)輸出電壓永遠不能小于下側(cè)輸出電壓的約束。由此可見，九開關(guān)變換器的輸出狀態(tài)少于背靠背式變換器，部分輸出狀態(tài)無法實現(xiàn)。然而，這一問題可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制策略加以解決。

表1 背靠背式變換器的開關(guān)狀態(tài)Tab.1 Switching states of back-to-back converter

表2 九開關(guān)變換器的有效開關(guān)狀態(tài)Tab.2 Valid switching states of nine-switch converter

表1 中SA、SU分別表示圖1a 中背靠背式雙PWM變換電路A 相與U 相橋臂的開關(guān)狀態(tài)，VAN、VUN為對應(yīng)橋臂的輸出電壓。表2 中SA、SAU、SU分別表示圖1b 中九開關(guān)變換電路左側(cè)橋臂自上而下三個開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，VAN、VUN分別表示該橋臂上、下端口的輸出電壓。

圖2 為九開關(guān)變換器的工作原理[1,14]，其中，vref_1a、vref_1b分別表示九開關(guān)變換器A 相上、下端口調(diào)制信號；vc是載波信號；vAN、vBN分別是A 相上、下端口PWM 信號；Ts是開關(guān)周期。通過加入適當(dāng)?shù)闹绷髌?，上?cè)端口調(diào)制信號始終大于下側(cè)端口調(diào)制信號，九開關(guān)變換器即可始終工作于表2所列工作狀態(tài)的范圍內(nèi)。一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，在狀態(tài)1 與狀態(tài)2 中，SA處于恒導(dǎo)通模式，SAU與SU共同工作控制下側(cè)端口輸出期望的電壓；在狀態(tài)2 與狀態(tài)3 中，SU處于恒導(dǎo)通模式，SA與SAU共同工作控制上側(cè)端口輸出期望的電壓，故可認(rèn)為中間組開關(guān)器件通過分時控制為上、下側(cè)變換器所共用。

圖2 九開關(guān)變換器的工作原理Fig.2 Operation principle of the nine-switch converter

1.2 調(diào)制策略

根據(jù)兩個端口輸出電壓頻率是否相同，調(diào)制模式可分為同頻模式（Constant Frequency,CF）與異頻模式（Diverse Frequency,DF）兩類[2-5]。九開關(guān)變換器的調(diào)制策略示意圖如圖3 所示，其中，mU、mL分別為九開關(guān)變換器上、下端口輸出電壓的調(diào)制系數(shù)。只有變換器兩端口輸出電壓頻率始終相同時，CF 模式才是適用的；而DF 模式對兩端口輸出電壓頻率相同與否沒有限制。與DF 模式相比，CF 模式具有更高的直流電壓利用率。

圖3 九開關(guān)變換器的調(diào)制策略示意圖Fig.3 Schematic diagrams of the modulation strategies of the nine-switch converter

2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器原理

2.1 傳統(tǒng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

如圖1a 所示，傳統(tǒng)的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器由串聯(lián)補償環(huán)節(jié)、并聯(lián)補償環(huán)節(jié)與直流儲能環(huán)節(jié)三部分組成。

串聯(lián)補償環(huán)節(jié)由串聯(lián)側(cè)PWM 變換器和輸出濾波器與串聯(lián)變壓器組成。串聯(lián)補償環(huán)節(jié)表現(xiàn)為受控電壓源形式，用于補償電網(wǎng)電壓中的諧波成分，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落、瞬變或波動等故障時，維持負(fù)載電壓幅值恒定[6,7]。

并聯(lián)補償環(huán)節(jié)由并聯(lián)側(cè)PWM 變換器和濾波器組成。并聯(lián)補償環(huán)節(jié)表現(xiàn)為受控電流源形式，補償非線性負(fù)載電流中的諧波成分與無功成分，維持電網(wǎng)電流正弦且與電網(wǎng)電壓同相。同時，并聯(lián)補償環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

2.2 基于九開關(guān)變換器

基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1b 所示。開關(guān)器件SA、SB、SC、SAU、SBV、SCW組成電流補償單元，開關(guān)器件SAU、SBV、SCW、SU、SV、SW組成電壓補償單元，L1、C1分別是電壓補償單元濾波電感與電容，L2是電流補償單元濾波電感，Cdc為直流支撐電容。

與背靠背式雙PWM 變換器相比，九開關(guān)變換器最大特點是因減少25%開關(guān)器件而帶來的成本、體積與散熱方面的優(yōu)勢。然而，從上文對九開關(guān)變換器原理的分析可以看到，由于自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因，調(diào)制信號需要引入直流偏置以滿足約束，由此帶來輸出諧波與直流母線電壓的增加。其中，直流母線電壓的增加不但對電路中各元器件工作電壓提出了更高要求，而且開關(guān)損耗的增加也對設(shè)備散熱造成了不利的影響，該問題大大削弱了采用較少開關(guān)器件帶來的各種優(yōu)勢，限制了九開關(guān)變換器的應(yīng)用推廣。

九開關(guān)變換器的直流電壓增加程度因應(yīng)用領(lǐng)域的不同而不盡相同。對于雙電機驅(qū)動這類要求兩端口輸出電壓頻率不同的應(yīng)用領(lǐng)域，直流電壓增加最多，達到背靠背式變換器的2 倍。對于不間斷電源而言，由于兩端口輸出電壓頻率與相位均相同，理論上不會增加直流電壓。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中九開關(guān)變換器的主要工作狀態(tài)有兩類，即正常與電壓跌落。在正常工作狀態(tài)時，電網(wǎng)電壓幅值正常，電壓補償單元僅需要對諧波電壓進行補償，于是大部分直流電壓可以分配給電流補償單元用于無功電流與諧波電流的補償。

圖4 為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)等效電路。下面基于圖4 分析電壓跌落時電路的工作情況[8,9]。定義負(fù)載電壓相量、負(fù)載電流相量，其計算式為

式中，Vm、Im分別為負(fù)載電壓、負(fù)載電流的峰值；Lφ 為負(fù)載電流與電壓的相位差。電網(wǎng)電壓與負(fù)載電壓同相，電網(wǎng)電壓為

式中，k 為電網(wǎng)電壓跌落程度。由式（1）～式（3）可以推導(dǎo)出補償電壓相量和電網(wǎng)電流相量，分別如式（4）、式（5）所示。在忽略電壓補償單元濾波器及串聯(lián)變壓器影響的前提下，可以推導(dǎo)出電壓補償單元輸出功率 Psr，如式（6）所示。

圖4 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器穩(wěn)態(tài)等效電路Fig.4 Steady-state equivalent circuit of the unified power quality conditioner

式中，Vsh為電流補償單元變換器側(cè)電壓幅值；δ 為Vsh與負(fù)載電壓相量間的相位差；為電流補償單元變換器側(cè)電壓相量。根據(jù) V˙sh、V˙L及濾波器感抗X，可以計算出電流補償單元輸出無功功率Qsh與吸收有功功率Psh分別為

理想情況下，統(tǒng)一下電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器不消耗有功功率，即 Psr=Psh，由此可推導(dǎo)出的幅值Vsh、相位δ 與電網(wǎng)電壓跌落程度t 的關(guān)系為

根據(jù)式（10），隨著電網(wǎng)電壓跌落程度不斷加深，Vshsin δ 逐漸減小，分析式（8）可知，為保證 Qsh不變，Vsh與δ 成反比。

綜上分析可知，隨著電網(wǎng)電壓跌落程度加深，電壓補償單元變換器輸出電壓幅值不斷增加，而并聯(lián)補償單元變換器輸出電壓幅值減小，即通過在兩個輸出端口間分配直流母線電壓，可以有效降低系統(tǒng)所需總直流電壓。

3 基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制策略

基于九開關(guān)變換器統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制器設(shè)計與基于傳統(tǒng)拓?fù)涞姆桨笡]有區(qū)別。對于三相三線制系統(tǒng)，在調(diào)制信號中疊加的直流偏置并不會在實際的電感電流與電容電壓中引入直流分量。本文采用基于PI 控制器經(jīng)典的雙閉環(huán)控制策略，電壓補償單元與電流補償單元的控制策略原理如圖 5所示。

由上文分析可知，九開關(guān)變換器通過分時控制方式實現(xiàn)兩組輸出的獨立控制。當(dāng)電壓補償端口工作時，開關(guān)器件SA、SB、SC處于恒導(dǎo)通模式，如圖5a 所示；當(dāng)電流補償端口工作時，開關(guān)器件SU、SV、SW處于恒導(dǎo)通模式，如圖5b 所示。

圖5 控制策略原理Fig.5 Schematic diagrams of the control strategies

在電網(wǎng)電壓未發(fā)生跌落時，直流電壓在端口間的分配按照待補償系統(tǒng)電能質(zhì)量的分析與測量事先確定；當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落后，按計算得到的串聯(lián)補償電壓幅值與并聯(lián)補償輸出電壓幅值的比例關(guān)系確定。

4 仿真與實驗

仿真模型及實驗平臺的電路結(jié)構(gòu)如圖1b 所示，兩者采用相同的元器件參數(shù)[5]。供電電源基波相電壓有效值為220V，頻率為50Hz；負(fù)載額定相電壓有效值為220V，串聯(lián)變壓器電壓比為1∶1，上側(cè)電流補償單元濾波電感為10mH；下側(cè)電壓補償單元濾波電感為4mH，濾波電容為4.7μF；直流電容電壓給定為1 200V，電容為4 700μF。

4.1 仿真

基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的仿真波形如圖6 所示。由于非線性負(fù)載的存在，圖6a所示負(fù)載電流中包含大量諧波分量，調(diào)節(jié)器電流補償單元通過輸出諧波電流，成功地抑制了諧波電流向電網(wǎng)端的擴散。

圖6 基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的仿真波形Fig.6 The simulation waveforms of the unified power quality conditioner based on the nine-switch converter

電網(wǎng)在0.2s 時發(fā)生跌落故障，電壓幅值降至額定值的70%，負(fù)載電壓、負(fù)載電流均以相同的幅度降低，如圖6b 和圖6c 所示。與此同時，補償設(shè)備開始工作，其電壓補償端口開始輸出補償電壓，如圖6d 所示。0.25s 時，負(fù)載電壓、負(fù)載電流已恢復(fù)至跌落事故發(fā)生前的水平。

4.2 實驗

圖7 為基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的實驗波形，由圖7a 和圖7b 可以發(fā)現(xiàn)，電網(wǎng)電壓中的諧波成分被電壓補償單元輸出電壓所抵消，負(fù)載電壓保持正弦。由圖7c 和圖7d 可知，電流補償單元輸出諧波電流與無功電流抑制了負(fù)載電流中諧波成分與無功成分對電網(wǎng)電流的影響。由圖 7e和圖7f 可以看出電壓補償單元通過輸出電壓幅值的增加，補償了電網(wǎng)電壓跌落的部分，維持了負(fù)載電壓的恒定。

圖7 基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的實驗波形Fig.7 The experimental waveforms of the unified power quality conditioner based on the nine-switch converter

5 結(jié)論

本文提出應(yīng)用九開關(guān)變換器替換傳統(tǒng)的背靠背式雙PWM 變換器作為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的電路拓?fù)?。九開關(guān)變換器具有開關(guān)器件使用量少、成本低、體積小等優(yōu)勢。首先在介紹九開關(guān)變換器工作原理的基礎(chǔ)上，分析了輸出電壓約束與對應(yīng)的調(diào)制策略；其次，通過電壓跌落時電路的穩(wěn)態(tài)分析，分析了電壓補償單元變換器輸出電壓與電流補償單元變換器輸出電壓隨電網(wǎng)電壓跌落的變化規(guī)律，并揭示了可以根據(jù)需要在兩端口間動態(tài)分配直流電壓這一有利條件；然后，介紹了其電壓補償端口與電流補償端口的控制策略；最后，通過仿真與實驗，驗證了基于九開關(guān)變換器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器能夠獲得與基于傳統(tǒng)拓?fù)湔{(diào)節(jié)器相同的功能。九開關(guān)變換器的應(yīng)用有效降低了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的制造成本，本文對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的推廣應(yīng)用具有積極的意義。

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