蔡重凱，趙越，俞永軍，洪金琪，王軒，王滔，葛昆明，付永生，王廣柱

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；3.南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，南京 211106；4.中電普瑞科技有限公司，北京 102002）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，供電質(zhì)量與諧波等問題的矛盾日益尖銳，配電網(wǎng)瞬時(shí)故障造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了保障和改善供電質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（unified power quality conditioner，UPQC）由日本學(xué)者HAkagi 于1996 年提出[2]，其將串聯(lián)式電壓源型變換器（voltage source converter，VSC）和并聯(lián)式VSC 通過直流母線耦合，并聯(lián)側(cè)用于解決電流質(zhì)量問題，可用作有源電力濾波器（active power filter，APF），串聯(lián)側(cè)起到動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（dynamic voltage regulator，DVR）的作用，用來解決電壓質(zhì)量問題。

近些年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)UPQC 的拓?fù)溥M(jìn)行了不同程度上的改進(jìn)。文獻(xiàn)[3-4]提出使用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能模塊，從而實(shí)現(xiàn)深度電壓跌落時(shí)的補(bǔ)償。文獻(xiàn)[5]將一個(gè)并聯(lián)VSC 與兩個(gè)串聯(lián)VSC 通過背靠背的方式連接起來，用于除了兩條不同負(fù)載特性的配電線路。文獻(xiàn)[6-7]將模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）應(yīng)用于UPQC 而產(chǎn)生的MMC-UPQC，使得UPQC 得以在更高的電壓等級(jí)中使用。文獻(xiàn)[8]提出一種串聯(lián)側(cè)三相解耦MMC-UPQC，從而解決電壓不平衡電壓跌落問題。文獻(xiàn)[9-12]提出了多電平UPQC 從而實(shí)現(xiàn)在高電壓等級(jí)的情況下使用低壓開關(guān)管，并對(duì)其進(jìn)行拓展使其可應(yīng)用于分布式系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[13]提出了五電平MMC-UPQC，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

但是上述所有的UPQC 都是基于傳統(tǒng)串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為串/并聯(lián)側(cè)共用一個(gè)直流側(cè)，并通過并聯(lián)側(cè)控制直流側(cè)電壓。此種結(jié)構(gòu)由于串/并聯(lián)側(cè)存在耦合關(guān)系，控制相對(duì)復(fù)雜。除此之外，傳統(tǒng)UPQC 不能有效解決大幅度電壓跌落問題，加大直流側(cè)電容能夠一定程度上緩解這個(gè)問題，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)更難控制。

為解決上述問題，本文提出一種新型UPQC，將傳統(tǒng)UPQC 的串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)改為兩個(gè)并聯(lián)式VSC 單元，其中一個(gè)單元實(shí)現(xiàn)APF 功能，另一個(gè)單元實(shí)現(xiàn)DVR 功能，兩者獨(dú)立運(yùn)行，分開控制，從而實(shí)現(xiàn)硬件解耦，降低控制難度。除滿足傳統(tǒng)UPQC 功能外，還能夠有效解決大幅度電壓跌落或短時(shí)斷電問題。由于APF 單元的三電平拓?fù)浜涂刂品绞脚c傳統(tǒng)APF 別無二致[14-16]，本文不作過多介紹。DVR 單元實(shí)現(xiàn)電壓跌落補(bǔ)償功能，其補(bǔ)償能量和時(shí)間取決于DVR 直流母線電容電壓和容量。本文給出了電容計(jì)算方法與基于DVR 直流母線電壓的分段式控制策略，提出APF 與DVR 的投切策略，研制了新型UPQC 樣機(jī)，并通過第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證了新型UPQC 方案的可行性。

1 新型UPQC拓?fù)?/h2>

新型UPQC 電路原理圖見圖1，整體電路結(jié)構(gòu)分為APF 與DVR 兩個(gè)單元。DVR 單元由高速固態(tài)開關(guān)[17]和另一個(gè)VSC 組合而成，在網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障或電壓大幅度跌落時(shí)，高速固態(tài)開關(guān)HS 斷開線路后投入，DVR 產(chǎn)生與電源同頻同相的三相電壓向負(fù)載供電。APF 單元的作用是在網(wǎng)側(cè)電壓正常時(shí)補(bǔ)償負(fù)載電流諧波和無功。

圖1 新型UPQC原理框圖Fig.1 Principle block diagram of new UPQC

APF 單元采用二極管箝位式三電平拓?fù)?，在同等直流母線電壓下比兩電平電路的開關(guān)管耐壓低一半，可選用開關(guān)頻率相對(duì)較高的低壓開關(guān)管，另外輸出電平臺(tái)階比兩電平多，自身帶來的諧波較少。

DVR 單元采用三相三線兩電平變換器拓?fù)洌敵鐾ㄟ^Z 型變壓器與系統(tǒng)連接，見圖2，Z 型變壓器[18]為DZn0 型，見圖3。Z 型變壓器是為DVR 構(gòu)造一條中性線以適用于三相四線系統(tǒng)，同時(shí)通過變壓器變比降低DVR 直流母線電壓，以降低直流側(cè)電容成本和體積。用三線制DVR 通過Z 型變壓器用于四線制系統(tǒng)的基本原理是：零序電流通過副邊進(jìn)入變壓器后，由于上下兩個(gè)繞組中零序電流方向相反，所以零序通路中阻抗無窮大，進(jìn)入副邊的零序電流不會(huì)對(duì)原邊產(chǎn)生影響。Z 型變壓器副邊變比為1：1。

圖2 DVR單元拓?fù)銯ig.2 Topology of DVR unit

圖3 DZn0 Z型變壓器Fig.3 DZn0 Z-type transformer

對(duì)比新型UPQC 與傳統(tǒng)UPQC 拓?fù)淇芍涸诰W(wǎng)側(cè)正常時(shí)，傳統(tǒng)UPQC 串聯(lián)變壓器的引入導(dǎo)致電壓損失，需要串聯(lián)側(cè)換流器始終工作補(bǔ)償電壓損失，存在一定的運(yùn)行損耗，而新型UPQC 的DVR 單元處于備用狀態(tài)，損耗較低。

2 新型UPQC中DVR單元電容容量計(jì)算

在新型UPQC 方案中，在網(wǎng)側(cè)故障或電壓大幅度跌落時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓支撐全部由DVR 單元負(fù)責(zé)，其補(bǔ)償能量和時(shí)間取決于DVR 直流母線電容電壓和容量。下面給出電容容量計(jì)算方法。

DVR 單元投入運(yùn)行時(shí)與普通逆變器運(yùn)行有一定區(qū)別。普通逆變器直流母線一般由電源供電，而此處DVR 直流側(cè)僅有電容器，在DVR 輸出功率過程中直流側(cè)電容電壓會(huì)逐漸下降，但需要滿足Udc≥Ulmax，式中Udc表示DVR 直流側(cè)電容電壓，Ulmax表示DVR 交流輸出額定線電壓幅值?？紤]到負(fù)載一般能承受一定范圍的電壓跌落，即DVR 輸出可以在一定范圍內(nèi)低于額定值，為此需要分兩種情況計(jì)算電容容量。

1）Udc≥Ulmax時(shí)。

如果忽略電路損耗，則電容中儲(chǔ)存的能量應(yīng)全部轉(zhuǎn)移到負(fù)載。為不失一般性，以功率因數(shù)為cosφ的感性負(fù)載Z 為例，設(shè)直流母線電壓最大值為Udcmax，DVR 輸出額定電壓幅值Ulmax，根據(jù)能量守恒得

式中：C為電容容量；T1為Udc≥Ulmax的放電時(shí)間，直流側(cè)電容電壓最低為Ulmax。

由此可得出放電時(shí)間與電容容量的關(guān)系為

2）Udc＜Ulmax時(shí)。

此時(shí)DVR 直流側(cè)電容電壓不足以支撐其額定輸出電壓，所以應(yīng)控制輸出電壓跟隨直流母線電壓衰減，此時(shí)DVR 輸出電壓峰值為直流側(cè)電容電壓，為時(shí)間t的函數(shù)，根據(jù)能量守恒可得

式中，t為Udc＜Ulmax后的放電時(shí)間。

對(duì)上式兩邊求導(dǎo)得到

解此微分方程，令Udc(0)=Ulmax得

設(shè)T2表示此階段放電支撐時(shí)間，最終放電電壓為Udc(T2)，則

設(shè)DVR 總放電時(shí)間為Tall（即Tall=T1+T2），則由式（2）和式（6）可求出電容容量C為

3 新型UPQC控制策略

新型UPQC 控制策略主要分為3 個(gè)部分，分別為網(wǎng)側(cè)故障判斷、投切邏輯與控制方式。

3.1 網(wǎng)側(cè)故障判斷

網(wǎng)側(cè)故障判斷環(huán)節(jié)用于判斷網(wǎng)側(cè)電壓是否出現(xiàn)異常，分為電壓過度跌落、電壓諧波過大和斷路3 種情況，分別通過檢測(cè)單相電壓有效值[18-19]、電壓諧波[20]和線路電流有效值并與給定值作比較得出，這里不再贅述。

3.2 投切邏輯

投切邏輯用于控制APF 和DVR 單元的退出和投入[21-27]。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓正常時(shí)，高速固態(tài)開關(guān)HS 閉合，APF 單元投入運(yùn)行，補(bǔ)償負(fù)載電流諧波及無功，此時(shí)DVR 單元處于追蹤儲(chǔ)能狀態(tài)；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)異常時(shí)，高速固態(tài)開關(guān)HS 斷開，DVR 單元轉(zhuǎn)為逆變狀態(tài)向負(fù)載供電，APF 單元退出。

由于高速固態(tài)開關(guān)為晶閘管，無法通過觸發(fā)脈沖控制其關(guān)斷，因此在投入DVR 單元時(shí)需判斷流經(jīng)高速固態(tài)開關(guān)電流極性，并控制DVR 輸出相應(yīng)極性電壓，強(qiáng)迫關(guān)斷晶閘管，之后DVR 按預(yù)設(shè)的電壓幅值和相位向負(fù)載供電。

投切邏輯的流程圖見圖4。

圖4 UPQC投切邏輯框圖Fig.4 UPQC switching logic diagram.

3.3 控制方式

DVR 單元控制方式，根據(jù)不同的工作狀態(tài)分為3 種控制方式，分別為充電儲(chǔ)能、逆變輸出和并網(wǎng)投切。

1）充電儲(chǔ)能。

在此狀態(tài)下的DVR 單元需要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，并且為直流側(cè)電容充電至設(shè)定電壓，此時(shí)DVR 單元作為PWM 整流器[28-29]工作，采用電壓電流雙閉環(huán)控制，外環(huán)為直流母線電壓控制，控制簡(jiǎn)化框圖見圖5，圖中k取0。

2）逆變輸出。

在此狀態(tài)下的DVR 單元切換到向負(fù)載供電，根據(jù)直流側(cè)電容電壓大小采用下列分段式控制。

首先判斷Udc≥Ulmax是否成立，如果成立，則采用傳統(tǒng)恒壓控制方法，如果不成立，則采用最大電壓控制方法，這樣可保證DVR 輸出正弦電壓?？刂苹赿q0 變換[30]，簡(jiǎn)化控制框圖如圖5 所示，圖中k取1，分別為交流輸出電壓參考與疊加零序電壓參考，兩者需要根據(jù)上述分段條件進(jìn)行選擇。

圖5 DVR單元控制框圖Fig.5 Control block diagram of DVR unit

1）Udc≥Ulmax時(shí)。

此時(shí)輸出參考電壓為設(shè)定輸出相電壓峰值，即

疊加的零序電壓幅值為

式中，Utmax為三角載波的峰值。

2）Udc＜Ulmax時(shí)。

此時(shí)采用最大電壓輸出方式，即DVR 輸出線電壓峰值為直流側(cè)電容電壓，輸出參考電壓幅值為

疊加的零序電壓幅值為

以A 相為例，分段控制方式波形圖見圖6。

圖6 DVR分段控制輸出電壓與直流側(cè)電壓Fig.6 DVR section control output voltage and DC side voltage

3）并網(wǎng)投切過程。

在DVR 切換到逆變輸出狀態(tài)之前處于跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓、鎖相和儲(chǔ)能狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)異常觸發(fā)DVR 投切條件時(shí)，DVR 單元可迅速切換到逆變輸出狀態(tài)。而當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓恢復(fù)正常時(shí)，DVR 由逆變輸出狀態(tài)切換到充電儲(chǔ)能狀態(tài)的過程中，一是需要將其輸出電壓（頻率、相位）平滑調(diào)整到與網(wǎng)側(cè)電壓一致，否則會(huì)造成并網(wǎng)沖擊；二是需要將DVR 控制策略由逆變狀態(tài)切換到整流狀態(tài)。

為防止控制策略切換造成的電流沖擊，這里對(duì)DVR 電流環(huán)參考采用平滑切換方式，公式為

并網(wǎng)投切策略的流程圖見圖7，圖中Δk為k變化步長(zhǎng)。圖8 所示為DVR 投切策略的仿真驗(yàn)證結(jié)果。

圖7 DVR并網(wǎng)切換策略Fig.7 DVR grid connected switching strategy

圖8 DVR投切策略仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of DVR switching strategy

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出新型UPQC 方案及控制策略的可行性，研制了50 kVA 樣機(jī)，見圖9，其參數(shù)見表1。

圖9 新型UPQC樣機(jī)Fig.9 New UPQC prototype

表1 樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of prototype

樣機(jī)在第三方專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

4.1 APF單元諧波補(bǔ)償測(cè)試

負(fù)載接諧波源負(fù)載，UPQC 處于自動(dòng)濾波補(bǔ)償狀態(tài)，主回路交流輸入電壓400 V，測(cè)得2～25 次網(wǎng)側(cè)電流總諧波補(bǔ)償率見表2。

表2 諧波補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of harmonic compensation

4.2 普通電壓跌落測(cè)試

普通電壓跌落分別測(cè)試單相、兩相與三相電壓跌落，跌落深度為50%，網(wǎng)側(cè)電壓波形與補(bǔ)償后電壓波形見圖10-12，其中ch1、ch2和ch3分別為網(wǎng)側(cè)A、B 和C 相電壓，ch4、ch5和ch6分別為補(bǔ)償后的三相電壓。

圖10 單相電壓跌落補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveform of single phase voltage sag compensation

圖11 兩相電壓跌落補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveform of two-phase voltage sag compensation

圖12 三相電壓跌落補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experimental waveform of three-phase voltage sag compensation

4.3 大幅度電壓跌落測(cè)試

大幅度電壓跌落以三相電壓跌落為例，跌落深度為100%，網(wǎng)側(cè)電壓波形與補(bǔ)償后電壓波形見圖13，其中ch1、ch2和ch3分別為網(wǎng)側(cè)A、B 和C 相電壓，ch4、ch5和ch6分別為補(bǔ)償后的三相電壓。

圖13 大幅度電壓跌落補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveform of deep voltage sag compensation

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形取自第三方（國(guó)家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）對(duì)樣機(jī)的檢驗(yàn)報(bào)告。

5 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)UPQC 難以解決電壓大幅度暫降等問題提出了一種新型并聯(lián)型UPQC 拓?fù)浼翱刂撇呗?；分析了該拓?fù)湓诓煌r下的工作原理，針對(duì)不同工況提出了基于DVR 單元直流側(cè)電容電壓的分段式控制方法與系統(tǒng)投切邏輯；給出了DVR 單元電容器容量計(jì)算方法。通過仿真與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型UPQC 方案的可行性。

新型UPQC 與傳統(tǒng)UPQC 相比具有如下特點(diǎn)：

1）新型UPQC 不受電壓暫降水平影響，可用于電壓跌落至100%的場(chǎng)合，克服了傳統(tǒng)UPQC 難以有效解決大幅度電壓跌落問題。

2）新型UPQC 正常運(yùn)行時(shí)DVR 單元處于熱備用狀態(tài)，損耗較低，傳統(tǒng)UPQC 正常運(yùn)行時(shí)串聯(lián)變壓器引入導(dǎo)致電壓損失，存在一定的運(yùn)行損耗。

3）新型UPQC 實(shí)現(xiàn)了DVR、APF 功能的解耦，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，傳統(tǒng)UPQC 串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)之間存在耦合，控制相對(duì)復(fù)雜。

4）新型UPQC 的DVR 單元容量要達(dá)到負(fù)載容量（傳統(tǒng)UPQC 補(bǔ)償電壓跌落深度達(dá)到50% 時(shí)，也需要UPQC 容量達(dá)到負(fù)載容量水平）。