李凱，倪福銀，李博

（江蘇理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，江蘇常州 213001）

隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電能質(zhì)量問題備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的電力負(fù)荷相比，由電力電子設(shè)備組成的新一代配電系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求越來越高，電能質(zhì)量成為一個不容忽視的問題[1-2]。為此，出現(xiàn)了各種電能質(zhì)量補償器，如有源電力濾波器（APF）、靜態(tài)同步補償器（STATCOM）、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）等。其中，UPQC 作為綜合性的電能質(zhì)量治理裝置，集動態(tài)電壓恢復(fù)、無功補償、消除電壓和電流中的諧波等多種功能于一體，是解決電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)電能質(zhì)量問題的理想設(shè)備之一[3]。

為了控制UPQC，大量文獻(xiàn)提出了多種不同的控制方法，包括UPQC-P[4-5]、UPQC-Q[6]以及被稱為UPQC-VAmin[7]的最小容量控制方法。然而，UPQC-P策略需要并聯(lián)補償器（PC）的更大額定功率，而UPQC-Q策略需要串聯(lián)補償器（SC）的更大額定功率，UPQC-VAmin策略只能降低VC模式下的補償器額定值。因此，為了降低UPQC的總體補償器額定值并提高利用率，一些學(xué)者[8-11]提出了協(xié)調(diào)控制策略，以協(xié)調(diào)串聯(lián)和并聯(lián)側(cè)補償器；但隨著電壓暫降深度的加大，串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)的更高有功功率交換使得整體額定功率快速增加。Lu等人[12]提出了一種新的UPQC，在串聯(lián)側(cè)的LC濾波器與一個外部電容器相耦合，從而使容量優(yōu)化效果在電壓暫降深度較低的情況下更為顯著；然而，對于其在不同的電壓暫降深度和功率因數(shù)下所體現(xiàn)的優(yōu)勢，仍需要進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究。

目前，傳統(tǒng)的UPQC 存在直流側(cè)儲能不足和補償性能差的問題，限制了UPQC 的使用和發(fā)展。一些學(xué)者[13-14]提出在直流側(cè)上增加分布式發(fā)電單元，以解決UPQC 補償效率低等問題。還有一些學(xué)者[15-17]提出了一種集成太陽能光伏PV 的UPQC，以產(chǎn)生清潔能源并改善電能質(zhì)量問題。在這種情況下，儲能系統(tǒng)如BESS 可以與PV-UPQC連接，它可以成為持續(xù)向負(fù)載提供實際電力的重要支持。當(dāng)UPQC 以獨立模式運行時，BESS 對可再生能源系統(tǒng)是必要的保障[18-20]。

由此可見，如何降低UPQC串聯(lián)和并聯(lián)補償器的額定功率，并提高系統(tǒng)在嚴(yán)重電壓暫降時的補償性能，是目前UPQC應(yīng)用中亟待解決的問題。因此，本文首先分析了在串聯(lián)側(cè)耦合外部電容器的PV-BESSUPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種PV-BESS集成UPQC的協(xié)調(diào)控制策略；然后，分析了UPQC串并聯(lián)側(cè)和PV-BESS側(cè)的控制策略，并降低了UPQC串并聯(lián)側(cè)額定功率值，以提高直流側(cè)的穩(wěn)定性和補償能力；最后，通過仿真驗證了所提策略的正確性和有效性。

1 PV-BESS 集成UPQC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

UPQC 的結(jié)構(gòu)主要由一個串聯(lián)型有源濾波器（Series Active Power Filter，SAPF）和一個并聯(lián)型有源濾波器（Parallel Active Power Filter，PAPF）組成，其中，串聯(lián)部分增加了耦合電容器[12]。PV-BESS集成UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在此基礎(chǔ)上增加了Boost變換器和光伏陣列，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PV-BESS集成UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示，為傳統(tǒng)UPQC工作相量圖。如圖2（a）所示在電網(wǎng)電壓正常條件下，電源電壓Us被視為參考相量，Us′、UL′和IL

′分別表示UPQCSe補償后的電網(wǎng)電壓、負(fù)載電壓和電流。UPQCSe輸出的無功功率為：

其中：θ 是負(fù)載功率因數(shù)角，α 是UPQCSe補償后電源電壓US和負(fù)載電壓UL之間的相位差[7]。

如圖2（b）所示，在電壓暫降條件下，UPQCSe輸出的有功功率和電壓為：

其中：ksag定義為電壓暫降深度，根據(jù)式（2），當(dāng)1-ksag>cos θ 時，UPQCSe的有功功率輸出可以控制為0；當(dāng)1-ksag＜cos θ 時，PSe＞0，通過增加α，可以降低UPQCSe輸出所需的有功功率。

在兩個條件下UPQCSe輸出電壓的表達(dá)式為：

根據(jù)式（1）至式（4），只要α ＜θ，隨著α 的值不斷增大，在無功功率補償（RPC）模式下可以提高串聯(lián)部分的無功功率共享能力，在電壓波動補償（VC）模式下可以減少串聯(lián)部分和并聯(lián)部分之間的有功功率交換，從而減少并聯(lián)部分的容量需求。同時，UPQCSe的輸出電壓隨著α 的增加而變大，這將導(dǎo)致對容量有更高需求。

2 PV-BESS 集成UPQC 協(xié)調(diào)控制策略研究

本文研究了所提出的UPQC在RPC模式和VC模式下的協(xié)調(diào)控制原理和容量優(yōu)化機制，并與傳統(tǒng)策略進(jìn)行性能比較。具體而言，為了降低UPQC額定功率，所提出的協(xié)調(diào)控制策略當(dāng)電壓正常時，需要在RPC模式下使串聯(lián)側(cè)對并聯(lián)側(cè)補償部分無功功率；當(dāng)電壓暫降時，在VC 模式下對并聯(lián)側(cè)與串聯(lián)側(cè)協(xié)調(diào)控制，以有效擴展串聯(lián)側(cè)的最佳運行范圍。

2.1 電壓正常狀態(tài)下UPQC的無功功率補償模式

如圖3所示，為RPC模式下UPQC的工作原理和相量圖。串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)通過注入電壓和電流與系統(tǒng)進(jìn)行功率交換。對于串聯(lián)單元，串聯(lián)耦合電容器CS可以提供所需很大比例的輸出電壓USe，從圖3 可以得出：電壓矢量USe等于電壓矢量Uconv與UCS之和。同時，并聯(lián)側(cè)進(jìn)行了無功功率輸出以及與串聯(lián)側(cè)之間必要的有功功率交換。在整個無功補償期間，UL和IL的幅值保持恒定，US的相位角與IS相同。如圖4 所示，為RPC 模式下的功率流動圖。負(fù)載無功功率補償由串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)承擔(dān)。QL的很大一部分由串聯(lián)耦合電容器CS提供，定義為QCS1，其余部分由UPQCSe和UPQCSh輸出，分別定義為Qconv1和QSh1。根據(jù)圖3，可以得到QSe1的表達(dá)式為：

圖3 UPQC在RPC模式下的工作相量圖

圖4 PRC模式下的功率流動圖

基于UL、USe和US′之間的關(guān)系，USe的大小和相位角表示為：

此外，由于串聯(lián)側(cè)吸收的有功功率與RPC 模式下并聯(lián)側(cè)輸出的有功功率相同，因此，可以得到：

其中：PSh1、PSe1分別是并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)輸出的有功功率；SSh1是并聯(lián)側(cè)的視在功率?；贗Sh1、IS′和IL之間的關(guān)系，ISh和US之間的相角φ 表示為：

在UPQCSe和串聯(lián)耦合電容器CS之間協(xié)調(diào)之后，UPQC 串聯(lián)側(cè)的視在功率Sconv1和Uconv1可以表示為：

如圖5 所示，為USe、Uconv1、SSh和QL曲線圖。根據(jù)圖5：當(dāng)串聯(lián)側(cè)上共享的負(fù)載無功功率從0.3增加到0.7 時，XCS的值為0.5 pu，負(fù)載功率因數(shù)為0.7；并聯(lián)側(cè)的額定功率隨著UPQCSe共享負(fù)載無功功率的增加而逐漸降低。此外，從圖5 中Uconv1和USe的線條可以看出，UPQCSc的額定電壓幾乎是整個串聯(lián)部分的一半（USe可以表示傳統(tǒng)UPQCSe的額定電壓，采用UPQC-S策略）。因此，所提出的UPQC 策略不僅能提高UPQCSe的利用率，而且還降低了總體額定功率需求。

圖5 RPC模式下UPQC的電壓和額定功率

2.2 電壓暫降狀態(tài)下UPQC的電壓波動補償模式

一般來說，當(dāng)電壓暫降發(fā)生時，有功功率可以通過并聯(lián)補償器吸收或產(chǎn)生，以維持直流母線的穩(wěn)定性和光伏陣列的輸出功率；然而，隨著電壓跌落深度的增加，流經(jīng)串聯(lián)補償器的電流也迅速增加，在這種情況下，由于串聯(lián)補償器的電流限制，使得電壓補償能力也受到限制。因此，有源電流由PV-BESS-UPQC 進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，從而提高電壓暫降發(fā)生時的補償能力。

VC模式下UPQC的主要目標(biāo)是保持負(fù)載側(cè)電壓的幅值恒定。在此期間，串聯(lián)部分所需的有功功率越小，UPQCSe和UPQCSh之間的功率交換越小。在UPQCSe和UPQCSh間沒有功率交換的情況下，可以有效降低兩者的功率水平要求。當(dāng)1-ksag＜cos θ 時，可以根據(jù)式（2）的UPQCSe調(diào)節(jié)UPQCSh下游的功率因數(shù)角來實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)運行。在此重點分析協(xié)調(diào)控制期間UPQCSe和UPQCSh之間的能量流關(guān)系，并討論UPQC協(xié)調(diào)控制的嚴(yán)重電壓暫降補償功能。

圖6 為VC 模式下UPQC 的工作原理和電壓相量圖。圖中并聯(lián)部分吸收感應(yīng)無功功率，并通過對Uconv、UCS和US′的矢量疊加,保持負(fù)載電壓UL的幅值恒定。此外，由于USe和UCS垂直于IS′, 基于基爾霍夫電壓定律（KVL），Uconv的相位角將與UCS的相位角相同。

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圖6 UPQC進(jìn)行電壓波動補償?shù)南嗔繄D

同樣，假設(shè)電網(wǎng)側(cè)的輸出有功功率在VC模式期間是恒定的，即，由此得到：

其中：UL′的振幅和US′分別等于1 pu 和(1-ksag)pu。根據(jù)圖6，UL′cosa=US′，USe的大小和相位角可表示為：

如圖7 所示，在嚴(yán)重的電壓暫降情況下，根據(jù)電壓跌落程度，對所提出的UPQC系統(tǒng)功率流動進(jìn)行分析。如圖7（a），當(dāng)PL=0 時，所有由光伏陣列所產(chǎn)生的能量都在電壓跌落前被輸送到電網(wǎng)中。當(dāng)電壓跌落發(fā)生時，電網(wǎng)電流IS′在增加。如果IS′沒有達(dá)到串聯(lián)補償器的上限電流ISh,max，則光伏陣列仍然工作在最大功率點上，并且不改變已經(jīng)輸送到電網(wǎng)的功率；然而，如果IS′>ISh,max，并聯(lián)補償器產(chǎn)生的功率受到限制，則功率平衡被打破。此刻，額外的有功功率被儲存在直流母線中，這將導(dǎo)致直流母線的電壓上升以及光伏輸出功率下降。在Udc＜Udc,max情況下，通過從光伏陣列中吸收部分輸出功率，實現(xiàn)了功率平衡，增強了系統(tǒng)的補償能力。

圖7 電壓暫降情況下UPQC的功率流動分析

如圖7（b）＜、圖7（c）分別為當(dāng)PL＜PPV和PL>PPV時，在嚴(yán)重電壓跌落情況下系統(tǒng)的有功功率流動。當(dāng)PL＜PPV時，光伏陣列產(chǎn)生的部分能量被輸送到電網(wǎng)，另一部分被輸送到負(fù)載；而當(dāng)PL>PPV時，所有從光伏陣列和電網(wǎng)產(chǎn)生的能量都被輸送給了負(fù)載。如上所述，當(dāng)電壓跌落發(fā)生時，電網(wǎng)電流增加。如果IS′＜ISh,max，則光伏陣列仍然工作在最大功率點；否則，并聯(lián)補償器的輸出功率會受到限制，直流母線電壓就會下降到能夠維持正常工作的最小值以下，使PV-BESS-UPQC 系統(tǒng)安全斷開。

根據(jù)式（17）、式（18）以及圖7（C）中VC模式下的無功功率流動分析，可以得到QSe2和QSh2的表達(dá)式為：

其中，變量以單位值的形式計算?；贗Sh與IS′、IL′之間的關(guān)系，ISh和US之間的相角φSh表示為：

經(jīng)過UPQCSe和串聯(lián)耦合電容器CS之間的協(xié)調(diào)，UPQCSe的視在功率Sconv2和Uconv可以表示為：

SUPQC2可以表示為：電壓上升階段參考值的計算方法與本文描述的電壓暫降情況類似，在此不再重復(fù)。

圖8 不同工況下三種方案的總補償器容量對比圖

3 PV-BESS 集成的UPQC 各單元控制策略

3.1 UPQC串并聯(lián)單元的控制策略

如圖9、圖10 所示，分別為UPQC 串聯(lián)和并聯(lián)補償器的控制策略圖。圖中，L1和L2分別是串聯(lián)和并聯(lián)補償器的輸出濾波電感。串聯(lián)補償器用于穩(wěn)定負(fù)載電壓，當(dāng)電壓波動發(fā)生時，通過注入具有相同頻率、相同相位或相反相位的一定振幅的電壓對系統(tǒng)進(jìn)行補償，串聯(lián)補償器控制為電壓源。u*seabc是由式（7）和式（11）得出的三相坐標(biāo)系中串聯(lián)補償器補償電壓的參考值，經(jīng)Park 變換后得出dq 坐標(biāo)系中的補償電壓u*sed、u*seq。通過PI 控制u*sed、u*seq和used、useq之間的差值，實現(xiàn)對p 軸和q軸的解耦控制。used和useq作為前饋補償加入到UPQCSe控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)裝置的快速切換與響應(yīng)。

圖9 UPQC串聯(lián)補償器的控制策略

圖10 UPQC并聯(lián)補償器的控制策略

并聯(lián)補償器負(fù)責(zé)補償電流諧波和無功功率，以減少對電網(wǎng)的污染，并聯(lián)補償器被控制為電流源。UPQCSh參考電流信號i*sha，i*shb和i*shc被轉(zhuǎn)換以獲得dq 坐標(biāo)系中的參考電流信號i*shd和i*shq。同樣，UPQCSh在其控制中也加入了前饋補償。

3.2 UPQC中PV-BESS單元的控制策略

如圖11 所示，為PV-BESS 單元拓樸結(jié)構(gòu)圖。PV-BESS 配置包括PV 陣列、BESS、Boost 轉(zhuǎn)換器、Buck/Boost 轉(zhuǎn)換器。BESS 與利用Buck/Boost 轉(zhuǎn)換器的直流側(cè)電容器相連接，從而改善了UPQC的穩(wěn)定性，并且能夠補償電能質(zhì)量問題。BESS單元通過連接到UPQC 直流母線的雙向Buck/Boost 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行充電和放電。當(dāng)T2斷開T3開啟時，其處于降壓電路模式，電源為儲能單元充電；當(dāng)T3 斷開T2 開啟時其處于升壓電路模式，PV-BESS 單元釋放多余的能量來滿足系統(tǒng)負(fù)載要求。在正常工作條件下，UPQC 并聯(lián)補償器可以改變其輸出電流，以增加電源電流，從而使電源產(chǎn)生更多的有功功率，為BESS單元充電。

圖11 PV-BESS單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

如圖12 所示，為PV 中DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器控制器方案。光伏陣列的輸出功率PPV是由控制器所控制的DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器提升的。DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器的控制器通過獲得直流電壓誤差udcerror來運行。電壓誤差通過比較給定的參考電壓uref（800 V）來計算，參考電壓與DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器輸出的瞬時直流電壓udc相匹配。然而，當(dāng)電池的充電狀態(tài)超過或等于電池容量SOCBESS的98%時，為了防止電池過充和不穩(wěn)定，DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器的控制器將切斷光伏陣列系統(tǒng)的輸出功率PPV。此外，由于過度充電，電池的使用壽命也會減少。

圖12 PV中DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器控制器方案

如圖13 所示，為用于充電和放電模式的雙向轉(zhuǎn)換器降壓/升壓DC-DC控制器。它包含嵌入式內(nèi)部控制回路和外部控制回路。DC直流電壓參考值uref和實際輸出直流電壓udc之間的差值由PI控制器產(chǎn)生，得到內(nèi)部回路的電流參考值iBESSref。iBESSref和實際電流iBESS之間的差值由PI控制器實現(xiàn)，生成DC/DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)制信號，而不需要差值控制，最終達(dá)到穩(wěn)定DC直流電壓和調(diào)節(jié)功率輸出的目的。

圖13 BESS中DC-DC降壓-升壓轉(zhuǎn)換器控制器方案

4 仿真分析

為了驗證所提出的PV-BESS-UPQC 和協(xié)調(diào)控制策略的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink 中建立了三相UPQC 仿真模型進(jìn)行分析。如表1 所示，為PV-BESS-UPQC 的相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置。

表1 UPQC仿真模型主要參數(shù)

4.1 仿真算例1

為驗證本文提出的協(xié)調(diào)控制策略，仿真設(shè)置為2 s 時，電源電壓的幅值發(fā)生20%（60 V）暫降。如圖14、圖15 波形圖顯示：2 s 前電源電壓為正常穩(wěn)態(tài)，UPQC 在2 s 前工作在無功功率補償模式，UL和US的振幅相同，通過UPQCSe和UPQCSh之間的協(xié)調(diào)，可以清楚地看到US與IS處于同一相位。如圖16 所示，并聯(lián)側(cè)所需的輸出補償電流ISh從10.28 A降低到5.30 A，這是由于串聯(lián)側(cè)可提供一半的負(fù)載無功功率。如圖17 波形圖顯示，盡管在共享無功功率后USe非常大，這與UPQC-Q（161.2 V，0.52 pu）相同，但由于耦合電容器CS的存在，使Uconv的振幅保持在一個小值（46.5 V，0.15 pu）。因此，基于所提協(xié)調(diào)控制策略的UPQC，可以同時減少串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)的容量。

圖14 電壓暫降狀態(tài)下US 和UL 波形

圖15 電壓暫降狀態(tài)下US 和IS 波形

圖16 電壓暫降狀態(tài)下IL 和ISh 波形

圖17 電壓暫降狀態(tài)下USe 和Uconv 波形

對于2s 后電壓波動補償階段，考慮到凹陷深度滿足限制1-ksag＜cosφ，根據(jù)式（11），操作參數(shù)α和φ分別計算為36.87°和53.12°。如圖14 所示，通過UPQCSe和UPQCSh之間的協(xié)調(diào)，使UL的振幅不受電網(wǎng)電壓驟降的影響。如圖17 所示，盡管USe非常大（186.1 V，0.6 pu），但由于存在共享大部分補償電壓的耦合電容器CS，因此，Uconv的振幅仍保持在較小的值（27.6 V，0.089 pu）。此外，從如圖16所示的ISh可知，由于IS幅值的增加導(dǎo)致耦合電容器輸出無功功率的增加，因此，并聯(lián)部分需要提供的無功功率減小到較小的值（0.25 pu）。

如圖18、圖19 所示，為系統(tǒng)中各單元的有功功率和無功功率仿真波形。當(dāng)電源電壓正常工作時，向負(fù)載提供全部有功功率8.66 kW，串聯(lián)單元和并聯(lián)單元向負(fù)載提供所有的無功功率8.66 kVar。2 s 后，當(dāng)電源電壓發(fā)生跌落時，電源提供的有功功率下降到6.93 kW，有功功率的差值1.73 kW 由PV-BESS 單元提供給負(fù)載。同時，串聯(lián)單元吸收的有功功率下降到3.34 kW，串聯(lián)單元提供的無功功率增加到6.29 kVar。根據(jù)上述仿真數(shù)據(jù)，驗證了本文提出的協(xié)調(diào)控制策略下UPQC 的無功補償能力以及串聯(lián)側(cè)與并聯(lián)側(cè)功率協(xié)調(diào)的有效性。

圖18 電壓暫降狀態(tài)下各單元有功功率波形

圖19 電壓暫降狀態(tài)下各單元無功功率波形

4.2 仿真算例2

為進(jìn)一步驗證當(dāng)電源電壓完全跌落時，本文所提協(xié)調(diào)控制策略下PV-BESS-UPQC 為負(fù)載持續(xù)供電的功能，設(shè)置仿真為2 s時，電源發(fā)生開路，電源電壓下降為0。如圖20、圖21 和圖22 所示，為系統(tǒng)仿真結(jié)果。在電源電壓下降到0的特殊情況下，串聯(lián)補償器將負(fù)載電壓補償?shù)筋~定值，振幅為310.27 V，它確保了對負(fù)載的不間斷供電。圖21 顯示，當(dāng)電壓完全跌落時，饋線的電流大小保持不變。

圖20 電壓完全跌落狀態(tài)下US 和UL 波形

圖21 電壓完全跌落狀態(tài)下US 和IS 波形

圖22 電壓完全跌落狀態(tài)下IL 和ISh 波形

如圖23 所示，為電壓完全跌落下的有功功率和無功功率波形。當(dāng)電源電壓正常時，電源承擔(dān)了8.66 kW負(fù)載的全部有功功率，串聯(lián)補償器和并聯(lián)補償器共同承擔(dān)8.66 kVar的無功功率。當(dāng)電源電壓跌落為0 的極端情況發(fā)生時，PV-BESS 裝置提供了負(fù)載的全部有功功率，此時，負(fù)載無功功率由串聯(lián)補償器承擔(dān)，從而實現(xiàn)串并聯(lián)補償器、PVBESS單元的功率協(xié)調(diào)分配。

圖23 電壓完全跌落下有功功率和無功功率波形

5 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有UPQC 中串聯(lián)和并聯(lián)補償器額定功率難以同時優(yōu)化，以及系統(tǒng)直流側(cè)在嚴(yán)重電壓跌落條件下存在補償性能差的問題，研究了一種PV-BESS集成的UPQC及其協(xié)調(diào)控制策略。通過協(xié)調(diào)控制UPQC 串聯(lián)側(cè)、并聯(lián)側(cè)和PV-BESS 側(cè)的功率，有效降低了UPQC串聯(lián)和并聯(lián)補償器的額定功率值。通過分析UPQC 串并聯(lián)單元和PVBESS單元的控制策略，提高了系統(tǒng)嚴(yán)重電壓暫降時的補償性能。采用MATLAB/Simulink 建立仿真模型，以驗證該方案的有效性。仿真結(jié)果表明：所提出的PV-BESS-UPQC 系統(tǒng)能夠緩解電壓波動、負(fù)載諧波和無功功率，從而解決了出現(xiàn)電壓暫降時的電能質(zhì)量問題，并能在電網(wǎng)穩(wěn)定運行的情況下產(chǎn)生光伏。