黃云峰，程啟明，米建林，王映斐，胡曉青

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

電能作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基石，其質(zhì)量標準與工業(yè)發(fā)展的階段密切相關(guān).隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力負荷成分的日益復(fù)雜，各種電能質(zhì)量問題在同一配電系統(tǒng)中同時出現(xiàn)的情況越來越多.若針對每一種電能質(zhì)量問題都分別采用某種類型的調(diào)節(jié)裝置，就會出現(xiàn)多種裝置同時使用的局面，不但會大大增加治理成本，還會增加裝置運行維護的復(fù)雜程度.此外，由于各裝置之間存在協(xié)調(diào)、配合等問題，會影響聯(lián)合運行的可靠性，因此同時使用多種裝置既不經(jīng)濟，又不現(xiàn)實［1-3］.日本學者AKAGI H在1996年首次提出了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified Power Quality Conditioner，UPQC)的 概念，并指出其具有補償電壓閃變、電壓不平衡、無功功率、負序電流和諧波的作用．目前，UPQC的研究重點是并聯(lián)APF與串聯(lián)APF的協(xié)調(diào)控制，也就是使并聯(lián)部分能保證負載向系統(tǒng)注入的電流為標準的正弦基波有功電流，而串聯(lián)部分則確保為敏感負載提供3相平衡且動態(tài)波形質(zhì)量良好的電壓［4-11］．

本文將電壓空間矢量法(SVPWM)和滯環(huán)比較法分別作為UPQC的串聯(lián)側(cè)電壓、并聯(lián)側(cè)電流的控制方法［12，13］，并對 UPQC 的串、并兩側(cè)進行MATLAB仿真，從而使UPQC系統(tǒng)完整展現(xiàn)出來．

1UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)

UPQC主要由串聯(lián)單元、并聯(lián)單元和直流儲能單元3部分構(gòu)成，其基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)

圖1中，2個脈寬調(diào)制(PWM)逆變單元分別構(gòu)成串聯(lián)單元和并聯(lián)單元的主要部分，直流儲能裝置則是2個逆變單元公用的，這3個部分共同組成一個完整的定制式用戶電力裝置［1］．

UPQC主要包括檢測、控制和主電路3個部分，其中檢測部分的功能是從補償對象的電路中提取電壓、電流諧波，以及無功分量等補償量;控制部分的作用是以檢測部分得出的補償量作為參考信號，控制開關(guān)器件的通斷，使主電路輸出符合要求的電壓和電流．

2 UPQC的諧波檢測與控制策略

2．1 UPQC的諧波檢測方法

dq0法是目前實時檢測諧波和無功的主要方法［2］，它是在Park變換的基礎(chǔ)上增加了一個零序的相，可在電網(wǎng)電壓不對稱和畸變等情況下精確地檢測出畸變波形．dq0檢測法既可以檢測電流也可以檢測電壓，本文就采用這種方法來檢測電流、電壓的諧波．

定義瞬時3相電流 ia，ib，ic變換到dq0坐標系上為:

i0——0軸分量．

基于dq0變換的電流、電壓檢測方法原理見圖2．

電流檢測時需要與a相電網(wǎng)電壓ua同相位的正弦信號 sin(ωt)和對應(yīng)的余弦信號 －cos(ωt)，它們可由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到．

根據(jù)定義將變換至dq0軸的電壓ud，uq，u0與其經(jīng)低通濾波器(LPF)得到的直流分量相減去除直流分量，再經(jīng)dq0反變換便可得出欲檢測的畸變電壓，其電壓檢測原理與電流檢測相同．

2．2 UPQC控制策略與實現(xiàn)

本文采用不同的PWM控制策略分別對UPQC的串、并聯(lián)側(cè)進行控制．脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，以等效獲得所需要的調(diào)制控制波形［3］．

(1)串聯(lián)側(cè)采用 SVPWM電壓控制方式．SVPWM的原理是利用3相電路6個全控開關(guān)的8個開關(guān)狀態(tài)的線性組合去近似模擬空間等幅旋轉(zhuǎn)矢量，并利用矢量合成的方法得到基本矢量的開關(guān)作用時間，產(chǎn)生不同的空間矢量PWM波，等效地獲得所需要的波形.快速產(chǎn)生SVPWM波的步驟為［3，4］:首先將三相abc平面坐標系中的相電壓 Ua，Ub，Uc轉(zhuǎn)換到 α-β 平面坐標系中的 Uα和Uβ，再根據(jù)Uα和Uβ判斷空間矢量Uref所在的扇區(qū)N;接著分別計算幾個公用值X，Y，Z，根據(jù)空間矢量所處的扇區(qū)，分別計算該扇區(qū)中晶閘管的導通時間T1和T2;然后根據(jù)所處扇區(qū)確定空間矢量切換點Tcml，Tcm2，Tcm3;最后根據(jù)空間矢量切換點導通晶閘管產(chǎn)生PWM波形.

圖2 基于dq0變換的電流和電壓檢測原理

(2)并聯(lián)側(cè)采用滯環(huán)比較電流控制方式.此方式把補償電流的指令信號i*c與實際的補償電流信號ic進行比較，兩者偏差Δic作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動電路控制開關(guān)器件的通斷，以控制補償電流ic的變化［5］.

3 UPQC系統(tǒng)的仿真

根據(jù)UPQC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，建立其Simulink仿真模型如圖3所示.

圖3 UPQC的Simulink仿真模型

圖3中，子系統(tǒng)1是電壓檢測模塊，將該模塊檢測到系統(tǒng)側(cè)畸變的電壓作為電壓控制模塊的輸入;子系統(tǒng)2是電流檢測模塊，將該模塊檢測到負載側(cè)的畸變電流作為電流控制模塊的輸入信號;子系統(tǒng)0是電壓控制模塊，該模塊生成PWM脈沖輸入通用橋1模塊(串聯(lián)APF)，控制逆變器開關(guān)通斷從而使串聯(lián)APF輸出補償電壓信號注入電網(wǎng)補償畸變電壓;子系統(tǒng)3是電流控制模塊，實際補償電流信號與檢測得到的電流指令信號的偏差輸入電流控制模塊生成PWM脈沖，PWM脈沖控制輸入通用橋3模塊(并聯(lián)APF)，控制逆變器開關(guān)通斷從而使并聯(lián)APF輸出補償電流信號補償畸變電流.

本文對感性負載(電阻R=20 Ω，電感L=15 mH)和容性負載(電阻 R=20 Ω，電容 C=0.03 F)兩種情況進行仿真.系統(tǒng)仿真還采用Matlab/Simulink中SimPowerSystems庫里的Powergui模塊，該模塊可進行補償前后電壓電流的頻譜分析.

由于系統(tǒng)是3相對稱的，因此本文僅給出A相仿真結(jié)果.當負載為阻感負載時，補償前、后的電源電壓和負載電流如圖4所示;當負載為阻容負載時，補償前、后電源電壓，以及負載電流如圖5所示.

兩種負載情況效果的對比見表1.

圖4 阻感負載時補償前后的電源電壓和負載電流

圖5 阻容負載時補償前后的電源電壓和負載電流

由圖4和圖5的仿真波形可見，6k±1(k為正整數(shù))次諧波是引起電流波形畸變的主要因素，且諧波含量與諧波次數(shù)成反比.由表1可以看出，不論是將阻感負載還是將阻容負載的不控整流橋作為諧波源，補償后，嚴重畸變的電源電壓波形和負載電流波形已經(jīng)成為正弦波，雜波被濾除，總畸變率大大減小.但是也可以看出補償后負載電流波形出現(xiàn)相位偏移.這是因為本文采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式對補償電流進行控制，而在這種方式中所選用的滯環(huán)帶寬通常是固定的，但主電路中電力半導體器件的開關(guān)頻率是變化的，固定的環(huán)寬可能使補償電流的相對跟隨誤差過大.總體來說，在相同的檢測方法下，電壓電流都具有良好的補償效果.

表1 兩種負載情況補償效果 %

4 結(jié)語

本文通過對UPQC系統(tǒng)仿真實驗可以看出，兩種PWM控制方法都具有良好的補償控制效果.其中SVPWM控制法易于實現(xiàn)數(shù)字化，實時性好，而滯環(huán)比較控制雖也有一定的控制效果，但由于所選滯環(huán)的帶寬是固定的，導致了跟蹤誤差的產(chǎn)生.

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