浙江恒通電子技術(shù)有限公司

摘要：建立了基于電壓型逆變器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器與系統(tǒng)相互作用的模型；在此模型的基礎(chǔ)上，研究了系統(tǒng)和補償器之間的相互影響，得出了結(jié)論；并用Matlab和Pspice進(jìn)行了仿真驗證。所得結(jié)論可為串聯(lián)型補償器參數(shù)確定提供理論依據(jù)。結(jié)論也適用于包含串聯(lián)部分的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、統(tǒng)一有源線路調(diào)節(jié)器以及統(tǒng)一潮流控制器。
關(guān)鍵詞：串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器；電壓源逆變器；統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器；統(tǒng)一有源線路調(diào)節(jié)器；統(tǒng)一潮流控制器
1　引言
　　隨著電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的日益增加，電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題變得越來越嚴(yán)重。一方面，電網(wǎng)電壓存在著各種干擾，如電壓升高、降落、瞬變、諧波等，會對許多電能質(zhì)量敏感的負(fù)荷產(chǎn)生不利影響。這些負(fù)荷包括計算機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、整流裝置、通信設(shè)備等。電能質(zhì)量問題帶來的不利影響涉及到許多工業(yè)領(lǐng)域，如造紙、紡織、食品、汽車、半導(dǎo)體制造業(yè)等。有資料表明，由于電源電壓質(zhì)量問題在美國工業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失每年超過200億美元。另一方面，由于全球范圍內(nèi)電力市場的開放，電力公司按質(zhì)論價供電就提到日程上來了。因此，電能質(zhì)量問題已引起了全世界的專家學(xué)者的關(guān)注^{［1，2］}。
　　國外對電能質(zhì)量問題的研究開展得較早，得到了一系列解決該問題的器件，而且基本上都有了相應(yīng)的產(chǎn)品。在這些器件中，按與系統(tǒng)的連接來分，可以分為并聯(lián)型、串聯(lián)型以及串并聯(lián)型。并聯(lián)型器件可以解決電流諧波、閃變等電能質(zhì)量問題^［3，4］。串聯(lián)型器件可以解決電壓不平衡、諧波、短時電壓升高或降落、電流諧波等電能質(zhì)量問題^{［5，6］}。串并聯(lián)型的器件統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）^［7］，它將串聯(lián)型與并聯(lián)型能解決的電能質(zhì)量問題集于一體，甚至能起到UPS^［8］的功能，而統(tǒng)一有源線路調(diào)節(jié)器（UAPLC）^［9］還可以將UPQC和統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的功能包括在內(nèi)，因而串并聯(lián)型器件是解決電能質(zhì)量問題的一種很有發(fā)展前途的器件。
　　在上述器件中，各國學(xué)者對并聯(lián)型器件研究得較早、較多。但是，并聯(lián)型器件并不能解決電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量問題，與之互補的串聯(lián)型器件可以解決一些并聯(lián)型器件難以解決的電能質(zhì)量問題。近年來，利用串聯(lián)或串并聯(lián)型器件解決電能質(zhì)量問題的研究形成了熱點。但是，這些文獻(xiàn)中對補償原理、策略的研究較多，而沒有考慮系統(tǒng)和補償器參數(shù)之間的相互影響。然而，串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器與系統(tǒng)是一個相互耦合的整體，它們之間的相互影響在參數(shù)不利的情況下是不能忽略的。
    基于以上原因，本文提出了串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器與系統(tǒng)相互作用的模型；對系統(tǒng)和補償器之間的相互影響進(jìn)行了討論；并對所得的結(jié)論用仿真進(jìn)行了驗證。所得結(jié)論可為串聯(lián)型補償器參數(shù)的確定提供依據(jù)，且適用于包含串聯(lián)部分的UPQC、UPFC和UAPLC。

2　串聯(lián)型補償器的工作原理

    串聯(lián)型電能補償器的主電路如圖1所示，由串聯(lián)變壓器、LC濾波器、電壓型逆變器和直流電容。其中，直流電容的電壓可以通過整流橋、PWM整流器或通過蓄電池經(jīng)升壓電路對其供電。補償器工作原理為：利用傳感器、檢測電路檢測出電壓或電流量；通過控制電路產(chǎn)生由補償策略確定的補償信號；然后經(jīng)過PWM電路形成PWM信號；再由驅(qū)動電路去控制逆變器的功率開關(guān)；后由LC濾波器濾除高次諧波，從而在串聯(lián)變壓器上產(chǎn)生與補償指令相同的補償電壓來抵消電源電壓中的各種畸變量，以提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。
            

3　補償器與系統(tǒng)相互作用的模型與分析

    根據(jù)原理分析可得串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器與系統(tǒng)相互作用的原、副邊基波等效模型（圖2）。假設(shè)電網(wǎng)電壓的頻率為W，基波分量（包含所需補償?shù)幕ǚ至浚閁_f，所需補償?shù)幕ǚ至繛閁_f^*,負(fù)載基波阻抗，電流分別為Z_lf和L_if串聯(lián)變壓器原、副邊的變比為1：N，則變壓器原、副邊實際的補償電壓分別為U_cf和NU_cf，濾波電感及電容分別為L和C，逆變器A，B兩點間的基波電壓為NU_f^*.
                

　　由式（2）可知，補償電壓U_cf要受電網(wǎng)電壓、頻率、負(fù)載阻抗、串聯(lián)變壓器變比、濾波電容及電感的影響。分析式（2）可得

   （1）濾波電感L在滿足電流脈動的情況下應(yīng)當(dāng)盡量小，這樣電網(wǎng)電壓U_f對實際補償電壓U_cf的影響就越小；
   （2）串聯(lián)變壓器變比N在滿足補償范圍的情況下必須盡量大；
   （3）負(fù)載阻抗Z_Lf越大，補償效果越好，就是說負(fù)載越小補償效果越好；
   （4）濾波電容和電感的諧振頻率不能等于電網(wǎng)的頻率，即必須滿足ω² LC≠1，因為當(dāng)濾波電容和電感的諧振頻率等于電網(wǎng)頻率時，實際補償電壓U_cf將遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離給定的電壓Uf*；
   （5）濾波電容和電感的諧振頻率必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的頻率，即W²LC<1只有這樣才能使實際補償電壓U_cf與補償給定電壓Uf*基本相同；
   （6）式（2）的分母不能等于零，即ZLf≠也就是說，當(dāng)負(fù)載為容性時存在一
的整數(shù)倍。
    因此，在設(shè)計串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器時，必須全面了解系統(tǒng)參數(shù)，這樣才能進(jìn)行合理的設(shè)計，達(dá)到的補償效果。反之，會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4　仿真結(jié)果

    為驗證上述分析結(jié)果，本文基于原副邊等效模型，首先用Matlab進(jìn)行了參數(shù)變化對實際補償電壓影響的仿真，然后，用Pspice進(jìn)行了進(jìn)一步的驗證。仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)頻率50Hz、基波電壓Uf＝342.1 sin314t（V），補償給定電壓U*f＝31.1sin314t（V）、阻性負(fù)載Z_Lf＝1Ω，濾波電容C＝100μF。圖3、4為實際補償電壓和補償給定電壓之間的幅值之比與相角之差隨變壓器變比N和濾波電感L變化的情況。根據(jù)補償原理，在理想的情況
下變壓器原邊產(chǎn)生的實際補償電壓U_cf應(yīng)當(dāng)與所需補償?shù)碾妷篣*f相同。然而，從圖3可以看到，隨著N的增加，補償電壓的幅值之比由一個值逐漸趨向于1，相角之差由小變大又由大趨向于0，這就說明了N越大補償電壓與補償給定電壓之間的誤差就越小，補償效果就越好；同時也說明了變壓器的變比一定要仔細(xì)選取，如果N選則不當(dāng)，可能使補償電壓有很大的相移，這時補償器可能會起反作用。由式（2）可知，負(fù)載阻抗Z_Lf與N對補償電壓的影響是一致的，所以，負(fù)載阻抗越大補償效果也越好。由圖4看到，隨著濾波電感L的增加補償電壓與補償給定電壓之間的幅值比漸漸增加，而且相角之差逐漸減小，所以在可能的情況下應(yīng)當(dāng)使濾波電感L的值盡可能的小。
    圖5～9是用Pspice仿真得到的波形。為了在變壓器原邊產(chǎn)生和給定補償電壓U＊f＝31.1sin314t一致的補償電壓，就必須選取合理的參數(shù)，否則不能達(dá)到補償?shù)男Ч?，甚至?xí)鸱醋饔谩D5為L＝100μH，C＝100μF，Z_Lf＝R＝1Ω，N分別為1和10的負(fù)載側(cè)電壓，當(dāng)N＝1時，負(fù)載側(cè)電壓有明顯的相移，而N＝10時，負(fù)載側(cè)電壓幾乎看不到相移，這說明變壓器副邊與原邊之間的匝數(shù)比越大，補償效果越好。圖6是負(fù)載阻抗分別等于0．001Ω和1Ω時的仿真波形?？梢钥吹綀D6（a）中負(fù)載側(cè)電壓的幅值不到100V，而圖6（b）的電壓幅值很正常，顯然負(fù)載阻抗越大補償效果越好。圖7中，當(dāng)N＝1，L＝100μH，C＝100μF,負(fù)載為容性，等于0.10013μF時，負(fù)載側(cè)電壓仿真波形。這時候式（2）的分母為零，可以看到負(fù)載電壓隨時間的增加而不斷增加。
                   

  系統(tǒng)此時是不穩(wěn)定的，即在負(fù)載為容性時，系統(tǒng)存在一個不穩(wěn)定點，故設(shè)計時應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離這個不穩(wěn)定點。圖8為N＝1，L＝1mH，C＝10mF時，負(fù)載側(cè)電壓的仿真波形，這時候LC濾波器的諧振頻率和電網(wǎng)電壓的頻率相同，可以看到此時負(fù)載側(cè)電壓幅值接近800V，在這種狀態(tài)下，負(fù)載難以正常工作。圖9為補償器參數(shù)選擇合理時，基波參考電壓和負(fù)載側(cè)電壓，可以看到波形幾乎相同。這就是說只要參數(shù)選擇合理，串聯(lián)型電能質(zhì)量補償器是可以發(fā)揮出補償效果的。
              

5　結(jié)論

　　    （1）負(fù)載、濾波電感和電容越小、被補償?shù)碾妷?、變壓器副與原邊的匝數(shù)比N越大、補償?shù)男Ч胶茫?br/>   （2）當(dāng)負(fù)載為容性時，系統(tǒng)與補償器之間有一個固有的不穩(wěn)定點，設(shè)計時必須避開這個不穩(wěn)定點；
   （3）濾波電容和電感的諧振頻率不能等于電網(wǎng)電壓頻率的整數(shù)倍。
參考文獻(xiàn)：
［1］Burke J J,et al. Power qualitytwo different perspectives［J］IEEE Transaction on Power Delivery, 1990, 5(3): 1501-1513.
［2］Brent M H,et al.Distribution customer power quality experience［J］IEEE Transaction on Industry Applications, 1993,29(6):1204-121.

［3］Akagi H. New trends in active filter for power conditioning［J］.IEEE Transaction on Power Electronics, 1996,32(6): 1312-1322.
［4］Verdelho P,et al. An active filter and unbalanced current compensator［J］.IEEE Transaction on Power Electronics, 1997,44(3):321-328.
［5］Alexandre C,et al. Analysis and design of a series voltage compensator for threephase unbalanced sources［J］. IEEE transaction on Industrial Electronics,1992,39(2): 159-167.
［6］Vijay B B，et al. An active line conditioner to balance voltages ina threephase system［J］. IEEE Transaction on Industry Applications, 1996, 32(2):287-292.
［7］Fujita H, Akagi H. The unified power quality conditioner: the integrationof series and shunt active filter［J］. IEEE Transaction on Power Electronics, 1998,13(2): 315-322.
［8］Kamran F ,et al. A novel online UPS with universal filtering capabilities［J］. IEEE Transaction on Power Electronics, 1998,13(3): 410-418.
［9］Aredes M ,et al. An universal active power line conditioner［J］.IEEE transaction on Power Delivery, 1998, 13(2): 545-551.

作者簡介：

趙劍鋒(1972-)，博士生，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；
蔣平(1954)，副教授，研究方向為FACTS 和Custom Power；
唐國慶(1937-)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)運行和電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的的應(yīng)用；
李乃湖(1960-)，教授，研究方向為電力電子技術(shù)的應(yīng)用。