电能质量综合补偿器补偿电压跌落和浪涌的新策略(1)

摘 要:介绍了电能质量综合补偿器(UPQC)的运行机理、检测方法、控制策略以及既能补偿电网畸变电压又能抑制负载畸变电流的功能优势，指出了UPQC在动态补偿电压跌落和浪涌时的功能局限，通过对UPQC串联部分脉宽调制(PWM)技术的分析研究，提出了在电压跌落和浪涌期间根据电压畸变量的变化幅度动态地调节三角载波幅值的PWM控制新策略。仿真结果表明了分析的正确性与设计方案的有效性。
关键词: 电能质量综合补偿器; 脉宽调制; 动态调节?

1引言
?随着微电子、计算机等高新技术的深入发展，人们越来越认识到优质的电能供应对保障社会正常运行的重要意义^［1］。我国已经顺利加入WTO，国外许多如芯片制造、精密加工等高新企业纷纷落户，这些企业的所在地如上海浦东开发区、苏州新加坡工业园等已经对电能质量如电压中断、闪变和谐波含量等提出了严格的要求。
用户电力技术（Custom power）为满足这些要求、全面解决电能质量问题提供了一条切实可行的新途径。该技术将电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配、用电系统，以减小谐波畸变，消除电压跌落、电压浪涌、电压的不平衡和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。目前电力电子器件如GTO、IGBT以及近几年刚出现的IEGT、IGCT等的开关容量和频率已经基本满足中、低压配、用电系统的要求，另外由于目前对半导体材料SiC已经取得了新的研究突破，以后的电力电子器件在开关容量和频率上将会有数量级的增长，而开关损耗则变为现有损耗的几十分之一^［2］。与Custom power技术紧密相关的微处理器如美国TI公司、AD公司的新型数字信号处理器也完全具备了对Custom power家族中各种装置进数据处理和实时控制的能力^［3］。
在Custom power家族中，有一类可抑制电流、电压畸变量的装置——有源滤波器(Active power filter，APF)，根据其结构和功能的不同可分为并联型有源滤波器（shunt/parallel APF）、串联型有源滤波器(series APF)以及串并联型有源滤波器（即电能质量综合补偿器，Unified power quality compensator/conditioner ，UPQC），按照目前的工业应用实践，shunt APF主要用于抑制非线性负载的电流谐波，使流向电网的电流为正弦波；series APF主要用于电源电压畸变量的补偿，使用户得到标准的正弦波电压。然而shunt APF或series APF在系统中单独工作时却表现出一定的局限性^［4］。电能质量综合补偿器UPQC则集shunt APF和series APF的功能于一体，既能抑制电流畸变量，又能补偿电压畸变量，是一种较为理想的补偿装置。
2电能质量综合补偿器UPQC
由图1可见，UPQC的主体主要包含一个串联变流器和一个并联变流器，两者通过直流电容耦合起来，组成“AC?DC?AC”的结构模式。串联变流器通过串联在电网中的变压器向系统注入一个补偿电压来补偿电源电压中的畸变量。而并联变流器则通过电感L₂向交流系统注入一定的谐波分量，用于抑制非线性负载产生的谐波电流（当然同时也可以向电网注入电流无功分量，从而补偿无功）。并联变流器的另一个作用是向直流耦合电容提供有功电流，用于补偿UPQC的有功损耗，从而维持电容上的电压恒定。由于两个变流器都是由PWM控制信号进行控制，因此在变流器的输出端将产生一定的高次谐波，为此需要一定的无源滤波电路来滤除这些高次谐波，避免它们流入电网。图1中的L₁、C和L₂、C起到了上述的滤波作用。

2.1UPQC的检测方法
近年来，针对谐波检测人们已提出了许多检测方法，其中有一种能适用于非正弦、非对称电路的基于广义瞬时无功功率理论和dq0坐标系变换的检测法，简称dq0检测法，与其它方法相比该方法具有很好的实时性和准确性^［4］。本文将把dq0变换（或dq0反变换）作为检测的核心，分别辅以其它环节，构成UPQC并联和串联部分的检测方法。
图2所示为UPQC并联对畸变电流的检测示意图，在dq0变换中，输入的三相负载电流i_al、i_bl、i_cl经dq0变换，第n次正序分量将变为dq0坐标系下的第n-1次分量；第n次负序分量将变为dq0坐标系下的第n+1次分量；只有对称基波正序分量在dq0变换下，转换成d、q轴上的直流分量，零轴分量为零。这样如把i_al、i_bl、i_cl经dq0变换所得到的i_d、i_q分别滤除其中的直流分量（即图2中的低通滤波LPF和减法环节所示），得到和，之后和零轴分量i₀再经dq0反变换就可以得到a、b、c三相负载电流中待补偿的畸变分量i_ac、i_bc和i_cc。图中a相电源电压经低通滤波BPF输入锁相环PLL，给dq0 变换模块和dq0反变换模块提供实时的同步信号。?

UPQC串联部分主要功能就是要保证用户负荷得到标准的正弦电压，即原电源电压中，无论是谐波分量、不对称分量，还是高于或低于标准电压的基波分量，都必须滤除。由此得到一个启发：在检测电压畸变分量时，可以用原电源电压减去一个负载需要的标准电压，所得的差值就可作为电压待补偿量。该检测方法的流程如图3所示。?

2.2UPQC的控制策略
UPQC并联部分既要补偿负载电流的谐波分量又要补偿UPQC的有功损耗从而维持直流电容上的电压恒定，因此并联部分的控制较为复杂。本文采用补偿有功损耗的PI控制策略。其原理如图4所示。?

图4中，将检测到的电容两侧电压实际值u_c与给定电压值u_cr相比较，两者之差经PI环节后得到调节信号i_q-dcv。由于UPQC的损耗是作为瞬时实功率分量来考虑的，因而i_q-dcv实质上是对主电路的损耗进行实时补偿分量。当把i_q-dcv叠加到图2中的q轴分量上时（因为瞬时有功电流经dq变换后落在q轴），再经过dq0反变换运算，则在图2得到的电流i_ac、i_bc、i_cc中就会包含一定的基波有功电流而变为图4中的，从而使UPQC的直流电容侧与交流侧交换能量，让直流电容两侧电压u_c保持为参考量u_cr。最后UPQC并联侧电流待补偿量与调制三角波进行比较得到PWM控制信号去控制电力电子开关器件的通断。
从有关UPQC的文献^［5］来看，目前UPQC串联部分的控制较为简单，也较为传统，只要用检测出的电压待补偿量即调制信号与三角载波进行调制得到PWM控制信号，然后由PWM控制信号直接去控制电力电子开关器件的通断。前面之所以称该方法较为传统，是因为在串联部分进行电压畸变量补偿时，采用的