[科普中国]-统一电能质量控制器

简介

随着信息产业、高新技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理和先进控制技术的应用，电力用户中，对电能质量敏感的负荷所占比重越来越大，现代数字信息社会对供电可靠性及个性化电能质量的需求有了更高要求。这就意味着信息社会不仅依赖于电力，而且更需要新的特殊性的电力供应。这种要求首先在经济发达国家受到关注。美国电力科学研究院(EPRI)的Narain G. Hingorani博士于1988年首先提出了“Custom Power'，的新概念及其新技术，1996年日本北海道大学和茨城大学共同提出了FRIENDS供电技术新概念并将电能质量分成3个等级。这实质就是将计算机技术、现代控制理论和现代电力电子技术应用于配电系统，构成能够提供优质电力和其它不同质量电力的配电系统以适应不同用户的不同要求，称其为柔性配电系统。这是信息社会和电力市场发展对电能质量的新要求，也正是下一代配电系统的发展方向。因此，对柔性配电新技术中的关键设备—统一电能质量控制器UPQC (Unified Power Quality Controller)的研究有着非常重要的意义2。

UPQC的工作原理UPQC综合了串、并联补偿装置的特点3，具有对电压、电流统一补偿的功能，其核心部分为两个PWM变流器和一个储能单元。其中PAPF用于补偿整流电路直流侧为感性负载电路产生的谐波，其自身表现出电流源的特性，相当于一个谐波电流注入装置，它跟踪电流中的谐波分量，产生与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而抑制非线性负荷产生的谐波，将电源侧电流补偿为近似正弦波，同时还可补偿无功，调节直流侧电容两端的电压，为串联部分提供有功功率及电压支撑。SAPF电路拓扑结构对偶于PAPF，用于补偿容性负载产生的谐波，其自身表现出电压源的特性，相当于一个谐波电压注入装置，在串联变压器上产生与畸变电压大小相等、方向相反的补偿电压来抵消电压源中的各种畸变分量，从而提高电源侧的电能质量。

UPQC的功能用户电力(Custom Power)新技术主要是指利用GTO, IGBT, IGCT等大功率电力电子器件组成控制设备，向用户提供增值的、高可靠的、高质量的电力，提高供电可靠性(减少断电次数等)，保证功率流质量4。这些设备包括:有源电力滤波器APF、静止无功发生器STATCOM、静止无功补偿器SVC、动态电压恢复器DVR、动态不间断电源DUPS、蓄电池储能系统BESS和固态断路器SSB等。集以上串联型和并联型装置的多重功能于一体的统一电能质量控制器UPQC是研究的热点。统一电能质量控制器UPQC与统一潮流控制器UPFC具有相似的拓扑电路结构，其并联部分具有STATCOM, APF等功能，其串联部分具有DVR, DUPS等功能，通过多目标协调控制实现如下多重功能:①电压控制(电压跌落、电压畸变补偿等)，②有功、无功动态调节，③有源滤波，④平衡化补偿，⑤不间断供电，⑥储能。

UPQC主回路的配置图1给出了UPQC主回路的一种典型配置图。根据配电网的实际情况，负荷母线处A点电压不能满足B点处敏感负荷的电压要求，所以通过UPQC的串联补偿单元换流桥1使B点处电压达到敏感负荷的要求:同时由于此敏感负荷为非线性、非对称负荷，所以又通过UPQC的并联补偿单元换流桥2来补偿无功、谐波、负序分量;利用换流桥3可对由超级电容器或蓄电池组等组成的直流储能系统进行储能;在负荷高峰时直流储能系统又可通过换流桥2对负荷提供有功支持;电源断电时直流储能系统又可通过换流桥1对负荷提供UPS功能，同时换流桥2提供补偿无功、谐波等功能，这样可使各换流桥的容量分配合理，不致使某一个换流桥的容量选择过大。因此，需要根据实际情况来合理确定UPQC不同的主回路拓扑结构和不同的补偿控制策略，使UPQC中的关键单元—各换流桥的功能和容量分配合理，降低UPQC的整体造价，并使其功能得到充分发挥。另外，UPQC可与TSC静止型动态无功补偿装置、无源电力滤波器等配合使用，以减小UPQC的容量，降低成本，使用户更容易接受。

UPQC的控制方案由于UPQC系统在功能上的多样性决定了其在控制上的复杂性，对两个变换器的实时协调控制可以实现最优的控制效果。通常，电网电压的波动是不可控制的;负载电流(特别是无功电流和谐波电流)与负载的性质有关，也是不可控的，那么可控制的就只有电网电流和负载电压。从这两个方面考虑，一般可以将UPQC双侧变换器的控制分成两种，一种是控制成电压源，一种是控制成电流源。因此，电压源和电流源的不同组合产生了间接控制方案和直接控制方案2。

间接控制间接控制方案是目前UPQC控制方案中比较常见的一种。其方法是将串联变换器控制成非正弦的电压源，以补偿电网基波电压和谐波电压;将并联变换器控制成非正弦的电流源，来补偿负载的无功和谐波电流并调节直流母线电压。

通过这样的补偿策略，负载端的电压则是额定正弦电压，并且电网电流也是与电网基波电压同相的正弦电流。对电网而言，就好像给一个纯阻性负载供电一样。对于串联变换器的控制指令就是电网的实时电压与标准额定电压之间的偏差量(Delta ) ;并联变换器的控制指令则是负载的无功电流和谐波电流之和。可以试想，如果并联变换器完全补偿了负载的无功和谐波电流，那么负载的有功电流将自动由网提供，实现单位功率因数。电网的实时变差量是可以直接检测的，但是无功和谐波电流无法直接物理检测，只有通过控制器计算得来。目前的做法是在两相同步旋转坐标系下通过低通滤波器(LPF)和高通滤波器(HPF)来获得基波和谐波分量，但由于多个滤波器的引入又会引起相位滞后问题，这种做法在三相系统中较为常见。在单相系统中则需建立一套新的检测和计算方法来满足控制的快速性和精度要求，目前可见到的方法有自适应滤波、神经网络、卡尔曼滤波器和数学形态法等，这些方法将在实际应用中得以验证优劣。

直接控制直接控制方案是近几年提出的控制策略，直接控制电网电流和负载电压，不再是补偿Delta电参量，在原有波形上进行修补。在这种控制策略中，串联变换器控制为正弦电流源以使输入电流为正弦，而并联变换器则被控制为正弦电压源，使负载电压为标准正弦值。由于电压源对于谐波来说具有很小的阻抗，因此负载的谐波电流从并联变换器中提取。串联变换器被控制成正弦电流源，且要求网侧的功率因数为1,负载从电网中只能吸取有功电流，那么负载的无功电流只能从并联变换器中汲取;由于电流源对于谐波有很大的阻抗，因此电网的谐波电压将被串联变压器隔断，而不会影响负载电压。在直接控制方案下，串联变流器隔离了电网与负载端的电压扰动，而并联变流器隔离了负载无功功率、负载谐波电流进入电网。采用直接控制策略，还有一个优点就是在电网掉电或恢复供电时，不存在工作模式的切换，因为并联变流器始终受控为正弦电压源。但是，这种控制策略适用于三相系统中，如果在单相系统中应用就必须有直流侧储能装置，否则直流电压将无法控制。为了维持直流侧储能装置电压(能量)稳定，有学者专门增加一套整流装置为其提供能量。

串联变换器控制成正弦电流源的有功电流指令不可能直接检测，只能通过其他参数计算得来，而计算的精度和快速性，则关系着整个系统的控制性能，所以对硬件的检测和程序计算效率提出了较高的要求。关于有功电流的计算方法和间接控制中的无功和谐波电流计算的方法一致。并联变换器控制成电压源的电压指令可以直接给定。

双电流源控制不论是间接控制方案还是直接控制方案都是电压源与电流源并联的控制方式，只是正弦和非正弦之分。而电压源和电压源并联的形式是不予考虑的，所以本文在前两种方法的基础上，从负载需要的额定功率(有功功率、无功功率和谐波功率)出发，提出另一种电流源和电流源并联的控制方式，即双电流源控制方案。