统一电能质量调节器的Simulink仿真分析

黄云峰，程启明，米建林，王映斐，胡晓青

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

电能作为现代工业发展的基石，其质量标准与工业发展的阶段密切相关.随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，各种电能质量问题在同一配电系统中同时出现的情况越来越多.若针对每一种电能质量问题都分别采用某种类型的调节装置，就会出现多种装置同时使用的局面，不但会大大增加治理成本，还会增加装置运行维护的复杂程度.此外，由于各装置之间存在协调、配合等问题，会影响联合运行的可靠性，因此同时使用多种装置既不经济，又不现实［1-3］.日本学者AKAGI H在1996年首次提出了统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner，UPQC)的 概念，并指出其具有补偿电压闪变、电压不平衡、无功功率、负序电流和谐波的作用．目前，UPQC的研究重点是并联APF与串联APF的协调控制，也就是使并联部分能保证负载向系统注入的电流为标准的正弦基波有功电流，而串联部分则确保为敏感负载提供3相平衡且动态波形质量良好的电压［4-11］．

本文将电压空间矢量法(SVPWM)和滞环比较法分别作为UPQC的串联侧电压、并联侧电流的控制方法［12，13］，并对 UPQC 的串、并两侧进行MATLAB仿真，从而使UPQC系统完整展现出来．

1UPQC的拓扑结构

UPQC主要由串联单元、并联单元和直流储能单元3部分构成，其基本拓扑结构如图1所示．

图1 UPQC的拓扑结构

图1中，2个脉宽调制(PWM)逆变单元分别构成串联单元和并联单元的主要部分，直流储能装置则是2个逆变单元公用的，这3个部分共同组成一个完整的定制式用户电力装置［1］．

UPQC主要包括检测、控制和主电路3个部分，其中检测部分的功能是从补偿对象的电路中提取电压、电流谐波，以及无功分量等补偿量;控制部分的作用是以检测部分得出的补偿量作为参考信号，控制开关器件的通断，使主电路输出符合要求的电压和电流．

2 UPQC的谐波检测与控制策略

2．1 UPQC的谐波检测方法

dq0法是目前实时检测谐波和无功的主要方法［2］，它是在Park变换的基础上增加了一个零序的相，可在电网电压不对称和畸变等情况下精确地检测出畸变波形．dq0检测法既可以检测电流也可以检测电压，本文就采用这种方法来检测电流、电压的谐波．

定义瞬时3相电流 ia，ib，ic变换到dq0坐标系上为:

i0——0轴分量．

基于dq0变换的电流、电压检测方法原理见图2．

电流检测时需要与a相电网电压ua同相位的正弦信号 sin(ωt)和对应的余弦信号 －cos(ωt)，它们可由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到．

根据定义将变换至dq0轴的电压ud，uq，u0与其经低通滤波器(LPF)得到的直流分量相减去除直流分量，再经dq0反变换便可得出欲检测的畸变电压，其电压检测原理与电流检测相同．

2．2 UPQC控制策略与实现

本文采用不同的PWM控制策略分别对UPQC的串、并联侧进行控制．脉冲宽度调制(PWM)控制是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以等效获得所需要的调制控制波形［3］．

(1)串联侧采用 SVPWM电压控制方式．SVPWM的原理是利用3相电路6个全控开关的8个开关状态的线性组合去近似模拟空间等幅旋转矢量，并利用矢量合成的方法得到基本矢量的开关作用时间，产生不同的空间矢量PWM波，等效地获得所需要的波形.快速产生SVPWM波的步骤为［3，4］:首先将三相abc平面坐标系中的相电压 Ua，Ub，Uc转换到 α-β 平面坐标系中的 Uα和Uβ，再根据Uα和Uβ判断空间矢量Uref所在的扇区N;接着分别计算几个公用值X，Y，Z，根据空间矢量所处的扇区，分别计算该扇区中晶闸管的导通时间T1和T2;然后根据所处扇区确定空间矢量切换点Tcml，Tcm2，Tcm3;最后根据空间矢量切换点导通晶闸管产生PWM波形.

图2 基于dq0变换的电流和电压检测原理

(2)并联侧采用滞环比较电流控制方式.此方式把补偿电流的指令信号i*c与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者偏差Δic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该信号经驱动电路控制开关器件的通断，以控制补偿电流ic的变化［5］.

3 UPQC系统的仿真

根据UPQC的系统结构和工作原理，建立其Simulink仿真模型如图3所示.

图3 UPQC的Simulink仿真模型

图3中，子系统1是电压检测模块，将该模块检测到系统侧畸变的电压作为电压控制模块的输入;子系统2是电流检测模块，将该模块检测到负载侧的畸变电流作为电流控制模块的输入信号;子系统0是电压控制模块，该模块生成PWM脉冲输入通用桥1模块(串联APF)，控制逆变器开关通断从而使串联APF输出补偿电压信号注入电网补偿畸变电压;子系统3是电流控制模块，实际补偿电流信号与检测得到的电流指令信号的偏差输入电流控制模块生成PWM脉冲，PWM脉冲控制输入通用桥3模块(并联APF)，控制逆变器开关通断从而使并联APF输出补偿电流信号补偿畸变电流.

本文对感性负载(电阻R=20 Ω，电感L=15 mH)和容性负载(电阻 R=20 Ω，电容 C=0.03 F)两种情况进行仿真.系统仿真还采用Matlab/Simulink中SimPowerSystems库里的Powergui模块，该模块可进行补偿前后电压电流的频谱分析.

由于系统是3相对称的，因此本文仅给出A相仿真结果.当负载为阻感负载时，补偿前、后的电源电压和负载电流如图4所示;当负载为阻容负载时，补偿前、后电源电压，以及负载电流如图5所示.

两种负载情况效果的对比见表1.

图4 阻感负载时补偿前后的电源电压和负载电流

图5 阻容负载时补偿前后的电源电压和负载电流

由图4和图5的仿真波形可见，6k±1(k为正整数)次谐波是引起电流波形畸变的主要因素，且谐波含量与谐波次数成反比.由表1可以看出，不论是将阻感负载还是将阻容负载的不控整流桥作为谐波源，补偿后，严重畸变的电源电压波形和负载电流波形已经成为正弦波，杂波被滤除，总畸变率大大减小.但是也可以看出补偿后负载电流波形出现相位偏移.这是因为本文采用滞环比较器的瞬时值比较方式对补偿电流进行控制，而在这种方式中所选用的滞环带宽通常是固定的，但主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大.总体来说，在相同的检测方法下，电压电流都具有良好的补偿效果.

表1 两种负载情况补偿效果 %

4 结语

本文通过对UPQC系统仿真实验可以看出，两种PWM控制方法都具有良好的补偿控制效果.其中SVPWM控制法易于实现数字化，实时性好，而滞环比较控制虽也有一定的控制效果，但由于所选滞环的带宽是固定的，导致了跟踪误差的产生.

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