基于超级电容储能的UPQC控制策略的分析研究

洪伟成 王燕 叶友泉 黄龙杰

摘要：为解决常规统一电能质量调节器（UPQC）难以处理电压暂降较深的问题，在常规UPQC拓扑结构中加入超级电容储能系统（SCESS）。针对UPQC并联侧和串联侧的电能质量补偿需求提出了相应控制策略;分析SCESS的主电路结构和功能需求，确定SCESS的控制策略;针对电压暂降时串联侧过电流问题提出UPQC协调控制策略。仿真验证表明，本文中的拓扑结构及控制策略能够达到电能质量治理需求，实现各单元的协调控制。

关键词：统一电能质量调节器;超级电容储能;电能质量

引言

随着更多的电力电子设备和非线性元件在电力系统中的大量使用，它们所产生电能质量问题也日益严重[1]。网侧电压的电压波动、三相电压不平衡和短暂中断会严重地影响生产设备的运行，造成重大的经济损失[2];网侧谐波电流会导致高精度设备误动作，电源使用率降低等问题，造成一定的经济损失。因此，如何确保负载电压稳定和电流的正弦化是目前最基本的两个电能质量问题。目前，工业上广泛使用的解决电能质量问题的电力电子设备主要包括无源LC滤波器、静态无功补偿发生器、有源电力滤波器和动态电压恢复器[3-5]。但是，这些设备功能单一，仅适用于单一的电能质量问题，无法完成对于电能质量问题的综合治理。统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）相对于上述装置功能丰富，性能优越，能够解决配电网的各类电能质量问题[6-8]。

UPQC是将串联电压补偿装置和并联电流补偿装置相结合，综合了有源滤波器和动态电压恢复装置的功能，兼具了补偿电压跌落、治理三相电压不对称、补偿非线性负载的不对称和谐波问题等功能。但传统不带储能装置的UPQC在面对电压暂降程度较深的事件是较为乏力，本文采用了基于超级电容储能系统（Super Capacitors Energy Storage System，SCESS）的UPQC拓扑结构，运用超级电容的储能支持实现了对于网侧电压瞬间中断或深度跌落的问题的解决;基于瞬时无功理论提出了UPQC串并联侧的控制策略，实现了UPQC串联变流器、并联变流器以及SCESS单元三方的协调控制，全面治理了电能质量问题。仿真研究验证了该拓扑结构和控制方式的可行性和准确性，达到了全面综合治理电能质量的目的。

1基于SCESS的UPQC的拓扑结构及模型

1.1UPQC的拓扑结构

图1所示为本文基于SCESS的UPQC的拓扑结构图，主要包括了并联侧补偿单元、串联侧补偿单元和SCESS三个单元。并联侧补偿单元由补偿电感L2、滤波电容C2和并联变流器组成，用于补偿网侧电流消除网侧电流由于电力电子设备等因素产生的谐波电流，同时确保网侧电流的单位功率因数。串联侧补偿单元由补偿电感L1、滤波电容C1、串联变压器Ts和串联变流器组成，用于确保网侧电压稳定和正弦。SCESS单元由超级电容和双向DC/DC逆变器组成，用于调节功率维持变流器直流侧电压稳定，解决电压深度跌落问题。

1.2SCESS模型

在对超级电容进行模型分析时，可以将其视作理想电容器与等效电阻串联。所以SCESS的等效电路如图2所示。

图中Csc为超级電容等效的理想电容器，Rsc为超级电容的等效串联电阻。根据图2的电路图所示。其中，d为VT14的开关函数，i2d，i2q，d2d，d2q分别为d轴和q轴在交流侧的输出电流和等效的电流补偿单元开关函数。

2基于SCESS的UPQC的控制策略

2.1串联补偿单元控制策略

图3为串联侧控制算法框图。考虑到UPQC串联侧补偿单元主要补偿电压暂降，对响应速度要求较高，提出如图3所示的电压单环控制。采集网侧电压Vabc通过通过锁相环得出电压相角θ，通过dq旋转变换变成相应的d轴和q轴的量，将所求得的ud与给定的参考电压Vdref作差后经dq旋转逆变换得出三相电压的调整值Va*、Vb*、Vc*，再将调整值与当前调整量Va、Vb、Vc作差后经滞环控制输出可以得到串联补偿单元的控制信号。

2.2并联补偿单元控制策略

图4为并联侧控制算法框图。UPQC并联侧补偿单元主要补偿连续型电流畸变，包括负序补偿、无功补偿和谐波补偿，对于稳态误差要求较高，提出如图4所示控制。采用基于瞬时无功功率理论dq0检测算法实现负载电流的负序、无功和谐波补偿。直流公共侧电压环采用PI控制实际值跟踪期望值，采集负载电流ILa、ILb、ILc通过通过dq旋转变换得出d轴量id，经低通滤波器后进行dq旋转逆变换将产生正序基波电流分量ILa*、ILb*、ILc*，与负载电流作差得出补偿电流值，经滞环控制模块可得出并联补偿单元控制信号。

2.3SCESS控制策略

SCESS模块电路图如图2所示，主要有超级电容及双向DC/DC变换器组成。超级电容作为储能设备提供电压深度暂降时所需的能量，DC/DC变流器实现输出电压的控制。DC/DC变流器有两种工作模式，分别是功率流向相反的升压模式和降压模式。在升压模式下，VT14和VD13导通，VT13关闭VT14以一定的开关频率工作，功率从超级电容流向直流侧。在降压模式下，VT14保持关闭，而VT13一定的频率工作，功率由直流侧流向超级电容。

DC/DC变换器的工作模式主要取决于串联补偿单元的补偿方式（即串联补偿单元的有功输出）和电压暂降程度，根据串联侧补偿单元控制可以控制DC/DC的工作模式。在电压暂降区间，直流侧的功率波动较大，DC/DC变流器工作在升压模式，通过电压外环，电流内环的调节策略，实现对直流侧的有功输出，加强直流侧电压的稳定性。DC/DC变流器控制框图如图5所示。

图中Udref为给定的直流侧参考电压，与DC/DC输出电压Ud构成电压外环控制，经过PI控制得出超级电容输出电流给定值Id*，采集超级电容输出电流Id与Id*构成电流内环控制，经过PI控制后由PWM发生器生成DC/DC变流器的控制信号。

3仿真验证

基于Matlab/Simulink工具箱根据图1所示系统建立仿真测试，仿真参数如下所示：

电网电压采用频率为50Hz，正常相电压有效值为220V的三相交流电压。直流侧额定电压设定为600V，超级电容额定电压设定为200V，初始电压为200V。

图7（a）为直流侧滤波电容C两端电压波形，（b）为SCESS输入电流波形。在0.1s时设置网侧电压跌落额定值的30%，0.4s时恢复为额定值。从图中可以看出，直流侧电压基本维持在额定值附近;在开始时间段内由于超级电容初始电压设置为额定电压，没有进行超级电容的充电，SCESS单元输入电流为0，在0.1s时发生电压暂降时，输入电流为负，即代表超级电容对外输出有功功率以维持直流侧滤波电容两端电压稳定，在0.4s之后，由于对外进行功率输出使得超级电容电压下降，输入電流为正对电容充电。图8为超级电容两端电压，在电压暂降区间对外进行有功输出Usc下降，0.4s后电压暂降故障结束，由于Usc低于额定值，由电网侧对其进行充电。

图9为暂降60%时直流侧电压波形，从图中可以看出，对比暂降30%时的波形，在电压暂降区间直流侧电压跌落幅度更大但跌落幅度也没有超过直流侧电压额定值的1%，由此可见，即使在电压深度跌落的情况下，SCESS模块依然具有良好的维持直流侧电压能力。

图10为UPQC串联补偿单元电压暂降补偿仿真波形，在0.1s～0.4s之间设置了三相电压暂降60%的故障。图中u1为串联补偿单元发出的补偿电压，u2为负载电压（即检测到电压暂降补偿后的电压），u3为电网电压。

串联侧暂降补偿仿真主要验证UPQC串联侧暂降补偿功能和能力。从图10中可以看出，串联补偿单元于0.1s时检测到暂降60%并发出补偿电压降负载电压补偿至额定电压值附近。由此可见，由于SCESS模块的电压支持使UPQC串联侧具有良好的电压深度暂降补偿能力。

4结论

针对传统UPQC难以处理的电压深度暂降电能质量问题，在传统UPQC的拓扑结构中加入SCESS模块，利用SCESS中的超级电容储能进行功率调节以维持直流侧电压稳定。针对串并联侧电能质量补偿需求提出了能够实现补偿电压、电流实时检测和快速补偿的控制策略，并根据功能需求提出了SCESS的控制策略，实现了UPQC各单元配合控制。通过仿真验证了基于SCESS的UPQC拓扑结构及控制策略的正确、有效和可行性。

参考文献

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作者简介

洪伟成（1995—），男，汉，福建南安，学历：硕士研究生，电能质量治理，福建电力职业技术学院;福建省泉州市。