基于并联型电压源变换器的统一电能质量控制器

蔡重凯，赵越，俞永军，洪金琪，王轩，王滔，葛昆明，付永生，王广柱

（1.国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；2.山东大学电气工程学院，济南 250061；3.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，南京 211106；4.中电普瑞科技有限公司，北京 102002）

0 引言

随着现代社会的高速发展，供电质量与谐波等问题的矛盾日益尖锐，配电网瞬时故障造成了大量的经济损失[1]。为了保障和改善供电质量，国内外学者对此进行了广泛的研究。统一电能质量控制器（unified power quality conditioner，UPQC）由日本学者HAkagi 于1996 年提出[2]，其将串联式电压源型变换器（voltage source converter，VSC）和并联式VSC 通过直流母线耦合，并联侧用于解决电流质量问题，可用作有源电力滤波器（active power filter，APF），串联侧起到动态电压调节器（dynamic voltage regulator，DVR）的作用，用来解决电压质量问题。

近些年来，国内外学者对UPQC 的拓扑进行了不同程度上的改进。文献[3-4]提出使用超级电容作为储能模块，从而实现深度电压跌落时的补偿。文献[5]将一个并联VSC 与两个串联VSC 通过背靠背的方式连接起来，用于除了两条不同负载特性的配电线路。文献[6-7]将模块化多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）应用于UPQC 而产生的MMC-UPQC，使得UPQC 得以在更高的电压等级中使用。文献[8]提出一种串联侧三相解耦MMC-UPQC，从而解决电压不平衡电压跌落问题。文献[9-12]提出了多电平UPQC 从而实现在高电压等级的情况下使用低压开关管，并对其进行拓展使其可应用于分布式系统中。文献[13]提出了五电平MMC-UPQC，并进行了仿真验证。

但是上述所有的UPQC 都是基于传统串/并联结构，此种结构特点为串/并联侧共用一个直流侧，并通过并联侧控制直流侧电压。此种结构由于串/并联侧存在耦合关系，控制相对复杂。除此之外，传统UPQC 不能有效解决大幅度电压跌落问题，加大直流侧电容能够一定程度上缓解这个问题，但同时会导致系统更难控制。

为解决上述问题，本文提出一种新型UPQC，将传统UPQC 的串/并联结构改为两个并联式VSC 单元，其中一个单元实现APF 功能，另一个单元实现DVR 功能，两者独立运行，分开控制，从而实现硬件解耦，降低控制难度。除满足传统UPQC 功能外，还能够有效解决大幅度电压跌落或短时断电问题。由于APF 单元的三电平拓扑和控制方式与传统APF 别无二致[14-16]，本文不作过多介绍。DVR 单元实现电压跌落补偿功能，其补偿能量和时间取决于DVR 直流母线电容电压和容量。本文给出了电容计算方法与基于DVR 直流母线电压的分段式控制策略，提出APF 与DVR 的投切策略，研制了新型UPQC 样机，并通过第三方专业机构实验检测验证了新型UPQC 方案的可行性。

1 新型UPQC拓扑

新型UPQC 电路原理图见图1，整体电路结构分为APF 与DVR 两个单元。DVR 单元由高速固态开关[17]和另一个VSC 组合而成，在网侧发生故障或电压大幅度跌落时，高速固态开关HS 断开线路后投入，DVR 产生与电源同频同相的三相电压向负载供电。APF 单元的作用是在网侧电压正常时补偿负载电流谐波和无功。

图1 新型UPQC原理框图Fig.1 Principle block diagram of new UPQC

APF 单元采用二极管箝位式三电平拓扑，在同等直流母线电压下比两电平电路的开关管耐压低一半，可选用开关频率相对较高的低压开关管，另外输出电平台阶比两电平多，自身带来的谐波较少。

DVR 单元采用三相三线两电平变换器拓扑，输出通过Z 型变压器与系统连接，见图2，Z 型变压器[18]为DZn0 型，见图3。Z 型变压器是为DVR 构造一条中性线以适用于三相四线系统，同时通过变压器变比降低DVR 直流母线电压，以降低直流侧电容成本和体积。用三线制DVR 通过Z 型变压器用于四线制系统的基本原理是：零序电流通过副边进入变压器后，由于上下两个绕组中零序电流方向相反，所以零序通路中阻抗无穷大，进入副边的零序电流不会对原边产生影响。Z 型变压器副边变比为1：1。

图2 DVR单元拓扑Fig.2 Topology of DVR unit

图3 DZn0 Z型变压器Fig.3 DZn0 Z-type transformer

对比新型UPQC 与传统UPQC 拓扑可知：在网侧正常时，传统UPQC 串联变压器的引入导致电压损失，需要串联侧换流器始终工作补偿电压损失，存在一定的运行损耗，而新型UPQC 的DVR 单元处于备用状态，损耗较低。

2 新型UPQC中DVR单元电容容量计算

在新型UPQC 方案中，在网侧故障或电压大幅度跌落时，负载侧电压支撑全部由DVR 单元负责，其补偿能量和时间取决于DVR 直流母线电容电压和容量。下面给出电容容量计算方法。

DVR 单元投入运行时与普通逆变器运行有一定区别。普通逆变器直流母线一般由电源供电，而此处DVR 直流侧仅有电容器，在DVR 输出功率过程中直流侧电容电压会逐渐下降，但需要满足Udc≥Ulmax，式中Udc表示DVR 直流侧电容电压，Ulmax表示DVR 交流输出额定线电压幅值。考虑到负载一般能承受一定范围的电压跌落，即DVR 输出可以在一定范围内低于额定值，为此需要分两种情况计算电容容量。

1）Udc≥Ulmax时。

如果忽略电路损耗，则电容中储存的能量应全部转移到负载。为不失一般性，以功率因数为cosφ的感性负载Z 为例，设直流母线电压最大值为Udcmax，DVR 输出额定电压幅值Ulmax，根据能量守恒得

式中：C为电容容量；T1为Udc≥Ulmax的放电时间，直流侧电容电压最低为Ulmax。

由此可得出放电时间与电容容量的关系为

2）Udc＜Ulmax时。

此时DVR 直流侧电容电压不足以支撑其额定输出电压，所以应控制输出电压跟随直流母线电压衰减，此时DVR 输出电压峰值为直流侧电容电压，为时间t的函数，根据能量守恒可得

式中，t为Udc＜Ulmax后的放电时间。

对上式两边求导得到

解此微分方程，令Udc(0)=Ulmax得

设T2表示此阶段放电支撑时间，最终放电电压为Udc(T2)，则

设DVR 总放电时间为Tall（即Tall=T1+T2），则由式（2）和式（6）可求出电容容量C为

3 新型UPQC控制策略

新型UPQC 控制策略主要分为3 个部分，分别为网侧故障判断、投切逻辑与控制方式。

3.1 网侧故障判断

网侧故障判断环节用于判断网侧电压是否出现异常，分为电压过度跌落、电压谐波过大和断路3 种情况，分别通过检测单相电压有效值[18-19]、电压谐波[20]和线路电流有效值并与给定值作比较得出，这里不再赘述。

3.2 投切逻辑

投切逻辑用于控制APF 和DVR 单元的退出和投入[21-27]。当网侧电压正常时，高速固态开关HS 闭合，APF 单元投入运行，补偿负载电流谐波及无功，此时DVR 单元处于追踪储能状态；当网侧电压出现异常时，高速固态开关HS 断开，DVR 单元转为逆变状态向负载供电，APF 单元退出。

由于高速固态开关为晶闸管，无法通过触发脉冲控制其关断，因此在投入DVR 单元时需判断流经高速固态开关电流极性，并控制DVR 输出相应极性电压，强迫关断晶闸管，之后DVR 按预设的电压幅值和相位向负载供电。

投切逻辑的流程图见图4。

图4 UPQC投切逻辑框图Fig.4 UPQC switching logic diagram.

3.3 控制方式

DVR 单元控制方式，根据不同的工作状态分为3 种控制方式，分别为充电储能、逆变输出和并网投切。

1）充电储能。

在此状态下的DVR 单元需要对电网电压进行锁相，并且为直流侧电容充电至设定电压，此时DVR 单元作为PWM 整流器[28-29]工作，采用电压电流双闭环控制，外环为直流母线电压控制，控制简化框图见图5，图中k取0。

2）逆变输出。

在此状态下的DVR 单元切换到向负载供电，根据直流侧电容电压大小采用下列分段式控制。

首先判断Udc≥Ulmax是否成立，如果成立，则采用传统恒压控制方法，如果不成立，则采用最大电压控制方法，这样可保证DVR 输出正弦电压。控制基于dq0 变换[30]，简化控制框图如图5 所示，图中k取1，分别为交流输出电压参考与叠加零序电压参考，两者需要根据上述分段条件进行选择。

图5 DVR单元控制框图Fig.5 Control block diagram of DVR unit

1）Udc≥Ulmax时。

此时输出参考电压为设定输出相电压峰值，即

叠加的零序电压幅值为

式中，Utmax为三角载波的峰值。

2）Udc＜Ulmax时。

此时采用最大电压输出方式，即DVR 输出线电压峰值为直流侧电容电压，输出参考电压幅值为

叠加的零序电压幅值为

以A 相为例，分段控制方式波形图见图6。

图6 DVR分段控制输出电压与直流侧电压Fig.6 DVR section control output voltage and DC side voltage

3）并网投切过程。

在DVR 切换到逆变输出状态之前处于跟踪网侧电压、锁相和储能状态，当网侧电压出现异常触发DVR 投切条件时，DVR 单元可迅速切换到逆变输出状态。而当网侧电压恢复正常时，DVR 由逆变输出状态切换到充电储能状态的过程中，一是需要将其输出电压（频率、相位）平滑调整到与网侧电压一致，否则会造成并网冲击；二是需要将DVR 控制策略由逆变状态切换到整流状态。

为防止控制策略切换造成的电流冲击，这里对DVR 电流环参考采用平滑切换方式，公式为

并网投切策略的流程图见图7，图中Δk为k变化步长。图8 所示为DVR 投切策略的仿真验证结果。

图7 DVR并网切换策略Fig.7 DVR grid connected switching strategy

图8 DVR投切策略仿真结果Fig.8 Simulation results of DVR switching strategy

4 实验验证

为了验证所提出新型UPQC 方案及控制策略的可行性，研制了50 kVA 样机，见图9，其参数见表1。

图9 新型UPQC样机Fig.9 New UPQC prototype

表1 样机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of prototype

样机在第三方专业检测机构进行了实验测试，实验结果如下。

4.1 APF单元谐波补偿测试

负载接谐波源负载，UPQC 处于自动滤波补偿状态，主回路交流输入电压400 V，测得2～25 次网侧电流总谐波补偿率见表2。

表2 谐波补偿实验结果Table 2 Experimental results of harmonic compensation

4.2 普通电压跌落测试

普通电压跌落分别测试单相、两相与三相电压跌落，跌落深度为50%，网侧电压波形与补偿后电压波形见图10-12，其中ch1、ch2和ch3分别为网侧A、B 和C 相电压，ch4、ch5和ch6分别为补偿后的三相电压。

图10 单相电压跌落补偿实验波形Fig.10 Experimental waveform of single phase voltage sag compensation

图11 两相电压跌落补偿实验波形Fig.11 Experimental waveform of two-phase voltage sag compensation

图12 三相电压跌落补偿实验波形Fig.12 Experimental waveform of three-phase voltage sag compensation

4.3 大幅度电压跌落测试

大幅度电压跌落以三相电压跌落为例，跌落深度为100%，网侧电压波形与补偿后电压波形见图13，其中ch1、ch2和ch3分别为网侧A、B 和C 相电压，ch4、ch5和ch6分别为补偿后的三相电压。

图13 大幅度电压跌落补偿实验波形Fig.13 Experimental waveform of deep voltage sag compensation

上述实验数据和波形取自第三方（国家电控配电设备质量监督检验中心）对样机的检验报告。

5 结语

针对传统UPQC 难以解决电压大幅度暂降等问题提出了一种新型并联型UPQC 拓扑及控制策略；分析了该拓扑在不同工况下的工作原理，针对不同工况提出了基于DVR 单元直流侧电容电压的分段式控制方法与系统投切逻辑；给出了DVR 单元电容器容量计算方法。通过仿真与样机实验验证了新型UPQC 方案的可行性。

新型UPQC 与传统UPQC 相比具有如下特点：

1）新型UPQC 不受电压暂降水平影响，可用于电压跌落至100%的场合，克服了传统UPQC 难以有效解决大幅度电压跌落问题。

2）新型UPQC 正常运行时DVR 单元处于热备用状态，损耗较低，传统UPQC 正常运行时串联变压器引入导致电压损失，存在一定的运行损耗。

3）新型UPQC 实现了DVR、APF 功能的解耦，控制相对简单，传统UPQC 串联侧和并联侧之间存在耦合，控制相对复杂。

4）新型UPQC 的DVR 单元容量要达到负载容量（传统UPQC 补偿电压跌落深度达到50% 时，也需要UPQC 容量达到负载容量水平）。