一種串聯(lián)側(cè)三相解耦型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器

王 浩劉進(jìn)軍梅桂華

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 廣州 510080 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

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一種串聯(lián)側(cè)三相解耦型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器

王 浩1,2劉進(jìn)軍2梅桂華1

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院 廣州 510080 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

摘要傳統(tǒng)模塊化多電平變換器統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（MMC-UPQC）的串聯(lián)部分采用單變換器和三個(gè)單相耦合變壓器，三個(gè)單相耦合變壓器在變換器側(cè)成星形聯(lián)結(jié)。該結(jié)構(gòu)使UPQC裝置的無(wú)法補(bǔ)償包含有零序分量的電壓暫升/暫降。為此提出了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改良的MMC-UPQC以改善UPQC的電壓暫升/暫降能力。新拓?fù)銶MC-UPQC串聯(lián)部分采用等效串聯(lián)的雙變換器和三個(gè)單相耦合變壓器，三個(gè)變壓器在變換器側(cè)無(wú)直接聯(lián)結(jié)，串聯(lián)部分實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)側(cè)的三相解耦。文中分析了新拓?fù)銶MC-UPQC改善電壓暫升/暫降補(bǔ)償能力和提高系統(tǒng)安全性、可靠性的原理。通過(guò)仿真研究，驗(yàn)證了新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC的正確性。與傳統(tǒng)MMC-UPQC相比，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC可補(bǔ)償同時(shí)包含正序、負(fù)序和零序分量的電壓暫升/暫降，并從減小串聯(lián)變換器交流電流、降低公共直流側(cè)電壓和變換器級(jí)的冗余運(yùn)行三方面可提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。所提出的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器 電壓暫降 串聯(lián)側(cè) 模塊化多電平變換器 三相解耦

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2009CB219705）項(xiàng)目資助。

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用電設(shè)備對(duì)電源特性變化的敏感性呈逐年上升趨勢(shì)，所面臨的電能質(zhì)量問(wèn)題越發(fā)復(fù)雜，由電能質(zhì)量問(wèn)題引起的損失也日趨增加[1,2]。為了提高供電質(zhì)量、降低因電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損失，采用各種先進(jìn)的電能質(zhì)量調(diào)控裝置成為未來(lái)電力供應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)。

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器[3]（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）是一種先進(jìn)的電能質(zhì)量調(diào)控裝置，能綜合解決電壓型和電流型電能質(zhì)量問(wèn)題。UPQC包括并聯(lián)部分和串聯(lián)部分，其中串聯(lián)部分用于解決電壓?jiǎn)栴}，具備DVR、DUPS功能；并聯(lián)部分用于解決電流問(wèn)題，具備D-STATCOM、APF功能。在UPQC的概念提出后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)UPQC的控制方法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了研究[4-6]，并有研制小容量UPQC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的報(bào)道[7]。傳統(tǒng)的兩電平變換器拓?fù)涞腢PQC裝置對(duì)開(kāi)關(guān)器件的高要求導(dǎo)致了UPQC裝置在實(shí)際工程應(yīng)用，特別是在中高壓、大容量供電領(lǐng)域的應(yīng)用存在困難。模塊化多電平變換器[8]（Modular Multilevel Converter，MMC）技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為基于IGBT等全控開(kāi)關(guān)器件的電力電子裝置在中高壓、大功率場(chǎng)合的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。該技術(shù)在柔性直流輸電領(lǐng)域[9-11]、中高壓STATCOM[12,13]的應(yīng)用展現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)。隨著MMC技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略等方面研究的發(fā)展[14,15]，基于MMC技術(shù)的UPQC拓?fù)鋺?yīng)用在中壓配電場(chǎng)合已成為可能。

模塊化多電平變換器統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器[16]（MMC-UPQC）可應(yīng)用在中壓場(chǎng)合，綜合地解決配網(wǎng)中壓饋線(xiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題。MMC-UPQC的串聯(lián)側(cè)的最重要功能是解決饋線(xiàn)的電壓暫升/暫降問(wèn)題，其中三相不平衡電壓暫降是難點(diǎn)。由于傳統(tǒng)MMC-UPQC受限于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只能補(bǔ)償包含正、負(fù)序電壓的三相不平衡，無(wú)法補(bǔ)償包含零序電壓的三相不平衡。如何改善MMC-UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高M(jìn)MC-UPQC的三相不平衡補(bǔ)償能力具有重要研究意義。

基于此，本文提出了一種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC，該MMC-UPQC串聯(lián)側(cè)可補(bǔ)償包含負(fù)序和零序分量的不平衡電壓暫升/暫降，并可降低流經(jīng)串聯(lián)側(cè)變換器的交流電流，從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。文中給出了新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC的性能分析，并在PSCAD仿真平臺(tái)上通過(guò)仿真研究驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC的正確性。

1 傳統(tǒng)MMC-UPQC

如圖1所示，傳統(tǒng)MMC-UPQC串聯(lián)部分包括一個(gè)串聯(lián)變換器和三個(gè)單相隔離變壓器，并聯(lián)部分包括一個(gè)并聯(lián)變換器。串、并聯(lián)變換器均采用結(jié)構(gòu)如圖2所示的MMC變換器，且兩變換器在公共直流側(cè)相連。

圖1　傳統(tǒng)MMC-UPQC結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure diagram of MMC-UPQC

圖2　MMC變換器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure diagram of MMC converter

基于圖2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC，其串聯(lián)部分三個(gè)單相變壓器在變換器側(cè)成星形聯(lián)結(jié)，在饋線(xiàn)側(cè)分別串聯(lián)在三相饋線(xiàn)上。在該聯(lián)結(jié)方式下，串聯(lián)變換器輸出可耦合到變壓器饋線(xiàn)側(cè)，用于補(bǔ)償饋線(xiàn)電壓出現(xiàn)的暫升/暫降。但是在該聯(lián)結(jié)方式下串聯(lián)變換器輸出的零序電壓會(huì)出現(xiàn)在這三個(gè)單相變壓器的星形中性點(diǎn)處，無(wú)法耦合到變壓器饋線(xiàn)側(cè)。即傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC只能補(bǔ)償含正序、負(fù)序分量的電壓暫升/暫降，無(wú)法補(bǔ)償含零序分量的電壓暫升/暫降。

2 新拓?fù)銶MC-UPQC

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

提出新拓?fù)銶MC-UPQC以改善傳統(tǒng)MMCUPQC的電壓暫升/暫降補(bǔ)償能力，結(jié)構(gòu)如圖3所示。新拓?fù)銶MC-UPQC由串聯(lián)部分和并聯(lián)部分組成，串聯(lián)部分包括兩個(gè)串聯(lián)變換器和三個(gè)單相隔離變壓器，并聯(lián)部分包括一個(gè)并聯(lián)變換器。串、并聯(lián)變換器均采用MMC變換器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3　新拓?fù)銶MC-UPQC結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure diagram of new topology MMC

2.2 改善電壓暫升/暫降補(bǔ)償能力

在所提新拓?fù)銶MC-UPQC中，它們同一相的交流輸出端分別連接到同一單相隔離變壓器，單相耦合變壓器的另一側(cè)串聯(lián)接入饋線(xiàn)。在該連接方式下，串聯(lián)部分的三個(gè)單相變壓器在物理連接上不存在直接的連接關(guān)系，可同時(shí)耦合正序、負(fù)序和零序的串聯(lián)變換器輸出電壓到饋線(xiàn)側(cè)。故串聯(lián)側(cè)的三相輸出是三相解耦的，基于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC-UPQC可同時(shí)補(bǔ)償含正序、負(fù)序和零序電壓暫升/暫降，可改善傳統(tǒng)MMC-UPQC的電壓暫升/暫降補(bǔ)償能力。

2.3 提高可靠性/安全性

傳統(tǒng)MMC-UPQC的串聯(lián)變換器交流輸出線(xiàn)電壓Usvsc的最大有效值由公共直流側(cè)電壓Udc、橋臂電抗和所采用調(diào)制方式來(lái)決定。當(dāng)橋臂電抗取20%（系統(tǒng)標(biāo)幺值）、變換器調(diào)制比為0.816（載波移相SPWM調(diào)制）時(shí)，串聯(lián)變換器交流輸出線(xiàn)電壓Usvsc需滿(mǎn)足

新拓?fù)銶MC-UPQC的串聯(lián)部分同時(shí)采用兩個(gè)串聯(lián)變換器，在連接上兩變換器的直流側(cè)并聯(lián)連接、交流輸出端等效串聯(lián)連接，在控制上兩變換器被控制為瞬時(shí)值即為相反數(shù)值（等幅反相）的電壓源。故兩個(gè)串聯(lián)變換器等效串聯(lián)的交流輸出線(xiàn)電壓Usvscn需滿(mǎn)足

由式（1）和式（2）可見(jiàn)，在選擇相同大小的公共直流側(cè)電壓時(shí)新拓?fù)銶MC-UPQC的交流輸出電壓可達(dá)傳統(tǒng)MMC-UPQC的2倍。因此串聯(lián)變壓器的一次、二次側(cè)比例能夠設(shè)置的更低，從而使得流經(jīng)串聯(lián)變換器的交流電流更低，提高了系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性。而在選擇相同大小的交流側(cè)輸出電壓時(shí)新拓?fù)銶MC-UPQC的公共直流側(cè)電壓可降低到傳統(tǒng)MMC-UPQC的一半。因此可降低系統(tǒng)的絕緣水平，從而提高系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性。

由于新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC采用了兩個(gè)串聯(lián)變換器，且兩個(gè)串聯(lián)變換器交流端等效串聯(lián)，故串聯(lián)部分可引入變換器級(jí)的冗余運(yùn)行機(jī)制：

（1）在串聯(lián)部分的兩個(gè)串聯(lián)變換器的交流側(cè)均并聯(lián)雙向晶閘管。

（2）兩個(gè)串聯(lián)變換器無(wú)故障時(shí)，并聯(lián)晶閘管處于開(kāi)通狀態(tài)，兩個(gè)串聯(lián)變換器同時(shí)工作。

（3）當(dāng)其中一個(gè)串聯(lián)變換器出現(xiàn)故障，其并聯(lián)的雙向晶閘管閉合旁路該故障變換器，另一串聯(lián)變換器繼續(xù)工作。

新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC在一個(gè)串聯(lián)變換器故障時(shí)另一串聯(lián)變換器可持續(xù)運(yùn)行，但此時(shí)UPQC等效于傳統(tǒng)MMC-UPQC，電壓暫升/暫降補(bǔ)償能力下降。新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC可實(shí)現(xiàn)單個(gè)串聯(lián)變換器故障的冗余運(yùn)行，從而提高系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)

采用本文的新拓?fù)銶MC-UPQC，基于PSCAD進(jìn)行仿真研究。仿真電路主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　仿真電路主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters of simulation circuit

3.2 不平衡電壓暫降補(bǔ)償

10kV饋線(xiàn)電壓在0.25～0.45s發(fā)生60%的單相暫降負(fù)荷側(cè)電壓如圖4所示，可見(jiàn)該新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC在電源側(cè)發(fā)生嚴(yán)重單相電壓暫降時(shí)很好地補(bǔ)償了該電壓暫降。MMC-UPQC的公共直流側(cè)電壓如圖5所示，A相8個(gè)子模塊電容電壓波形如圖6所示，MMC的環(huán)流如圖7所示。由圖4～圖7的仿真結(jié)果可見(jiàn)，新拓?fù)銶MC-UPQC能很好地補(bǔ)償同時(shí)包含正序、負(fù)序和零序分量的不平衡電壓暫降，并且在補(bǔ)償前后各項(xiàng)關(guān)鍵性能均良好。

圖4　單相電壓暫降下的負(fù)荷電壓Fig.4 Load voltage during single phase voltage sag

圖5　公共直流側(cè)電壓Fig.5 Common DC side voltage

圖6　A相子模塊電容電壓Fig.6 Sub-module capacitor voltage in phase A

圖7　MMC環(huán)流Fig.7 Circulating current in MMC

3.3 單串聯(lián)變換器故障

10kV饋線(xiàn)三相電壓均在0.4～0.6s發(fā)生60%的暫降，負(fù)荷側(cè)電壓如圖8所示（只顯示A相，其余兩相電壓均類(lèi)同）?？梢?jiàn)該新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC在電源側(cè)發(fā)生嚴(yán)重三相電壓暫降時(shí)很好地補(bǔ)償了該電壓暫降。

圖8　三相電壓暫降下的負(fù)荷電壓Fig.8 Load voltage during three-phase voltage sag

圖9　三相電壓暫降下的負(fù)荷電壓（單個(gè)串聯(lián)變換器故障）Fig.9 Load voltage during three-phase voltage sag（One series converter is in fault）

引入變換器級(jí)冗余運(yùn)行機(jī)制，10kV饋線(xiàn)電壓在0.4～0.6s發(fā)生60%的三相暫降，一串聯(lián)變換器在0.5s發(fā)生故障，負(fù)荷側(cè)電壓如圖9所示（只顯示A相，其余兩相電壓均類(lèi)同）?？梢?jiàn)該新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC-UPQC在電源側(cè)發(fā)生嚴(yán)重三相電壓暫降，即使其中一個(gè)串聯(lián)變換器故障，UPQC裝置也在繼續(xù)運(yùn)行。另一無(wú)故障的串聯(lián)變換器繼續(xù)補(bǔ)償了該電壓暫降，負(fù)荷側(cè)電壓達(dá)到饋線(xiàn)電壓額定值的70%。

4 結(jié)論

通過(guò)本文的研究可得到以下結(jié)論：

1）新拓?fù)銶MC-UPQC通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改良實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)部分的三相解耦，可補(bǔ)償同時(shí)包含正序、負(fù)序和零序的電壓暫升/暫降。

2）在相同公共直流側(cè)電壓新拓?fù)銶MC-UPQC可降低串聯(lián)變換器的交流電流；在相同的串聯(lián)變換器交流輸出時(shí)新拓?fù)銶MC-UPQC可降低公共直流側(cè)電壓，從而降低裝置的絕緣要求；在引入變換器級(jí)的冗余運(yùn)行機(jī)制的新拓?fù)銶MC-UPQC可實(shí)現(xiàn)一個(gè)串聯(lián)變換器故障時(shí)降低電壓暫降能力的持續(xù)運(yùn)行。即新拓?fù)銶MC-UPQC可采用三個(gè)方面來(lái)提高系統(tǒng)工作的安全性和穩(wěn)定性。

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王 浩 男，1976年生，博士，博士后，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電能質(zhì)量控制及輸配電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

E-mail:whhao1@163.com（通信作者）

劉進(jìn)軍 男，1970年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電能質(zhì)量控制及輸配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，可持續(xù)能源及分布式發(fā)電中的電力電子技術(shù)等。

E-mail:jjliu@mail.xjtu.edu.cn

A Unified Power Quality Conditioner with Three-Phase Decoupling in Series Section

Wang Hao1,2Liu Jinjun2Mei Guihua1
（1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation Guangzhou 510080 China 2.School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

AbstractIn traditional modular multilevel converter-unified power quality conditioner（MMCUPQC）,series section adopts single converter and three single phase transformers.These three single phase transformers are connected in star at converter side.With this structure,UPQC fails to compensate the voltage swell/sag with zero sequence.A novel topology MMC-UPQC is proposed to improve the voltage swell/sag compensation capability.In the novel topology MMC-UPQC,series section adopts equivalent dual converters in series and three single phase transformers that have no direct connection,which can realize three-phase decoupling.In this paper,principle of the novel topology MMC-UPQC to improve the voltage swell/sag compensation capability and to increase the system safety and reliability is analyzed.The simulation results verify the effectiveness of the novel MMC-UPQC.Compared with the traditional MMC-UPQC,the novel MMC- UPQC can compensate the voltage swell/sag with positive,negative and zero sequence.The novel MMC-UPQC can increase the system safety and reliability by decreasing the current of series converter,decreasing the voltage at common dc side or adopting redundant operating mode at converter level.

Keywords：Unified power quality conditioner,voltage sag,series section,modular multilevel converter,three-phase decoupling

作者簡(jiǎn)介

收稿日期2013-12-17 改稿日期 2014-02-22

中圖分類(lèi)號(hào)：TM71