基于超級電容儲能的UPQC控制策略的分析研究

洪偉成 王燕 葉友泉 黃龍杰

摘要：為解決常規(guī)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）難以處理電壓暫降較深的問題，在常規(guī)UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入超級電容儲能系統(tǒng)（SCESS）。針對UPQC并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)的電能質(zhì)量補償需求提出了相應(yīng)控制策略;分析SCESS的主電路結(jié)構(gòu)和功能需求，確定SCESS的控制策略;針對電壓暫降時串聯(lián)側(cè)過電流問題提出UPQC協(xié)調(diào)控制策略。仿真驗證表明，本文中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略能夠達(dá)到電能質(zhì)量治理需求，實現(xiàn)各單元的協(xié)調(diào)控制。

關(guān)鍵詞：統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器;超級電容儲能;電能質(zhì)量

引言

隨著更多的電力電子設(shè)備和非線性元件在電力系統(tǒng)中的大量使用，它們所產(chǎn)生電能質(zhì)量問題也日益嚴(yán)重[1]。網(wǎng)側(cè)電壓的電壓波動、三相電壓不平衡和短暫中斷會嚴(yán)重地影響生產(chǎn)設(shè)備的運行，造成重大的經(jīng)濟損失[2];網(wǎng)側(cè)諧波電流會導(dǎo)致高精度設(shè)備誤動作，電源使用率降低等問題，造成一定的經(jīng)濟損失。因此，如何確保負(fù)載電壓穩(wěn)定和電流的正弦化是目前最基本的兩個電能質(zhì)量問題。目前，工業(yè)上廣泛使用的解決電能質(zhì)量問題的電力電子設(shè)備主要包括無源LC濾波器、靜態(tài)無功補償發(fā)生器、有源電力濾波器和動態(tài)電壓恢復(fù)器[3-5]。但是，這些設(shè)備功能單一，僅適用于單一的電能質(zhì)量問題，無法完成對于電能質(zhì)量問題的綜合治理。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）相對于上述裝置功能豐富，性能優(yōu)越，能夠解決配電網(wǎng)的各類電能質(zhì)量問題[6-8]。

UPQC是將串聯(lián)電壓補償裝置和并聯(lián)電流補償裝置相結(jié)合，綜合了有源濾波器和動態(tài)電壓恢復(fù)裝置的功能，兼具了補償電壓跌落、治理三相電壓不對稱、補償非線性負(fù)載的不對稱和諧波問題等功能。但傳統(tǒng)不帶儲能裝置的UPQC在面對電壓暫降程度較深的事件是較為乏力，本文采用了基于超級電容儲能系統(tǒng)（Super Capacitors Energy Storage System，SCESS）的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，運用超級電容的儲能支持實現(xiàn)了對于網(wǎng)側(cè)電壓瞬間中斷或深度跌落的問題的解決;基于瞬時無功理論提出了UPQC串并聯(lián)側(cè)的控制策略，實現(xiàn)了UPQC串聯(lián)變流器、并聯(lián)變流器以及SCESS單元三方的協(xié)調(diào)控制，全面治理了電能質(zhì)量問題。仿真研究驗證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式的可行性和準(zhǔn)確性，達(dá)到了全面綜合治理電能質(zhì)量的目的。

1基于SCESS的UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模型

1.1UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為本文基于SCESS的UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，主要包括了并聯(lián)側(cè)補償單元、串聯(lián)側(cè)補償單元和SCESS三個單元。并聯(lián)側(cè)補償單元由補償電感L2、濾波電容C2和并聯(lián)變流器組成，用于補償網(wǎng)側(cè)電流消除網(wǎng)側(cè)電流由于電力電子設(shè)備等因素產(chǎn)生的諧波電流，同時確保網(wǎng)側(cè)電流的單位功率因數(shù)。串聯(lián)側(cè)補償單元由補償電感L1、濾波電容C1、串聯(lián)變壓器Ts和串聯(lián)變流器組成，用于確保網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定和正弦。SCESS單元由超級電容和雙向DC/DC逆變器組成，用于調(diào)節(jié)功率維持變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，解決電壓深度跌落問題。

1.2SCESS模型

在對超級電容進(jìn)行模型分析時，可以將其視作理想電容器與等效電阻串聯(lián)。所以SCESS的等效電路如圖2所示。

圖中Csc為超級電容等效的理想電容器，Rsc為超級電容的等效串聯(lián)電阻。根據(jù)圖2的電路圖所示。其中，d為VT14的開關(guān)函數(shù)，i2d，i2q，d2d，d2q分別為d軸和q軸在交流側(cè)的輸出電流和等效的電流補償單元開關(guān)函數(shù)。

2基于SCESS的UPQC的控制策略

2.1串聯(lián)補償單元控制策略

圖3為串聯(lián)側(cè)控制算法框圖?？紤]到UPQC串聯(lián)側(cè)補償單元主要補償電壓暫降，對響應(yīng)速度要求較高，提出如圖3所示的電壓單環(huán)控制。采集網(wǎng)側(cè)電壓Vabc通過通過鎖相環(huán)得出電壓相角θ，通過dq旋轉(zhuǎn)變換變成相應(yīng)的d軸和q軸的量，將所求得的ud與給定的參考電壓Vdref作差后經(jīng)dq旋轉(zhuǎn)逆變換得出三相電壓的調(diào)整值Va*、Vb*、Vc*，再將調(diào)整值與當(dāng)前調(diào)整量Va、Vb、Vc作差后經(jīng)滯環(huán)控制輸出可以得到串聯(lián)補償單元的控制信號。

2.2并聯(lián)補償單元控制策略

圖4為并聯(lián)側(cè)控制算法框圖。UPQC并聯(lián)側(cè)補償單元主要補償連續(xù)型電流畸變，包括負(fù)序補償、無功補償和諧波補償，對于穩(wěn)態(tài)誤差要求較高，提出如圖4所示控制。采用基于瞬時無功功率理論dq0檢測算法實現(xiàn)負(fù)載電流的負(fù)序、無功和諧波補償。直流公共側(cè)電壓環(huán)采用PI控制實際值跟蹤期望值，采集負(fù)載電流ILa、ILb、ILc通過通過dq旋轉(zhuǎn)變換得出d軸量id，經(jīng)低通濾波器后進(jìn)行dq旋轉(zhuǎn)逆變換將產(chǎn)生正序基波電流分量ILa*、ILb*、ILc*，與負(fù)載電流作差得出補償電流值，經(jīng)滯環(huán)控制模塊可得出并聯(lián)補償單元控制信號。

2.3SCESS控制策略

SCESS模塊電路圖如圖2所示，主要有超級電容及雙向DC/DC變換器組成。超級電容作為儲能設(shè)備提供電壓深度暫降時所需的能量，DC/DC變流器實現(xiàn)輸出電壓的控制。DC/DC變流器有兩種工作模式，分別是功率流向相反的升壓模式和降壓模式。在升壓模式下，VT14和VD13導(dǎo)通，VT13關(guān)閉VT14以一定的開關(guān)頻率工作，功率從超級電容流向直流側(cè)。在降壓模式下，VT14保持關(guān)閉，而VT13一定的頻率工作，功率由直流側(cè)流向超級電容。

DC/DC變換器的工作模式主要取決于串聯(lián)補償單元的補償方式（即串聯(lián)補償單元的有功輸出）和電壓暫降程度，根據(jù)串聯(lián)側(cè)補償單元控制可以控制DC/DC的工作模式。在電壓暫降區(qū)間，直流側(cè)的功率波動較大，DC/DC變流器工作在升壓模式，通過電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)策略，實現(xiàn)對直流側(cè)的有功輸出，加強直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性。DC/DC變流器控制框圖如圖5所示。

圖中Udref為給定的直流側(cè)參考電壓，與DC/DC輸出電壓Ud構(gòu)成電壓外環(huán)控制，經(jīng)過PI控制得出超級電容輸出電流給定值Id*，采集超級電容輸出電流Id與Id*構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)控制，經(jīng)過PI控制后由PWM發(fā)生器生成DC/DC變流器的控制信號。

3仿真驗證

基于Matlab/Simulink工具箱根據(jù)圖1所示系統(tǒng)建立仿真測試，仿真參數(shù)如下所示：

電網(wǎng)電壓采用頻率為50Hz，正常相電壓有效值為220V的三相交流電壓。直流側(cè)額定電壓設(shè)定為600V，超級電容額定電壓設(shè)定為200V，初始電壓為200V。

圖7（a）為直流側(cè)濾波電容C兩端電壓波形，（b）為SCESS輸入電流波形。在0.1s時設(shè)置網(wǎng)側(cè)電壓跌落額定值的30%，0.4s時恢復(fù)為額定值。從圖中可以看出，直流側(cè)電壓基本維持在額定值附近;在開始時間段內(nèi)由于超級電容初始電壓設(shè)置為額定電壓，沒有進(jìn)行超級電容的充電，SCESS單元輸入電流為0，在0.1s時發(fā)生電壓暫降時，輸入電流為負(fù)，即代表超級電容對外輸出有功功率以維持直流側(cè)濾波電容兩端電壓穩(wěn)定，在0.4s之后，由于對外進(jìn)行功率輸出使得超級電容電壓下降，輸入電流為正對電容充電。圖8為超級電容兩端電壓，在電壓暫降區(qū)間對外進(jìn)行有功輸出Usc下降，0.4s后電壓暫降故障結(jié)束，由于Usc低于額定值，由電網(wǎng)側(cè)對其進(jìn)行充電。

圖9為暫降60%時直流側(cè)電壓波形，從圖中可以看出，對比暫降30%時的波形，在電壓暫降區(qū)間直流側(cè)電壓跌落幅度更大但跌落幅度也沒有超過直流側(cè)電壓額定值的1%，由此可見，即使在電壓深度跌落的情況下，SCESS模塊依然具有良好的維持直流側(cè)電壓能力。

圖10為UPQC串聯(lián)補償單元電壓暫降補償仿真波形，在0.1s～0.4s之間設(shè)置了三相電壓暫降60%的故障。圖中u1為串聯(lián)補償單元發(fā)出的補償電壓，u2為負(fù)載電壓（即檢測到電壓暫降補償后的電壓），u3為電網(wǎng)電壓。

串聯(lián)側(cè)暫降補償仿真主要驗證UPQC串聯(lián)側(cè)暫降補償功能和能力。從圖10中可以看出，串聯(lián)補償單元于0.1s時檢測到暫降60%并發(fā)出補償電壓降負(fù)載電壓補償至額定電壓值附近。由此可見，由于SCESS模塊的電壓支持使UPQC串聯(lián)側(cè)具有良好的電壓深度暫降補償能力。

4結(jié)論

針對傳統(tǒng)UPQC難以處理的電壓深度暫降電能質(zhì)量問題，在傳統(tǒng)UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入SCESS模塊，利用SCESS中的超級電容儲能進(jìn)行功率調(diào)節(jié)以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。針對串并聯(lián)側(cè)電能質(zhì)量補償需求提出了能夠?qū)崿F(xiàn)補償電壓、電流實時檢測和快速補償?shù)目刂撇呗?，并根?jù)功能需求提出了SCESS的控制策略，實現(xiàn)了UPQC各單元配合控制。通過仿真驗證了基于SCESS的UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的正確、有效和可行性。

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作者簡介

洪偉成（1995—），男，漢，福建南安，學(xué)歷：碩士研究生，電能質(zhì)量治理，福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院;福建省泉州市。