关键字 |
| 有源电力滤波器(APF)、功率角控制(PAC)、电能质量、无功补偿、统一电能质量调节器(UPQC)、电压跌落与膨胀补偿。 |
介绍 |
| 现代配电系统对不同的电能质量问题[1]，[2]变得非常脆弱。非线性负载的广泛使用进一步加剧了电流和电压谐波问题。此外，以风能、太阳能、燃料电池等为基础的小型/大型可再生能源系统在配电和输电层面的普及率显著提高。这种可再生能源在电力系统中的集成进一步对电力行业提出了新的挑战，以适应这些新兴的分布式发电系统[3]。为了维持受控的电能质量法规，在所有功率级别上进行某种补偿已成为一种普遍做法[5]-[9]。在配电层面，UPQC是补偿[7]-[9]，[14]-[28]几个主要电能质量问题的最具吸引力的解决方案。基于upqc的系统的一般框图表示如图1所示。它基本上由两个电压源逆变器组成，使用一个普通的直流母线电容器背靠背连接。本文提出了UPQC优化利用的新概念。 |
| 由于UPQC的串联逆变器同时提供有功功率和无功功率，因此命名为UPQCS (S代表复功率)。本文的主要贡献概述如下。 |
| 1)采用UPQC-S系列逆变器，配合并联逆变器同时进行电压凹陷/膨胀补偿和负载无功补偿。 |
| 2)在UPQC- s中，availableVAloading在所有工作条件下都被利用到最大容量，与UPQC- vamin相反，UPQC- vamin的主要重点是在电压下降条件下最小化UPQC的VA负载。 |
| 3) UPQC-S的概念包括电压跌落和膨胀场景。 |
| 本文给出了用于UPQC-S的PAC的详细数学公式。仿真和实验结果验证了UPQC-S方法的可行性和有效性。 |
| PAC方法在额定稳态条件下的相量表示如图2[15]所示。根据这一理论，通过串联逆变器注入具有适当大小VSr和相位角Ã Â Sr的矢量_vsr，使源电压VS和合成负载电压V _ L之间的功率角δ升压保持相同的电压大小。这种功率角的移动导致电源电压和合成负载电流I_ L之间的相对相位推进，记为角β。换句话说，通过PAC方法，串联逆变器支持负载无功功率需求，从而减少了分流逆变器共享的无功功率需求。 |
统一电能质量调节器 |
| 同时提供DSTATCOM和DVR可以控制源电流和负载母线电压的电能质量。此外，如果DVR和STATCOM连接在直流侧，当源电压发生瞬态扰动时，DVR可以通过连接DSTATCOM的并联器调节直流母线电压，同时为负载提供所需的能量。这种设备(称为统一电能质量调节器(UPQC))的配置如图2所示。这是一个类似于UPFC的多功能设备。但是，UPQC的控制目标与UPFC有很大的不同。 |
upqc的控制目标 |
| 并联变换器有以下控制目标 |
| 1.通过注入负载所需的负序和零序分量来平衡源电流 |
| 2.通过注入所需的谐波电流来补偿负载电流中的谐波 |
| 3.通过注入所需的无功电流(基频)来控制功率因数 |
| 4.调节直流母线电压。 |
电压凹陷 |
| 电压下降和瞬时电源中断可能是影响工业和大型商业客户的最重要的PQ问题。这些事件通常与供电系统中某个位置的故障有关。当故障出现在供应客户的电路上时，就会发生中断。但是，即使故障发生在远离客户现场的地方，电压也会下降。电压下降仅持续4-5 |
| 循环可能导致广泛的敏感客户设备退出。对于工业客户来说，电压下降和短暂的中断是等价的，如果两者都关闭了他们的过程。电压跌落的典型例子如图1所示。用电设备对电压跌落的敏感性取决于电压跌落的持续时间和幅度，可以确定 |
配电系统的电能质量 |
| 大多数较重要的国际标准将电能质量定义为在正常操作条件下，不中断或干扰客户过程的电源的物理特性。因此，如果任何电压、电流或频率偏差导致客户设备故障或不良运行，就存在电能质量问题。然而，重要的是要注意，电源的质量基本上意味着电压质量和供电可靠性。电压质量问题涉及到由于线路电压偏离其标称特性而导致的任何设备故障，而供应可靠性的特征是其充分性(供应负载的能力)、安全性(承受系统故障等突然干扰的能力)和可用性(特别是针对长时间中断)。电能质量问题在大多数商业、工业和公用事业网络中很常见。自然现象，如闪电是电能质量问题最常见的原因。在电源中导致振荡瞬态的开关现象，例如当电容器被开关时，也在很大程度上导致电能质量扰动。此外，大功率非线性负荷的连接也会产生电流和电压谐波分量。在可能产生的不同电压扰动中，最重要和最关键的电能质量问题是由于可能产生的高经济损失而导致的电压下降。短期的电压下降(凹陷)会导致电气驱动器或更敏感的设备跳闸，导致昂贵的生产中断。 For all these reasons, from the consumer point of view, power quality issues will become an increasingly important factor to consider in order satisfying good productivity. On the other hand, for the electrical supply industry, the quality of power delivered will be one of the distinguishing factor for ensuring customer loyalty in this very competitive and deregulated market. To address the needs of energy consumers trying to improve productivity through the reduction of power quality related process stoppages and energy suppliers trying to maximize operating profits while keeping customers satisfied with supply quality, innovative technology provides the key to costeffective power quality enhancements solutions. However, with the various power quality solutions available, the obvious question for a consumer or utility facing a particular power quality problem is which equipment provides the better solution. |
利用upqc-pand upqc-q进行电压凹陷/膨胀补偿 |
| 考虑UPQC系统已经在PAC方式下工作，即逆变器都在补偿负载无功功率，注入的串联电压使合成负载与实际电源电压之间的功率角为δ。如果系统出现凹陷/膨胀情况，两个逆变器都应像凹陷前一样继续提供负载无功功率。此外，串联逆变器还应通过注入适当的电压组件来补偿电压凹陷/膨胀。换句话说，不管电源电压的变化，串联逆变器应该在两个电压之间保持相同的功率角δ。然而，在电压跌落条件下，如果系统负载发生变化，PAC方法会给出不同的δ角。新δ角的增大或减小分别取决于负荷无功功率的增大或减小。 |
| 我们用PAC概念表示一个矢量_VSr1来补偿负荷无功功率，用有功功率控制方法表示矢量_VSr2来补偿系统的垂散。因此，对于同时补偿，如图3所示，串联逆变器现在应该提供一个分量，该分量将是_VSr1和_VSr2的矢量和。由此产生的串联逆变器电压_V _ Sr将负载电压大小维持在所需的水平，这样源电压的下降将不会出现在负载端。此外，串联逆变器将继续分担负载无功功率需求。 |
| 为了支持电压暂降条件下所需的有功功率，源提供额外的源电流。UPQC-S的PAC在系统电压膨胀时的相量表示如图4所示。我们用有功功率控制方法表示一个矢量VSr3来补偿系统上的膨胀。同时补偿时，串联逆变器应提供_VSr1组件支持负载无功，_VSr3组件补偿系统膨胀。所产生的串联注入电压_V __ Sr将负载电压幅值维持在期望的水平，同时支持负载无功功率。对于电压膨胀补偿采用有功功率控制方法。 |
UPQC-S控制器 |
| [15]详细介绍了一种基于PAC方法的UPQC控制器。本文讨论了串联逆变器参考信号的产生。请注意，当串联逆变器将负载电压维持在所需水平时，负载所需的无功功率保持不变(假设系统上的负载是恒定的)，而不考虑源电压大小的变化。在不同工况下，功率角δ保持恒定值。因此，串联逆变器和并联逆变器共享的无功功率变化如式(47)和式(54)所示。通过允许功率角δ在电压凹陷/膨胀条件下变化，串联和并联逆变器共享的无功功率可以固定在恒定值。 |
| 串联逆变器运行控制框图如图5所示。瞬时功率角δ由[15]中给出的程序确定。根据系统额定规格，设定所需负载电压值为参考负载电压k，通过实时测量电源电压峰值，计算出各因子kfan和noh的瞬时值。串联注入电压VSr的大小及其相位角Ã Â Sr由式(15)和式(17)确定。锁相环用于同步并产生瞬时时间变量参考信号v Sr, A, v Sr,b, v Sr,c。由此产生的参考信号给出了必要的串联注入电压，该电压将分担负载无功功率，并根据所提出的方法补偿电压凹陷/膨胀。利用实际串联电压和参考串联电压的误差信号，实现UPQC-S串联逆变器的开关操作。 |
仿真结果 |
| 通过仿真，对所提出的负载无功功率和电压跌落/膨胀补偿同时进行的性能进行了评估。为了分析UPQC-S的性能，假设源为纯正弦信号。此外，为了更好地显示结果，负载被认为是高感性的。UPQC端子的供电电压为三相，60hz, 600v(线对线)，最大负载功率需求为15kw + j 15kvar(负载功率因数滞后角为0.707)。所提出的UPQC-S方法在电压跌落和膨胀条件下的仿真结果如图11所示。在时间t1之前，UPQC-S系统处于稳态工作状态，用两台逆变器对负载无功功率进行补偿。 |
| 图6所示。仿真结果:所提出的UPQC-S方法在电压跌落和膨胀条件下的性能。(a)供电电压。(b)负载电压。(c)串联逆变器注入电压。(d)自备直流母线电压。(e)稳态时电源电压与负载电压之间的功率角δ关系增大。(f)供电电流。(g)负载电流。(h)分流逆变器注入电流。 (i) Enlarged power angle δ during voltage sag condition.(j) Enlarged power angle δ during voltage swell condition. |
| 在合成负载和实际源电压之间保持21°的功率角δ。串联逆变器每相分担负载所需的1.96 kVAR(或15 kVAR中的5.8 kVAR)。因此，利用PAC的概念，分流逆变器的无功功率支持从15 kVAR降低到9.2 kVAR，换句话说，分流逆变器的额定功率降低了总负载千伏安额定值的25%。在t1 = 0.6 s时，系统出现了20%的暂降(暂降持续到t = 0.7 s)，在t = 0.7 s到t = 0.8 s期间，系统再次处于稳态。系统膨胀20%，持续时间t2 = 0.8-0.9 s。通过电源、负载和UPQC的有功功率和无功功率流如图6所示。所提议的UPQC-S方法的独特特征概述如下。 |
| 从图6(a)和(b)可以看出，无论源电压幅值的电压凹陷(减小)或膨胀(增大)，负载电压分布都保持在期望的水平。从图6(f)可以看出，在电压跌落/膨胀补偿过程中，为了保持网络中适当的有功功率平衡，源电流在电压跌落时增大，在电压膨胀时减小。 |
| 2)放大结果表明，稳态状态下(图6(e))电源电压与负载电压之间的功率角δ维持在21°。 |
| 3) UPQC-S控制器在两个逆变器之间维持一个自给的直流链路电压[见图6(d)]。 |
| 4)从图(c)和图(d)可以看出，由于源电流增大，串联逆变器在电压跌落状态下提供的无功功率增大。当负载无功功率需求不变时，分流式逆变器提供的无功功率相应减少。另一方面，在电压膨胀条件下，串联逆变器共享的无功功率减小，并联逆变器共享的无功功率增大。如图6(h)所示，分流补偿电流大小的减小和增大也证实了上述事实。虽然串联和并联逆变器共享的无功功率是不同的，但它们的无功功率之和总是等于负载所需的无功功率。 |
| 由此，仿真研究表明，采用UPQC-S的PAC，串联逆变器可以同时补偿负载无功功率和电压跌落/膨胀。并联逆变器通过维持恒定的自支撑直流母线，帮助串联逆变器实现所需的性能。 |
| 表I给出了不同场景下UPQC使用和不使用PAC方法时的功率损耗。功率损耗的计算方法为UPQC相关损耗与总负载功率的比值。表i中还给出了通过并联逆变器和串联逆变器的电流有效值和串联注入电压。最初，我们认为并联逆变器单独支持负载无功功率，假设串联逆变器处于OFF状态。串联注入变压器也发生短路。在此工况下，UPQC分流部分的损耗为额定负载功率的0.74%。在第二种情况下，串联逆变器也被打开。当UPQC的两个逆变器都在运行时，注意到功率损失百分比为1.7%。在此情况下，当UPQC控制为UPQC- s以支持并联和串联逆变器的负载无功功率时，采用PAC方法控制，损耗为1.2%。因此，采用PAC方法的UPQC系统的功率损耗比普通UPQC控制要低。即使串联逆变器由于源电压和负载电压之间的δ移位而同时处理有功功率和无功功率，这也是PAC方法的一个有趣的结果。 One may expect to increase the power loss with the UPQC-S system. The reduction in the power loss is mainly due to the reduction in the shunt inverter rams current from 20.20 A (without PAC approach) to 13.18 A (with PAC approach). Second, the current through the series inverter (which is almost equal to the source current) remains unchanged. Similarly from the Table I, the power losses utilizing the PAC approach, during voltage sag and swell conditions, are observed lower than those without PAC approach. This study thus suggests that the PAC approach may also help to reduce the power loss associated with UPQC system in addition to the previously discussed advantages. The significant advantage of UPQC-S over general UPQC applications is that the shunt inverter rating can be reduced due to reactive power sharing of both the inverters. |
结论 |
| 本文介绍了一种通过UPQC串联逆变器控制复杂功率(同时有功功率和无功功率)的新概念，并将其命名为UPQC- s。对UPQC-S方法提出的概念进行了数学表述，并对电压凹陷和膨胀条件进行了分析。所建立的UPQC-S综合方程可用于估计在电压凹陷和膨胀条件下所需的串联注入电压和分流补偿电流分布(幅度和相位角)以及整体VA负载。仿真和实验研究验证了所提出的UPQC-S串联部分电压跌落/膨胀同时分担负荷无功特性概念的有效性。UPQC- s相对于一般UPQC应用的显著优势是:1)串联逆变器在滞后功率因数时补偿电压变化(凹陷、膨胀等)的多功能能力;直流母线:直流母线电容= 1100μF/ 220v，参考直流母线电压= 150v;UPQC:并联逆变耦合电感= 5mH，并联逆变开关类型=模拟滞后电流控制器，平均开关频率在5 ~ 7 kHz之间，串联逆变耦合电感= 2mH，串联逆变纹波滤波电容= 40μF，串联逆变开关类型=模拟三角载波脉宽调制，固定频率为5 kHz，串联电压注入变压器匝比= 1:3,DSP采样时间= 0μs。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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