使用统一的电能质量调节器提高电压和电流控制技术

Charanjeet马丹¹，普尼特·帕胡亚¹查鲁·杰恩²

印度索尼帕特印度工程学院电子工程系助理教授
印度索尼帕特印度工程学院电气工程系PG学生[电力系统]

摘要

本文介绍了统一电能质量调节器(UPQC)的设计过程，包括串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器、直流减谐波环节。重点介绍了UPQC的控制系统，减少了电压和电流同时存在的问题。工业和敏感负荷会引起各种类型的电能质量问题。统一电能质量调节器主要在配电层面提高电能质量。UPQC可以有效地解决配电系统中的电压凹陷、电压膨胀和电流畸变问题。此外，还引入了一种综合控制策略来提取补偿信号，用于串并联有源滤波器的控制。利用MATLAB/ SIMULINK在电力系统块集中对所提出的控制方案进行了仿真。

关键字

有源电力滤波器(APF)，谐波补偿，电能质量，统一电能质量调节器(UPQC)，定制电力设备。

介绍

电能质量测量中要考虑的重要因素是有功功率、无功功率、电压和电流的变化、闪烁、谐波和开关操作[1]的电气行为。根据IEEE标准对电能质量的定义，“电能质量是对敏感设备的供电和接地的概念，该概念适合于该设备的运行。”电气系统中的严重问题是工业和居民使用的设备的电子元件数量不断增加，非线性负载的使用越来越多，这是电压、电流和谐波问题增加的主要原因。

近年来，电力电子器件的发展得到了引领，实现了适用于电力系统[8]的电子设备。这些类型的设备在以下方面具有很大的灵活性:a)使用灵活的交流传输系统(FACTS)设备控制传输系统中的潮流，b)使用自定义功率设备[10][11]提高配电系统中的电能质量。谐波电流分量会产生以下几个问题

1.电力系统损耗增加，

2.变压器、旋转机械、导体和电缆中的过热和绝缘子故障，

3.无功负荷，

4.系统效率低，

5.功率因数差，

6.系统不平衡，导致中性电流过大，

7.保护继电器故障，跳闸不及时。

其中一种有效的方法是在共耦点(PCC)使用UPQC来保护敏感负载。它是并联型和串联型有源滤波器的组合，共用一个直流链路，如图1[2]所示。它是唯一的多功能设备，可以很容易地减轻与电压和电流同时相关的许多电能质量问题。它还可以补偿电压谐波、电压不平衡、电压闪烁、电压起伏、电流谐波、无功电流、电流不平衡等几乎所有的电能质量问题，也可以用来防止谐波负载电流进入电力系统[3]。

UPQC由两个基于IGBT的电压源转换器(VSC)，一个并联有源滤波器和一个串联有源滤波器组成，通过一个公共直流链路级联。并联型有源滤波器为负载提供无功支持，并提供谐波电流以防止其进入电力系统。当电源电压经历跌落，串联APF注入合适的电压与电源，可以补偿所有电压相关的问题，如电压谐波，电压膨胀，闪烁等[2][7]。因此，UPQC通过防止负载电流谐波和校正输入功率因数来改善电能质量。

upqc控制策略

UPQC的控制系统由并联型APF控制器和串联型APF控制器组成。并联型有源滤波器控制器测量负载电压、电容电压、负载电流和注入电流。并联型有源滤波器的控制算法对测量值进行处理，得到所需的补偿信号[8]。然后在滞环控制器中比较这些信号，并生成所需的门信号。串联APF控制器测量电源电压以产生所需的补偿和凹陷/膨胀检测信号。然后在PWM控制器中比较这些信号，并生成所需的门信号。

A.并联型有源滤波器的控制算法

本文提出了一种简单有效的控制算法，供电流产生参考。它呈现了一些有趣的特征[9]，即:

1.这是一个三相系统理论。

2.它是基于瞬时值，允许优秀的动态响应。

3.它的计算相对简单(它只包含可以使用标准处理器实现的代数表达式)。

4.它允许两种控制策略:恒定瞬时电源和正弦电源电流。

并联型有源滤波器控制系统如图2所示。给控制系统的输入是三相负载电压、负载电流、直流电容电压和注入电流。电容电压采用离散PI控制器控制。控制系统的输出为参考电流(Ia, Ib和Ic)。将得到的误差信号与滞环控制器进行比较，并为IGBT开关生成所需的门信号。

1)参考电流产生:采用反馈方式控制自持式直流母线，这是非常重要的。该方法由控制电容器电压到参考值[4]组成。为了实现这一点，选用PI控制器来控制参考值和电容电压值之间的误差。结果出来的电力补偿损失。该值修改当前补偿[12]中出现的无功功率。

2)磁滞电流控制器:磁滞电流控制的基本原理是基于注入电流(I inj.)和APF参考电流(I ref.)之间的误差信号，产生适当的控制信号。磁滞带电流控制器决定有源滤波器[3]的开关方式。在参考电流的上面和下面都有带。当误差达到上限时，电流被迫减小。当误差达到下限时，电流被迫增大。

滞后控制器相对于其他类型的控制器设计的非线性控制技术的APF应用的一些显著优势如下:

1.功率逆变器的开关性能可以在设计阶段直接考虑。

2.对负载参数变化的鲁棒性得到了证明。

3.实现了几乎静态响应(动态响应明显受到直流链路电压和实际开关频率的限制)。

4.根据控制器输入输出变量的布尔性质，可以实现基于逻辑设备的简单硬件实现。

B.串联有源滤波器的控制算法

串联型有源滤波器的控制系统执行电压测量、凹陷/膨胀检测、基准电压提取和栅极信号生成。本文提出了简便有效的电压跌落检测和基准电压产生控制算法。算法是基于非线性自适应滤波器[5]。该滤波器还具有峰值检测和信号分解的功能。该滤波器可用作锁相环。它的性能不受噪声和外部畸变影响，其响应的精度和速度是可控的，其结构简单提供了主要优势串联有源滤波器控制包括基准电压产生和凹陷/膨胀检测计算[13]。

从V-PLL中获得所需的补偿信号Verr，该信号用于检测电压下降/膨胀。串联有源电力滤波器的控制策略需要对电源电压进行测量。

E-PLL从输入中提取并直接提供以下信息[5-6]。

1.该信号的基本正弦分量与输入同步，平滑且无噪声。

2.输入的基本分量的振幅根据负载而变化。

3.输入相位基本分量的相位角可以调节为其常数。

当电源电压在标称运行值内时，串联APF处于off模式(待机)。当电源电压偏离其标称运行值时，串联有源滤波器进入on模式。该方法注入的能量最小，开关损耗减小。

upqc的仿真研究

研究了统一电能质量调节器对非线性负荷配电网电能质量改善的作用。

A.非线性载荷

如果负载的阻抗随外加电压的变化而变化，则认为负载是非线性的。变化的阻抗意味着即使给负载的电源是正弦电压电源，非线性负载所吸取的电流也不一定是正弦的。非正弦电流包含谐波电流，可以与配电系统的阻抗相互作用，产生电压失真。失真可以影响配电系统设备和连接到它的负载。谐波问题现在不仅在工业领域，而且在商业建筑中也很常见。

B.测试系统参数

采用离散PI控制器和非线性负载的UPQC仿真模型如图4所示。试验系统系统参数如表1所示。

C.提出的UPQC模型

对非线性负载施加理想的三相正弦电源电压，向系统注入电流和电压谐波。为了获得最佳性能，UPQC设置在输电线路的两段源和非线性负荷之间。UPQC由串联有源滤波器和并联有源滤波器组成。图4显示了由串联有源滤波器和并联有源滤波器组合组成的通用统一电能质量调节器的基本系统配置。本文UPQC的Matlab/Simulink模型如图4所示。模型主要分为三个部分:

1.直流链路调节器

2.串联式有源电力滤波器

3.并联型有源电力滤波器

结果和讨论

在Matlab / Simulink下对该UPQC的性能进行了评估。在正常情况下，三相电压和电流是正弦的，但当我们使用非线性负载时，它会产生高失真水平的谐波。UPQC有望补偿非线性负载(二极管整流器输入RL负载)产生的谐波，消除电压下降，并在PCC提供无功功率补偿。实验结果验证了UPQC的有效性。并联型APF产生负载电流的谐波含量，但具有相反的极性，当它们注入到公共耦合点时，电源电流的谐波含量有效地降低，并且通过使用离散PI控制器，这个降低值保持不变。

补偿后三相负载电压如图5(a)所示。图5(b)为补偿负载电压时的总谐波失真(THD)水平。结果表明，采用离散PI控制器后，负载电压畸变由8.78%降低到0.29%。图6(a)为补偿前三相负载电流，图6(b)为未补偿负载电流的THD电平。图9(a)为补偿后三相源电流。图9(b)为补偿后源电流的THD电平。补偿后，源电流与源电压成正弦相位;因此，无功功率和谐波都是同时补偿的。UPQC加入配电网后，可防止其他线性负荷的失真。采用离散PI控制器补偿后，负载电流的THD由图6(b)的30.56%降低到图7(b)的3.11%。 UPQC also prevents the harmonic currents from entering into the power system as well as their distortion level as shown in simulated results of load current and source current after compensation. Before harmonic compensation, the THD of the supply current is 28.42% and after the harmonic compensation, it is reduced to .01% which complies with the IEEE 519 harmonic standards.

以R-L负载为非线性负载的三相二极管桥式整流器接入交流电源，验证了UPQC的有效性。非线性负荷产生的谐波以低阶5、7、11、13次谐波为主。并联型有源滤波器控制器精确地提取了负载电流谐波，并将所需的补偿电流注入系统，降低了供电电流的THD电平。长输电线路的功率传输能力通常受到其热性能的限制。当有源滤波器处于补偿模式时，采用离散PI控制器对直流链路电容电压进行补偿。当系统中没有电压跌落时，串联有源滤波器处于off模式。在这种模式下，分流型有源滤波器消除了负载电流谐波，使PCC处的电源电流几乎保持正弦。仿真结果验证了理论分析和系统设计的正确性。

结论

在本文中，UPQC的主要目标是降低配电网在非线性和敏感负荷情况下的谐波失真水平，并改善系统的电能质量。由于其可靠性高，被作为电压电流补偿的最优方案。利用MATLAB/SIMULINK进行了广泛的仿真研究，采用了离散比例积分控制器进行控制。统一电能质量调理器能够在电网与产生非线性负荷的谐波相连的情况下降低THD水平。此外，我们还可以用风能代替三相电源，并进行模拟。该系统可提高配电系统安装点的电能质量。与不采用UPQC的系统相比，采用离散PI控制器的UPQC系统在电能质量方面取得了明显的改善。

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