統一電能質量控制器

統一電能質量控制器是一種由一個並聯有源電力濾波器(shunt Active power Filter)和一個串聯有源電力濾波器(Series Active Power Filter)通過公共的直流母線組合到一起的電能質量調節裝置。可以同時使幾種電能質量功能得到改善。在目前的UPQC控制策略中,一般的做法是將串聯電力有源濾波器控制為電壓源來補償電網基波電壓和諧波電壓,而並聯有源電力濾波器則被控制為電流源來吸收負載諧波電流並調節UPQC的直流母線電壓. 通過多目標協調控制可以實現如下多重功能:①電壓控制(電壓跌落、電壓畸變補償等)，②有功、無功動態調節，③有源濾波，④平衡化補償，⑤不間斷供電，⑥儲能。

基本介紹

• 中文名：統一電能質量控制器
• 外文名：Unified PowerQuality Conditioner UQPC
• 提出時間：1998年
• 提出者：日本學者Akgai
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

隨著信息產業、高新技術產業的飛速發展以及傳統行業採用計算機管理和先進控制技術的套用，電力用戶中，對電能質量敏感的負荷所占比重越來越大，現代數字信息社會對供電可靠性及個性化電能質量的需求有了更高要求。這就意味著信息社會不僅依賴於電力，而且更需要新的特殊性的電力供應。這種要求首先在經濟已開發國家受到關注。美國電力科學研究院(EPRI)的Narain G. Hingorani博士於1988年首先提出了“Custom Power'，的新概念及其新技術，1996年日本北海道大學和茨城大學共同提出了FRIENDS供電技術新概念並將電能質量分成3個等級。這實質就是將計算機技術、現代控制理論和現代電力電子技術套用於配電系統，構成能夠提供優質電力和其它不同質量電力的配電系統以適應不同用戶的不同要求，稱其為柔性配電系統。這是信息社會和電力市場發展對電能質量的新要求，也正是下一代配電系統的發展方向。因此，對柔性配電新技術中的關鍵設備—統一電能質量控制器UPQC (Unified Power Quality Controller)的研究有著非常重要的意義。

UPQC的工作原理

UPQC綜合了串、並聯補償裝置的特點，具有對電壓、電流統一補償的功能，其核心部分為兩個PWM變流器和一個儲能單元。其中PAPF用於補償整流電路直流側為感性負載電路產生的諧波，其自身表現出電流源的特性，相當於一個諧波電流注入裝置，它跟蹤電流中的諧波分量，產生與諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而抑制非線性負荷產生的諧波，將電源側電流補償為近似正弦波，同時還可補償無功，調節直流側電容兩端的電壓，為串聯部分提供有功功率及電壓支撐。SAPF電路拓撲結構對偶於PAPF，用於補償容性負載產生的諧波，其自身表現出電壓源的特性，相當於一個諧波電壓注入裝置，在串聯變壓器上產生與畸變電壓大小相等、方向相反的補償電壓來抵消電壓源中的各種畸變分量，從而提高電源側的電能質量。

UPQC的功能

用戶電力(Custom Power)新技術主要是指利用GTO, IGBT, IGCT等大功率電力電子器件組成控制設備，向用戶提供增值的、高可靠的、高質量的電力，提高供電可靠性(減少斷電次數等)，保證功率流質量。這些設備包括:有源電力濾波器APF、靜止無功發生器STATCOM、靜止無功補償器SVC、動態電壓恢復器DVR、動態不間斷電源DUPS、蓄電池儲能系統BESS和固態斷路器SSB等。集以上串聯型和並聯型裝置的多重功能於一體的統一電能質量控制器UPQC是研究的熱點。統一電能質量控制器UPQC與統一潮流控制器UPFC具有相似的拓撲電路結構，其並聯部分具有STATCOM, APF等功能，其串聯部分具有DVR, DUPS等功能，通過多目標協調控制實現如下多重功能:①電壓控制(電壓跌落、電壓畸變補償等)，②有功、無功動態調節，③有源濾波，④平衡化補償，⑤不間斷供電，⑥儲能。

UPQC主迴路的配置

圖1給出了UPQC主迴路的一種典型配置圖。根據配電網的實際情況，負荷母線處A點電壓不能滿足B點處敏感負荷的電壓要求，所以通過UPQC的串聯補償單元換流橋1使B點處電壓達到敏感負荷的要求:同時由於此敏感負荷為非線性、非對稱負荷，所以又通過UPQC的並聯補償單元換流橋2來補償無功、諧波、負序分量;利用換流橋3可對由超級電容器或蓄電池組等組成的直流儲能系統進行儲能;在負荷高峰時直流儲能系統又可通過換流橋2對負荷提供有功支持;電源斷電時直流儲能系統又可通過換流橋1對負荷提供UPS功能，同時換流橋2提供補償無功、諧波等功能，這樣可使各換流橋的容量分配合理，不致使某一個換流橋的容量選擇過大。因此，需要根據實際情況來合理確定UPQC不同的主迴路拓撲結構和不同的補償控制策略，使UPQC中的關鍵單元—各換流橋的功能和容量分配合理，降低UPQC的整體造價，並使其功能得到充分發揮。另外，UPQC可與TSC靜止型動態無功補償裝置、無源電力濾波器等配合使用，以減小UPQC的容量，降低成本，使用戶更容易接受。

UPQC的控制方案

由於UPQC系統在功能上的多樣性決定了其在控制上的複雜性，對兩個變換器的實時協調控制可以實現最優的控制效果。通常，電網電壓的波動是不可控制的;負載電流(特別是無功電流和諧波電流)與負載的性質有關，也是不可控的，那么可控制的就只有電網電流和負載電壓。從這兩個方面考慮，一般可以將UPQC雙側變換器的控制分成兩種，一種是控制成電壓源，一種是控制成電流源。因此，電壓源和電流源的不同組合產生了間接控制方案和直接控制方案。

間接控制

間接控制方案是目前UPQC控制方案中比較常見的一種。其方法是將串聯變換器控制成非正弦的電壓源，以補償電網基波電壓和諧波電壓;將並聯變換器控制成非正弦的電流源，來補償負載的無功和諧波電流並調節直流母線電壓。

通過這樣的補償策略，負載端的電壓則是額定正弦電壓，並且電網電流也是與電網基波電壓同相的正弦電流。對電網而言，就好像給一個純阻性負載供電一樣。對於串聯變換器的控制指令就是電網的實時電壓與標準額定電壓之間的偏差量(Delta ) ;並聯變換器的控制指令則是負載的無功電流和諧波電流之和。可以試想，如果並聯變換器完全補償了負載的無功和諧波電流，那么負載的有功電流將自動由網提供，實現單位功率因數。電網的實時變差量是可以直接檢測的，但是無功和諧波電流無法直接物理檢測，只有通過控制器計算得來。目前的做法是在兩相同步旋轉坐標系下通過低通濾波器(LPF)和高通濾波器(HPF)來獲得基波和諧波分量，但由於多個濾波器的引入又會引起相位滯後問題，這種做法在三相系統中較為常見。在單相系統中則需建立一套新的檢測和計算方法來滿足控制的快速性和精度要求，目前可見到的方法有自適應濾波、神經網路、卡爾曼濾波器和數學形態法等，這些方法將在實際套用中得以驗證優劣。

直接控制

直接控制方案是近幾年提出的控制策略，直接控制電網電流和負載電壓，不再是補償Delta電參量，在原有波形上進行修補。在這種控制策略中，串聯變換器控制為正弦電流源以使輸入電流為正弦，而並聯變換器則被控制為正弦電壓源，使負載電壓為標準正弦值。由於電壓源對於諧波來說具有很小的阻抗，因此負載的諧波電流從並聯變換器中提取。串聯變換器被控制成正弦電流源，且要求網側的功率因數為1,負載從電網中只能吸取有功電流，那么負載的無功電流只能從並聯變換器中汲取;由於電流源對於諧波有很大的阻抗，因此電網的諧波電壓將被串聯變壓器隔斷，而不會影響負載電壓。在直接控制方案下，串聯變流器隔離了電網與負載端的電壓擾動，而並聯變流器隔離了負載無功功率、負載諧波電流進入電網。採用直接控制策略，還有一個優點就是在電網掉電或恢復供電時，不存在工作模式的切換，因為並聯變流器始終受控為正弦電壓源。但是，這種控制策略適用於三相系統中，如果在單相系統中套用就必須有直流側儲能裝置，否則直流電壓將無法控制。為了維持直流側儲能裝置電壓(能量)穩定，有學者專門增加一套整流裝置為其提供能量。

串聯變換器控制成正弦電流源的有功電流指令不可能直接檢測，只能通過其他參數計算得來，而計算的精度和快速性，則關係著整個系統的控制性能，所以對硬體的檢測和程式計算效率提出了較高的要求。關於有功電流的計算方法和間接控制中的無功和諧波電流計算的方法一致。並聯變換器控制成電壓源的電壓指令可以直接給定。

雙電流源控制

不論是間接控制方案還是直接控制方案都是電壓源與電流源並聯的控制方式，只是正弦和非正弦之分。而電壓源和電壓源並聯的形式是不予考慮的，所以本文在前兩種方法的基礎上，從負載需要的額定功率(有功功率、無功功率和諧波功率)出發，提出另一種電流源和電流源並聯的控制方式，即雙電流源控制方案。