自适应电压控制器在UPQC 直流侧的仿真应用

李晓莉，李 强，张蕊萍*

(1.兰州交通大学自动化与电气学院，兰州730070;2.中铁21 局电务电化公司，兰州730030)

目前，统一电能质量控制器(UPQC)被广泛应用于针对非线性负载和大功率电力电子设备对供电系统产生的大量高次谐波、电力系统电压和电流畸变等电能质量问题。统一电能质量控制器可简化为一个由两个背靠背通过直流侧连接的电压源逆变器组成的功率调节装置［1］，而其直流侧采用直流电容器来等效直流电源。直流侧电压的控制水平直接影响UPQC 串并联单元的电压和电流补偿效果［2］。直流电容补偿负载变化导致主电路与负载间的功率差［3］，为了维持直流电容器电压的稳定，将直流侧电压实际值与参考值间的偏差作为PI 控制器的输入，向主电路释放或吸收电流来抑制直流侧电压的波动，使其维持在参考值附近。在此基础上提出了一种自适应电压控制器，根据电路的不同状态来调整控制器的参数使其能实时跟踪直流电压变化。仿真结果显示采用此电压控制器具有较好的动态性能和更好的直流侧电压波形。

1 直流侧电压控制原理

在负载与UPQC 连接/断开及电源电压发生跌落/上升的瞬间，通过直流电容器的电压平均值Vdc偏离它的参考值Vdc·ref。直流环节电压偏差的严重性取决于电源电压跌落/上升的程度、与UPQC 连接/断开的负载的大小、直流侧电容器的容量以及直流侧电压控制器的参数。在Vdc＜0.785 4Vdc·ref时串联逆变器的输出电压基波分量的大小低于Vdc·ref/2，故必须通过一些措施使直流侧电压限制在21. 46%Vdc·ref［4］。此外，直流暂态过电压必须限制在合理的数值。通过恰当的设置直流侧电压控制器可以减少直流侧暂态偏差，而不是采取增加直流电容容量。

直流侧电压控制通过调节并联逆变器到直流侧电容器间的微小电流来实现。这个微小电流是通过改变参考电流基波分量的实际幅值来调整的。PI控制器常被用于通过直流电容器的平均电压与参考电压间的误差来确定补偿电流的幅值［1－2］，且PI 控制器有助于在跟踪参考信号实现零稳态误差。直流侧电压控制环节如图1 所示。直流侧电压控制环节的输出(ΔIreal)是参考电流基波分量的幅值，用来补偿传输损耗和开关损耗，从而保证直流侧电压恒定。

图1 直流侧电压控制单元

有功/无功电流注入可能导致直流侧电压波动，为滤除此波动通常使用一个低通滤波器(LPF)，但它引入了一个有限的延迟。因直流侧电压波动的频率应低于50 Hz，故低通滤波器的截止频率不应超过50 Hz，否则，LPF 不能滤除波动且ΔIreal将包含交流分量，反过来会导致电源电压失真。另一方面，LPF 的截止频率越低，直流侧电压的稳定时间就越长，直流侧电压偏差会更大。

图2 直流侧电压波形

将直流侧电压控制单元装入UPQC 仿真模型分别得到直流侧电压的两种形式，如图2 所示。第1种情形(图2(a))LPF 的截止频率为50 Hz，PI 控制器的参数为kp=0.2 A/V，ki=2.8 A/(V·rad)。第2种情形(图2(b))LPF 的截止频率为300 Hz，PI 控制器的参数为kp=0.6 A/V，ki=17.2 A/(V·rad)［4］。在2 s 时，负载接入UPQC，在3.5 s 时断开。这种连接/断开负载导致直流侧电压暂态偏差。从图2 中可看出，当LPF 的截止频率为50 Hz 时直流侧电压偏差较大，而使用一个截止频率为300 Hz 的LPF 可大大减少直流侧电压偏差。

图3 是电源电流在上述两种情况下的稳态值。从图中可看到，当使用LPF 的截止频率为300 Hz时，电源电流畸变，而使用截止频率为50 Hz 的LPF时，不会出现这种失真。每横格单位为0.01 s，电流单位为A。

图3 电源电压波形

2 自适应电压控制器

综合上述可得出以下结论，使用截止频率为50 Hz 的LPF 能使系统具有良好的稳态性能，但动态响应较慢(直流侧电压偏差大且恢复缓慢)，而使用截止频率为300 Hz 的LPF 将产生更好的动态响应但系统的稳态性能不能令人满意。因此，截止频率为50 Hz 的LPF 适用于稳态运行，而在暂态时使用截止频率为300 Hz 的LPF 是可取的。为了在稳态和暂态时都有较好的系统性能，应使用自适应直流侧电压控制器。该控制器的框图如图4。

图4 自适应电压控制器

在稳态运行时，LPF 的截止频率为50 Hz，相应的PI 控制器的参数为k50p，k50i。暂态时，LPF 的截止频率为300 Hz，相应的PI 控制器的参数为k3p00，k3i00。一段时间后，暂态消失，控制器回到稳态参数(LPF截止频率为50 Hz，k5p0，k5i0)运行，各状态的PI 控制器参数如表1 所示。因此，LPF 的截止频率和PI 控制器的参数会根据系统的运行模式自动调整。PI控制器参数应当首先利用Ziegler－Nichols 调整规则计算，然后通过模拟提纯。

表1 稳态和暂态时的状态参数

通常当直流侧电压偏差大于正常稳态偏差时被认为是暂态阶段的起点［6－7］。例如，一个系统的Vdc·ref=400 V，正常稳态偏差可高达15 V。如果出现|Vdc－Vdc·ref|＞15 V，则直流电压控制器开始切换到暂态参数。当|V50dc·av－Vdc·ref|小于某阀值时，可认为暂态消失。此阀值接近于零且它的值反映了系统的精度。在这里V50dc·av是LPF 截止频率为50 Hz 的直流侧平均电压。图5 显示的是用于确定系统是否处于稳态或暂态的控制模块。

图5 判定系统状态的控制单元

将上述提出的自适应控制策略载入在UPQC 仿真模型中，仿真结果如下所示。图6(a)显示使用自适应直流侧电压控制器的直流侧电压。通过负载与UPQC 的连接或断开和电源侧50%的电压跌落造成最严重的扰动［5］。在2 s 时负载连接到UPQC 且在3.5 s 断开，导致直流侧电压的瞬时偏差。

从图6(a)中可看出最大直流侧电压偏差约为30 V(直流侧参考电压的7.5%)。直流侧电压偏差限制在21.46%［8－10］，而现在的直流侧电压偏差远低于极限。比较图6(a)和图2(a)可得出结论:利用提出的自适应控制器使直流侧电压偏差在暂态时大大减少(从50%到7.5%)。

图6(b)是使用自适应直流侧电压控制器的电源电流。暂态从2 s 持续到2.54 s，在此期间的LPF截止频率为300 Hz 且电源电流畸变(幅值大小)，这种畸变只持续了0.54 s。在2.54 s，该控制器切换到稳态参数运行，从此刻起电流不在畸变。因此，采用自适应控制策略在稳态和暂态时都能令人满意。

图6 自适应控制下的直流侧电压和电源电流

3 仿真结果

为使UPQC 在稳态和暂态条件下都能获得更好的性能，将改进的串联逆变器脉宽调制法［11］与自适应电压控制器结合在一起应用，其仿真结果如图所示。设在2 s 时负载连接到UPQC 且在3.5 s 断开，整个仿真过程有50%的电压跌落，电源相电压的额定值230 V，直流侧参考电压设为400 V，直流侧电容容量为2 000 μF，负载采用电压源型电路，其有功功率为5 kW。在约2.003 s，直流侧电压低于阀值385 V，直流侧电压控制器切换到暂态运行模式。在2.525 s，直流侧电压偏差低于阀值(0.1 V)，直流侧电压控制器切换到稳态运行模式。类似的在3.503 5 s 和3.808 9 s 分别切换到暂态和稳态运行模式。由于直流侧电压偏差小于50 V(12.5%)，故直流侧电容电压等级只需比直流侧电压(400 V)高12. 5%。此外，由于直流侧电压不低于0.785 4Vdc·ref，不再需要串联逆变器工作在非线性模式来注入所需电压。

由于将改进的串联逆变器脉宽调制法与自适应电压控制器联合使用，注入电压(图7(a))和负载电压已大大改善。现在，无论是在稳态还是在暂态，串联变换器的注入电压都满足要求(115 V)。从图7(b)中可看出，在整个仿真过程中，负载电压的大小可看出是恒定的。因此，使用所提出的控制策略可使负载电压在暂态无偏差。

图7 注入电压和负载电压

4 结论

当负载与UPQC 连接或断开或者电源侧发生电压跌落或上升时，UPQC 的直流侧电压都经历了一个偏离参考电压的暂态过程。这个直流侧电压偏差造成串联补偿器的注入电压偏差，反过来影响负载电压［12］。为了克服这个问题，提出和验证了利用自适应电压控制器控制直流侧电压的控制策略。

自适应直流侧电压控制器是为了在稳态和暂态时都能获得更好的系统性能而提出的。在稳态运行期间，LPF 截止频率为50 Hz 且使用相应的PI 控制器参数;在暂态运行期间，LPF 截止频率为300 Hz 且使用相应的PI 控制器参数。此补偿策略用DSP 很容易实现。此控制策略的有效性已通过仿真模拟被证明。

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