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统一电能质量调节器能量优化控制策略研究*

2014-07-05费平平江全元严玉婷

机电工程 2014年5期
关键词:串联并联三相

费平平,江全元*,严玉婷

(1.浙江大学电气工程学院,浙江 杭州 310027;2.深圳供电局有限公司,广东 深圳 518020)

0 引 言

电网中大量非线性负荷、冲击性负荷的不断增加,对电网电能质量的影响日益加重。而随着科技和工业的发展,电力用户对电能质量的要求越来越高。因此,如何提高电网的电能质量问题成为了电力系统研究领域中的一个热点[1-3]。

统一电能质量调节器(UPQC)是一种基于现代电力电子技术的综合电能质量调节装置,它兼顾动态电压恢复器(DVR)和有源滤波器(APF)的功能,既能治理电网电压跌落、三相不平衡、谐波等电能质量问题,又能补偿负载引起的谐波、无功电流等问题[4-6]。现有的UPQC控制策略根据负载电压补偿前、后的相位和直流侧提供的补偿能量的不同,可以分为同相位控制(UPQC_P)[7-8]、纯无功功率补偿控制(UPQC_Q)[9-10]和能量优化控制[11-13]等。同相位控制虽然在实际工程中得到了广泛应用,但是该控制方法的补偿电压与电源电压同相位,只能对电源电压进行幅值的补偿,不能补偿相角变化,仅适用于对相位跳变不敏感的负荷进行电压补偿。纯无功功率补偿控制是通过控制UPQC串联补偿单元输出补偿电压的相位与电网电流相垂直,来达到UPQC仅向电网注入无功功率而不消耗有功功率的目的。然而纯无功功率控制方法受限于UPQC串联补偿单元的电压补偿能力,仅适用于电网电压跌落较小的情况,当电网电压跌落较严重时,该控制方法无法完全补偿电网的电压跌落。文献[11-12]研究了UPQC的能量优化控制方法,但仅针对电网发生三相平衡电压跌落故障的情况,没有考虑电网在三相不平衡电压跌落情况下的能量优化问题。文献[13]研究了三相不平衡电压跌落故障下的UPQC能量优化问题,但仅考虑使UPQC串联补偿单元的有功功率最小,没有综合考虑UPQC串联补偿单元和并联补偿单元总补偿能量的最优化问题。

本研究对三相不平衡电压跌落故障情况下的UPQC能量优化问题进行研究,综合考虑UPQC串联补偿单元电压补偿和并联补偿单元电流补偿所需的总补偿能量;根据UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量图,分析UPQC的最优稳态功率,并依据UPQC主电路总补偿能量最小的原则,对串联补偿单元补偿电压的注入角 θa、θb、θc进行优化。

1 UPQC拓扑结构和工作原理

UPQC的拓扑结构图如图1所示。它主要由一个串联补偿单元和一个并联补偿单元组成,串联补偿单元和并联补偿单元共用一个直流母线电容。

图1 UPQC拓扑结构图

串联补偿单元通过变压器串联在电网和负载之间,主要用来补偿电网电压的谐波、电压跌落和不平衡等问题,保证负载侧的电压质量;并联补偿单元与负载并联连接,主要用来补偿负载侧的电流谐波和无功,保证电网侧的电流质量。UPQC工作时,串联补偿单元可等效为一个受控电压源,而并联补偿单元可等效为一个受控电流源,其等效电路图如图2所示。

图2 UPQC等效电路图

2 UPQC能量优化

电网发生带有相位跳变的三相不平衡电压跌落时的UPQC相量图如图3所示。

图3 三相不平衡电压跌落下的UPQC相量图

电网发生带有相位跳变的三相不平衡电压跌落时的UPQC能量优化即在经UPQC补偿后负载电压保持为额定幅值的三相平衡电压(相位可以和电压跌落前不同)的前提下,使得UPQC串联补偿单元和并联补偿单元消耗的总能量最小。

本研究以UPQC单相相量图来推导电网发生带有相位跳变的三相不平衡电压跌落时UPQC消耗的总能量,UPQC单相相量图如图4所示。

通过UPQC的补偿作用,电网电压跌落前后负载侧的负载电压和负载电流将保持不变,有:

图4 三相不平衡电压跌落下的UPQC单相相量图

UPQC并联补偿单元谐波补偿能量为:

则UPQC总的补偿能量为:S=Ss+Sp。S为 θa、θb、θc的函数,所以UPQC的能量优化可以等价于变量为 θa、θb、θc的函数最优化问题,设 UPQC 串联补偿单元的补偿能力为0.5UL,则该优化问题可表示为:

由式(15)可求得满足UPQC总补偿能量S最小时的 θa、θb、θc,再通过式(5)和式(6)得到 UPQC 串联补偿单元所需提供的补偿电压值,从而实现UPQC的能量优化控制。

对式(15)所示的优化问题,可以通过粒子群算法(PSO)[14]进行求解。本研究为了实现对统一电能质量调节器的在线实时控制,首先通过PSO算法离线计算出300种不同三相不平衡电压跌落故障下的优化结果,再基于这300种优化结果利用Matlab工具箱中的自适应神经模糊推理系统(ANFIS)工具进行数据训练。实际控制中笔者根据三相不平衡电压跌落故障情况和ANFIS数据训练结果得到所需提供的补偿电压值,从而实现对统一电能质量调节器的在线控制。

3 UPQC控制策略

UPQC的控制策略包括串联补偿单元的控制和并联补偿单元的控制两个部分。

3.1 串联补偿单元的控制

UPQC串联补偿单元的控制框图如图5所示,串联补偿单元的控制首先需要检测出电压跌落程度、相位跳变角和负载的功率因数角,再根据上述检测量通过UPQC能量优化模块计算出补偿能量最小时的补偿电压。其中,电网电压每一相的跌落程度和故障发生时相位跳变角的检测计算可以采用可用于单相电路的瞬时电压dq0变换方法[15]。该方法通过基于某一项电压构造出一个虚拟的三相系统,再根据三相电路瞬时无功理论计算出该相电压的幅值和相位跳变角。

图5 串联补偿单元控制框图

3.2 并联补偿单元的控制

UPQC并联补偿单元的控制框图如图6所示,并联补偿单元采用滞环电流控制,滞环电流控制具有控制简单、动态响应快和对负载适应能力强的优点。并联补偿单元的控制包括谐波电流补偿和稳定UPQC直流母线电压两方面。

图6 并联补偿单元控制框图

4 仿真结果

本研究在PSCAD仿真软件中搭建如图1所示的仿真系统。系统的仿真参数为:电网相电压有效值Us=220 V,频率为50 Hz,负载相电流有效值IL=8 A,负载功率因数为0.8;UPQC串联补偿单元滤波电感为0.4475 mH,滤波电容为13.25 μF,并联补偿单元滤波电感为6 mH;UPQC直流母线电容5000μF,直流侧电压1500V。

仿真系统中,0.1 s~0.2 s时设置带有相位跳变的三相不平衡电压跌落故障:a相电压跌落量xa=0.4,相位跳变角 γa= -10°;b相电压跌落量 xb=0.13,相位跳变角 γb=10.05°;c 相电压跌落量 xc=0.04,相位跳变角 γc= -12.16°。

本研究对上述故障条件下的UPQC进行能量优化并计算能量优化下所需的UPQC补偿能量和补偿电压,与采用同相位控制UPQC(UPQC_P)、纯无功功率补偿控制UPQC(UPQC_Q)和文献[13]中UPQC补偿方法时所需的UPQC补偿能量相比较,比较结果如表1所示。由表1可以看出,采用本研究能量优化控制所需的UPQC补偿能量比采用同相位控制(UPQC_P)所需补偿能量少12.34%,比采用文献[13]中的串联补偿单元最小有功功率输出控制所需的补偿能量少3.89%。虽然采用纯无功功率控制时所需的UPQC补偿能量最小,但是此时的a相补偿电压已经超过了UPQC串联补偿单元的补偿能力(110 V),在实际应用中是无法实现的。

表1 三相不平衡电压跌落下UPQC补偿能量比较

UPQC能量优化控制策略下的三相不平衡电压跌落和电流谐波治理仿真结果如图7~10所示。由图7、图8可以看出,采用本研究提出的UPQC能量优化控制策略,通过UPQC串联补偿单元输出能量优化下相对应的补偿电压值,使得负载电压在电网发生三相不平衡电压跌落故障时能够维持为额定的电压幅值,即负载电压不受电网电压跌落故障的影响。由图9、图10可以看出,通过UPQC并联补偿单元的作用,使得电网电流基本不受非线性负载的影响,总谐波畸变率由UPQC补偿前的27.42%降为补偿后的2.26%。

图7 电网电压波形

图8 负载电压波形

图9 负载电流(a相)波形

图10 电网电流波形

5 结束语

本研究提出了一种考虑三相不平衡电压跌落故障的UPQC能量优化控制策略。根据UPQC三相不平衡跌落故障下的基波相量图,笔者分析了UPQC的最优稳态功率,对UPQC串联补偿单元补偿电压的注入角进行了优化,并通过对补偿电压注入角的控制实现UPQC的能量优化控制。

仿真结果验证了本研究提出的能量优化控制策略在解决电能质量问题上的有效性,同时减小了UPQC的补偿容量,提高了补偿装置的经济性。

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