αβ坐标系下统一电能质量调节器直接控制策略的实现

韩 双

(国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050091)



αβ坐标系下统一电能质量调节器直接控制策略的实现

韩 双

(国网河北省电力公司石家庄供电分公司，石家庄 050091)

介绍一种αβ两相静止坐标系下统一电能质量调节器(UPQC)直接控制策略，提出将串联变流器控制成正弦电流源，将并联变流器控制成正弦电压源的控制方案。分析了αβ坐标下两轴变量间无耦合项不需要复杂的解耦控制过程。通过Matlab / Simulink仿真，证明了该控制方案的有效性。

统一电能质量调节器(UPQC)；αβ坐标系；直接控制

统一电能质量调节器(UPQC)是一种综合性电能质量补偿装置，它既可以补偿负载电流中的谐波和无功分量，使电网的输入电流为与电网电压同相位的正弦波，使电网输入功率因数为1；又可以对电网电压的波动和畸变进行补偿，使负载电压为正弦波。

UPQC大多采用间接控制策略，即将串联变流器作为非正弦电压源，补偿电网电压畸变和波动，使负载电压为额定的正弦电压；并联变流器控制为非正弦电流源，用来补偿负载电流中无功和谐波分量，使电网输入电流为正弦电流，并调节直流母线电压稳定。

该间接控制策略中PWM控制器的指令电压和指令电流的高频特性使有源滤波器控制器的设计非常困难。由于PWM控制器精确跟踪非正弦指令信号的能力有限，使UPQC的补偿性能受限。

1 UPQC直接控制策略

图1为三相三线制UPQC拓扑结构示意，它由2个电压源型PWM变流器通过直流母线电容耦合起来，左侧变流器通过补偿变压器Ts串联接入电网与负载之间，变压器变比为1∶1，右侧变流器并联接在负载上。

图1 三相三线制UPQC基本拓扑结构示意

直接控制策略将串联变流器控制为正弦电流源，直接控制电源电流为基波正弦，由于电流源对谐波电压具有很大阻抗，因此电网畸变电压不能传递到负载侧，从而实现电网谐波电压的隔离。将并联变流器控制为正弦电压源，直接控制负载电压为基波正弦，由于电压源对于谐波具有很小的阻抗，因此负载和电网的谐波电流都流入并联变流器，实现负载谐波电流和电网之间的隔离。该控制策略下，PWM变流器的指令信号均为标准正弦信号，有利于控制器的设计，且在电网断电或恢复供电时，不需要进行工作模式的切换，控制系统相对简单。

2 αβ坐标系下UPQC系统数学模型

为了方便UPQC的建模，作如下假设，开关器件均为理想开关；输入滤波电感为理想电感且对称，即电感值大小相等且忽略其内阻； 串联变压器变比为1:1。

根据图1所示拓扑结构建立UPQC低频数学模型，图中以a相为例标出电压电流正方向。

(1)

(2)

式中：k=a、b、c。

直流侧数学模型为：

(3)

要建立两相静止坐标系αβ下数学模型，需经过Clark变换，

(4)

(5)

(6)

(7)

将(6)式带入(1)，(2)式得到UPQC两相静止坐标系αβ下低频数学模型为(8)、(9)式：

(8)

(9)

对于三相三线制系统，三相电压(电流)之间存在耦合关系而相互影响，因此相应的控制规律实际只有两个独立的方程。而若系统为非对称系统，三相电压源不对称，使得中性点之间的电压会影响电流控制。目前，UPQC的解耦控制基本围绕dq旋转坐标变换进行研究[1]。将三相UPQC模型变换到两相同步旋转坐标系dq下进行解耦控制，这类解耦控制的优点是变量的物理概念清晰，但解耦过程较为复杂。由式(8)、(9)可知，该文采用的αβ坐标系下，两轴变量间无耦合项，不需要解耦控制，使控制过程更加简捷。

3 系统控制策略

系统控制策略如图2所示，将串联交流器控制为正弦电流源，提供和电源电压us同步的基波正序电流is，对于非线性负载的谐波呈现高阻抗。相反，并联变流器提供给负载额定的正弦电压，对于非线性负载产生的谐波电流呈现低阻抗。这种方式也可以看作，并联变流器作为负载谐波电流的有源滤波器[2]。

图2 直接控制策略整体控制原理

3.1 指令信号的获取

图3 指令电压与指令电流的获取

(10)

(11)

将(6)、(10)式带入(11)式，则经Clark变换后αβ坐标系下指令电压为：

(12)

3.2 串联变流器的电流控制

根据串联侧数学模型(8)式串联侧电流控制如图4所示。串联变流器实际输出电流经Clark变换得到ucα、icβ，与指令电流信号i*α、i*β做差后经PI调节后得到串联变流器指令补偿电压i*cα、i*cβ，经Clark逆变换后作为串联侧PWM控制的输入。结合图3可以看出，串联变流器的控制实际是双闭环控制。外环为直流侧电压的控制，其目的是维持直流侧电压稳定，内环为电网输入电流控制，使内环电流为基波正弦。

图4 联变流器控制框图

3.3 并联变流器的电压控制

并联变流器的电压控制其根据数学模型(9)式采用图5所示双闭环控制。外环电压环由负载指令基波正弦电压u*α、u*β与负载实际电压uα、uβ做差经PI调节器，从而控制负载电压为指令基波正弦电压[3]，得到并联变流器的指令输出电流i*2。内环电流环i*2与并联变流器实际输出电流i2进行PWM控制，内环控制的目的主要是为了使整个并联变流器控制系统稳定[4]。

3.4 直流侧控制方法

图5 并联变流器控制框图

4 仿真分析

为了验证该文所采用控制策略的有效性，在Matlab/Simulink中构建了拓扑结构的三相三线制UPQC在 坐标下直接控制策略的控制系统仿真模型。仿真中电网电源采用三相可编程电源，非线性负载采用三相二极管全控整流桥串接阻感性负载。

仿真结果参见图6、图7，仿真参数如表1所示。下面分析不同工况下系统的工作情况：

表1 UPQC电路仿真参数

UPQC电路参数数值电网电压有效值Us/V220串联变压器变比N1∶1串联变流器输入电感L1/mH1串联变流器输入电容C1/μF1并联变流器输入电感L2/mH10并联变流器输入电容C2/μF5直流侧电压给定值Udc/V800直流侧滤波电容C/F1000e-4负载电阻R/Ω30负载电感L/mH1

a. 当负载为非线性负载，如二极管整流桥，负载电流含谐波成分，主要含有6k+1次谐波。设置仿真时间为0.1 s，其仿真波形如图6所示。

由图6可以看出，当非线性负载引起负载电流谐波时，UPQC将电网输入电流补偿为近似基波正弦电流，图6(c)可以看出，该控制策略下直流侧电压也基本稳定。

(a) 负载电流波形

(b) 电源电流波形

(c) 直流侧电容电压

b. 电网电压发生波动时的情况。为模拟电压畸变，在t=0.06～0.1 s电网电压跌落20%，t=0.18～0.22 s电网电压上升20%。其运行情况如图7所示。

(a) 电源电压波形

(b) 负载电压波形

(c) 直流侧电压波形

由图7可以看出电网电压发生跌落和上升时，UPQC能较好地将负载电压补偿到与电网电压基波同相的正弦波；由图7(c)可以看出，电网电压发生波动的时刻，直流侧电压也会发生较小的波动，以实现交流侧和直流侧的功率传递。

5 结论

该文在对三相三线制UPQC数学模型深入分析的基础上，提出一种在αβ坐标系下的直接控制策略。该控制策略优势有：PWM变流器的指令信号均为基波正弦信号，有利于控制器的设计；采用αβ坐标与dq坐标系下直接控制策略相比，避免了复杂的交叉解耦过程，运算和控制简单；采用直接控制策略，将串联变流器控制成正弦电流源，并联变流器控制成正弦电压源，在电网断电或恢复供电时，不需要进行工作模式的切换，控制系统相对简单。仿真结果表明了该控制策略能有效的补偿电网电压的跌落和上升等电压质量问题，负载电流谐波等电流质量问题。

[1] 朱鹏程,李 勋,康 永，等. 统一电能质量调节器控制策略研究[J].中国电机工程学报, 2004,24(8):67-73.

[2] 王广柱. 有源电力滤波器谐波及无功电流检测的不必要性(一)[J].中国电机工程学报, 2007,22(1):137-141.

[3] 周海亮. 统一电能质量调节器检测与补偿控制策略研究[D].天津：天津大学，2012.

[4] Aredes, M. and Fernandes, R.M. “A unified power quality conditioner with voltage SAG/SWELL compensation capability”. Brazilian Power Electronics Conference, 2009. COBEP '09.

本文责任编辑：罗晓晓

Implementation of Direct Control Strategy Based on αβ Phases Stationary Coordinate for Unified Power Quality Conditioner

Han Shuang

(State Grid Hebei Electric Power Corporation Shijiazhuang Power Supply Branch，Shijiazhuang 050091，China)

A direct control strategy based onαβtwo phases stationary coordinate for Unified Power Quality Conditioner (UPQC) is proposed.The control scheme is simple and intuitive by contolling the series convertor as a sinusoidal current source and the parallel convertor as a sinusoidal voltage source. In theαβcoordinate system,there's no coupling term between different coordinate variables,so that the contol process is forthright without complex decoupling control.At last,the control scheme proposes effective by the results of simulation of MATLAB/Simulink.

Unified Power Quality Conditioner (UPQC);αβcoordinate; direct control

2017-01-12

韩 双(1988-)，女，工程师，主要从事变电运维工作。

TM711

B

1001-9898(2017)03-0027-04