储能型统一电能质量调节器电压补偿能力分析及提升方法

张震霄，年 珩，李 培，马智泉

（1. 浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027；2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江省杭州市 310014）

0 引言

可再生能源在电网中比例的不断增加和大量电力电子设备的接入使得电网产生电压闪变、电压暂升、电压暂降以及谐波等电能质量问题［1-2］，而一些敏感设备如大型计算机、医疗器械、精密生产设备等，遇到短时电压幅值跌落故障等电能质量问题时可能导致设备停止工作甚至损坏，造成经济损失［3］。统一电能质量调节器（unified power quality conditioner，UPQC）由一对背靠背换流器组成，其中一侧换流器经过变压器串联接入电网，为串联侧单元，另一侧则作为并联侧单元接入。UPQC 能对电网末端敏感负荷的电能质量问题进行综合治理，集合了动态电压恢复、无功补偿、电压和电流谐波抑制等多种功能［4-5］。

为了实现对电能质量的综合治理，目前UPQC系统的控制方法主要为“电压源+电流源”的协同控制模式［6-7］，其中，串联侧采用电压源控制模式实现电网电压跌落补偿以及谐波电压的治理［8］，而并联侧采用电流源控制模式，基于比例-谐振控制实现对谐波电流的治理［9-10］，并通过输出无功功率对电网进行支撑［11］。由于UPQC 系统串联侧只有在电网电压出现暂升、暂降或谐波电压时开始工作，不参与负载无功功率的补偿［12］，串联侧换流器设计容量低于并联侧容量。否则，会造成串联侧换流器与变压器长期处于轻载或接近空载的状态，造成不必要的浪费。但是当电压发生跌落且跌落深度超出串联侧电压调节范围时，UPQC 系统受到容量传输的限制，无法实现对跌落电压的全额补偿，影响了负荷供电质量。为了进一步提升UPQC 电压补偿能力，可通过UPQC 并联侧换流器对电网进行无功补偿，文献［13］通过输出无功补偿，实现对电网电压的调节。后面有研究进一步通过U-I下垂控制实现了孤网条件下通过并网逆变器接入电网实现电网电压的无差调节［14］。

通过并联侧换流器参与负荷电压补偿的协同控制，在保持容量配置不变的条件下提升了UPQC 系统对负荷电压的补偿能力。而储能电池的接入取代了电容成为新的能量存储单元，进一步提升了UPQC 系统对电网的支撑性能［15］。储能的接入能够实现UPQC 系统串、并联侧换流器间有功功率控制的解耦，使得并联侧可以进行有功、无功功率的双向控制，从而提升系统补偿性能，有利于UPQC 系统的容量配置从而提升经济性。但由于储能型UPQC 系统并联侧的功率补偿与串联侧的电压补偿对负荷电压的综合影响机制尚不清晰，并联侧的功率输出对串联侧的电压补偿既能起到提升作用，也能起到削弱作用，还没有文献对串联侧与并联侧协同电压补偿方法展开深入研究。因此，并联侧参与电压补偿对储能型UPQC 电压补偿能力的提升有待深入研究与分析。

针对UPQC 电压补偿能力提升问题，本文建立了计及并联侧功率耦合影响和串并联侧容量配置因素的储能型UPQC 电压补偿能力数学模型，分析了并联侧功率控制对电压补偿能力的影响规律。进一步研究了基于串联侧和并联侧协同的储能型UPQC电压补偿控制策略，对并联侧功率指令进行改进分配，实现电压补偿能力的提升。最后，在RSCAD 仿真平台搭建了储能型UPQC 的仿真模型并进行了仿真验证，验证了所提方法的有效性。

1 储能型UPQC 电压补偿能力分析

储能型UPQC 的拓扑结构见附录A 图A1，系统接在交流电网与负荷之间，其中系统串联侧靠近交流电网，另一端并联侧靠近负荷，储能单元采用集中式直接并联接入的方式接入UPQC 直流母线处。包含串并联侧结构的UPQC 能够独立完成的电能质量补偿功能包括电压暂升、电压暂降、电压波动、电压闪变、相位跳变、频率偏移、谐波和三相不平衡抑制以及无功功率补偿等，具有其他补偿设备所不具备的电能质量综合治理功能。

1.1 系统功率传输模型

针对电压跌落场景进行储能型UPQC 补偿能力分析时，可以忽略谐波电压，只考虑基频分量。在电网电压跌落中，最为严重的就是三相交流电压全部骤降，UPQC 通过串联侧和并联侧换流器对负荷侧电压进行协同补偿，以维持负荷供电电压为额定值不变。定义负荷侧额定电压Ur与电网侧（跌落状态下）电压Ug之间的差值为UPQC 提供的电压补偿能力Ucomp。图1 为对UPQC 电压补偿进行等效处理后的系统功率传输模型示意图。

图1 储能型UPQC 系统功率传输模型Fig.1 Power transmission model of UPQC system with energy storage

UPQC 的串联侧换流器可以等效处理为一个带等效阻抗Zse的可控电压源串联进电网主线路中；并联侧换流器可以等效为一个可控电流源并联于负载侧。这两个可控源的输出分别受串联侧换流器与并联侧换流器的输出控制，共同实现对跌落电压的补偿。根据图1 的等效模型，电网经过UPQC 后向负荷提供的功率可表示为：

式中：Pg和Qg分别为电网侧传送的有功和无功功率；Ug和UL分别为电网侧电压和负载侧电压；Use为串联侧输出电压；φg和φL分别为电网电压相位和负荷侧电压相位；ZS为电网与串联侧换流器之间的线路阻抗。

UPQC 的并联侧具有可控电流源特性，通过戴维南定理也可以等效为一个理想电压源串联等效输出阻抗Zsh的形式。因此，并联侧注入系统的功率可以表示为：

式中：Psh和Qsh分别为并联侧输出有功和无功功率；Zsh为UPQC 并联侧等效阻抗；Ush为并联侧输出电压；φsh为输出电压相位。

储能的接入为UPQC 的串联侧和并联侧提供功率支撑，并保持系统直流母线电压稳定。在直流端口，储能系统的功率平衡式可以简化为有功功率之间的代数关系，可表示为：

式中：Pbat为直流侧储能输出功率；Pse为串联侧输出有功功率。

1.2 串、并联侧电压补偿耦合分析

为了针对储能型UPQC 进行电压补偿能力分析，对系统进行如下假设：

1）双侧换流器中开关器件在正常工作时，其元件输出主要受最大传输功率限制；

2）直流侧储能单元功率传输限制满足双侧换流器的最大传输功率需求；

3）串联侧换流器与串联侧变压器容量匹配，在考虑传输功率限制时可以将两者合并考虑。

UPQC 串联侧向电网输出的视在功率值与输出的补偿电压幅值相关，由于串联侧输出电流与电网主线路电流相同，输出的补偿电压Use相位也与电网电压相位相同，此时串联侧输出视在功率Sse和输出补偿电压的能力上限Use，max可以表示为：

式中：Sse，max为串联侧的容量；Iset为流经串联侧变压器线路的电流；Uc，max为串联侧换流器受开关器件耐压限制能够输出的最大补偿电压。

UPQC 并联侧可以通过控制输出电压相角φsh，实现对电网传输功率的双向控制，将负荷与并联接入的并联侧作为一个整体考虑，并联侧输出功率的变化可以等效为负荷侧同样大小的功率变化。线路中电压的变化量ΔU可表示为［16］：

式中：XS和RS分别为线路阻抗ZS中的感抗和阻抗部分，可以通过有源扰动注入式的阻抗测量方法获取［17-18］；ΔPL和ΔQL分别为负荷侧有功功率和无功功率的变化量；Ur为额定负荷电压。

并联侧输出功率的变化会因为线路阻抗ZS的存在对负荷电压产生影响，从而对电压补偿产生直接影响。此外，并联侧输出功率的变化还会使流经串联侧变压器线路的电流产生变化，从而间接影响到串联侧的电压补偿，设负荷功率因数角为φ，流经串联侧变压器线路的电流Iset可表示为：

式中：SL为负荷侧的视在功率。

由式（4）和式（6）可知，当并联侧与电网间产生有功功率交换时，在串联侧容量受限的情况下，可以通过影响主线路电流的值，使串联侧可输出的最大电压幅值Use，max变化，从而影响UPQC 系统的电压补偿能力。根据上述分析，可以推导出考虑并联侧输出功率耦合影响下的储能型UPQC 电压补偿能力Ucomp为：

根据式（7），负荷侧视在功率SL取20 MW，功率因数cosφ取0.98，并联侧换流器额定输出功率取5 MW。此时，并联侧输出有功功率和无功功率分别在额定功率范围内变化时对储能型UPQC 电压补偿能力的影响情况如图2 所示。

图2 并联侧功率耦合对UPQC 电压补偿能力的影响Fig.2 Influence of shunt-side power coupling on voltage compensation capability of UPQC

由图2 可见，当并联侧从电网中吸收有功功率和无功功率时，UPQC 电压补偿能力会降低，因为这相当于在负荷功率的基础上增加了一条功率通路，增加了串联变压器上流过的电流Iset使其输出补偿电压幅值上限降低，从而限制了系统的电压补偿能力。而通过并联侧向电网输出有功和无功功率进行补偿，可以借助线路阻抗直接抬升电压，还可以减小线路电流，此时假定串联侧输出补偿电压不变，则串联侧变压器输出视在功率Sse减小，多出的空余容量可以进一步提升补偿电压Use的幅值。

根据式（4），并联侧输出功率改变主线路电流Iset可以提升串联侧输出补偿电压，当串联侧输出补偿电压达到开关器件的额定电压时，式（7）等号右边第2 项转为一个常数，表达式见附录A 式（A1）。串、并联侧的电压补偿耦合只包含式（5）的电压波动影响。

1.3 考虑功率传输限制的电压补偿能力提升

利用UPQC 并联侧换流器进行协同电压补偿，能够在容量配置不变的情况下提升储能型UPQC 的电压补偿能力。当并联侧有功功率按照串联侧输出有功功率进行跟踪控制，无功协同进行电压跌落补偿时，根据式（7），得到考虑串、并联侧容量限制条件下的储能型UPQC 的电压补偿 能 力U*comp如 式（8）所 示，其 中，Ssh，max为 并 联 侧容量。

根据式（8），UPQC 串联侧与并联侧协同补偿时的电压补偿能力U*comp与串、并侧换流 器容量Sse，max、Ssh，max有关，且会受到负荷侧视在功率SL及其功率因数cosφ的影响。当串、并联侧换流器均以最大容量运行，此时改变并联侧输出的有功功率，也会由于容量限制改变并联侧输出的无功功率。根据式（7）和图2 的分析，并联侧从电网吸收有功功率会减小UPQC 电压补偿能力，因此需在并联侧以最大传输容量运行的条件下对其有功功率和无功功率指令值进行合理的分配来进一步提升UPQC 电压补偿能力。

2 储能型UPQC 并联侧功率指令分配

根据式（7），由于储能的接入，在电压跌落时并联侧具有向电网补偿有功功率的能力，使（SLcosφ+Psh）这一项减少，从而减小线路电流Iset，起到与无功补偿减小线路电流相似的补偿效果。此外，并联侧与负荷接入节点处的有功功率变化也能对电压产生影响，但考虑线路中RS≪XS，并联侧相同的有功输出与无功输出相比，其对输电线路阻抗压降的电压补偿作用可以被忽略。因此，在并联侧换流器参与储能型UPQC 协同电压补偿时，应以输出无功功率补偿为优先目标。

在式（8）中，并联侧将剩余容量全部用于无功补偿，但在运行中可能出现负荷功率因数很高或负荷轻载的工况，此时若补偿的无功功率超过了负荷功率的无功部分SLsinφ，超出的部分将会使线路中无功电流增加从而降低串联侧的电压补偿能力。当无功输出过补偿导致流经串联侧变压器线路的电流Iset增加带来的串联侧电压补偿能力削弱的影响超过式（5）中无功输出带来的线路阻抗电压补偿能力的提升效果时，继续增加无功输出反而使UPQC 整体电压补偿能力减弱。因此，储能型UPQC 电压补偿能力存在极大值，设并联侧补偿功率因数为cosx，并且以最大传输功率Ssh，max运行，代入式（7）可以得到关于电压补偿能力Ucomp（x）的函数表达式为：

在式（9）中，对x求偏导，并令∂Ucomp(x)/∂x=0，求解自变量x，可以解得使UPQC 电压补偿能力取到极大值的并联侧最佳无功补偿量Q*sh，具体推导过程见附录A 式（A2）和式（A3）。

基于上述分析，当电网电压跌落深度超出串联侧补偿能力时，为实现串联侧与并联侧对电压跌落的协同补偿，并联侧无功外环控制发挥调节功能，此时需根据计算得到的最佳无功补偿量Q*sh对并联侧功率指令进行改进分配：

1）将并联侧容量与计算得到的最佳无功补偿量作比较，若Q*sh＞Ssh，max，说明在并联侧容量限制范围内无功补偿相较于有功补偿对UPQC 电压补偿能力的提升效果都更好，此时禁用并联侧有功外环，并联侧只进行无功补偿；

2）若Q*sh＜Ssh，max，则 无 功 输 出 指 令 值 的 上 限 设为Q*sh，而若并联侧补偿无功功率达到Q*sh后仍未实现负荷电压补偿至额定值，则并联侧剩余容量可用于进一步输出有功功率对负荷中的有功部分进行补偿，从而获得相同条件下更高的UPQC 电压补偿能力。

基于功率指令改进分配的储能型UPQC 协同电压补偿控制策略如附录A 图A2 所示。储能型UPQC 电压协同补偿包含2 个模式，在电压轻度跌落时，仅采用串联侧进行电压补偿；当电压跌落超出串联侧补偿能力时，进入UPQC 协同电压补偿。此时，由于负荷工况的不同，又可以根据负荷工况计算得到的最佳无功补偿量是否落在并联侧传输功率限制内，分为并联侧无功优先的协同电压补偿和并联侧改进功率指令分配的协同电压补偿。并联侧最佳无功补偿量Q*sh的计算结果与优化后的储能型UPQC 协同电压补偿能力的提升效果如图3 所示（数 学 模 型 计 算 时Sse，max取0.15 p.u.，Ssh，max取0.25 p.u.）。

图3 并联侧换流器功率优化分配的电压协同补偿Fig.3 Voltage cooperative compensation based on optimal power distribution in shunt-side converter

最佳无功补偿量Q*sh与负荷功率大小及功率因数的关系如图3（a）所示，Q*sh随负荷功率因数增大而减小，当负荷功率中无功分量较大时，并联侧的Q*sh也较大，在输出达到该最佳补偿量之前，均可以通过增加无功输出继续补偿电压，若在输出无功功率达到Q*sh后，仍未实现对负荷电压的补偿，此时并联侧可以将剩余容量用于输出有功功率对负荷功率中的有功分量进行平衡，从而进一步提升储能型UPQC的电压补偿能力。在串并联侧协同电压补偿控制的基础上，对并联侧功率指令进行改进分配后的UPQC 电压补偿能力提升如图3（b）所示，UPQC 电压补偿能力利用储能接入的特性得到了进一步的提升。在单位功率因数的负荷（SL=0.55 p.u.）条件下，提升效果相比于常规的串联侧电压补偿可达到234%。

3 储能型UPQC 双侧换流器控制

为实现储能型UPQC 对电网电压的补偿，需要对其串、并联侧换流器进行控制。通过并联侧的功率控制协同参与电网电压的补偿，提升储能型UPQC 的电压补偿能力。

储能型UPQC 串联侧换流器采用一种基于三相坐标系下的直接电压控制，无须经过坐标变换就可以实现电压波动和电压谐波问题的综合治理［19］。通过对电网电压进行滤波后锁相得到电网角度［20-21］，就可以生成一个期望得到的负载侧标准交流电压参考波，将负载侧的实际电压与生成的参考波作差就可以得到UPQC 串联侧待补偿的电压量，串联侧的控制结构框图见附录A 图A3，可以用式（10）和式（11）来表示。

式中：U*为Ur和UL作差得到的待补偿电压。

储能型UPQC 并联侧换流器根据功率指令的改进分配结果得到功率指令值，其中，有功外环在稳态时通过检测串联侧输出，并对其进行跟踪控制得到有功指令值。当发生电压跌落时，无功外环通过检测负荷电压有效值，根据比例控制确定无功指令值，并且根据最佳无功补偿量的计算设定无功指令限幅值。为实现负荷电压的无差调节，需要增加积分环节，将电压偏差量作为反馈信号。在基本无功控制环节基础上将无功外环改造成一个比例-积分（PI）控制环节。

在得到并联侧换流器的功率指令值后，采用功率-电流双闭环控制，先将得到的功率指令输入功率环进行PI 调节后得到有功、无功电流指令值，再进入电流环进行PI 控制并调制得到输出参考电压。并联侧换流器控制框图见附录A 图A4，除上述功率控制环节外，还包含谐波电流的检测与消除环节。

4 仿真分析

为验证本文所提的UPQC 串并联侧协同电压补偿控制策略的正确性与有效性，在RSCAD 仿真平台搭建储能型UPQC 仿真模型，并基于RTDS 平台对本文所提出的协同补偿控制策略及改进指令分配进行了仿真验证，其中，控制系统的主要参数如附录A 表A1 所 示。

4.1 单侧换流器电压补偿仿真

负荷侧视在功率SL取15 MW（0.75 p.u.），功率因数cosφ取0.75，基于以上参数构建储能型UPQC系统电压补偿的运行工况，首先通过仿真验证仅串联侧单独进行补偿的电压补偿能力。UPQC 串联侧对电网电压跌落和骤升进行单侧补偿的仿真结果分别如图4 和附录A 图A5 所示。

图4（a）为电网电压跌落至0.92 p.u.时的仿真结果，发生跌落后，串联侧开始工作，输出补偿电压将负荷电压补偿至额定值1 p.u.。当串联侧以最大传输功率进行电压补偿时恰好能够实现负荷电压补偿，仿真结果如图4（b）所示，此时电网电压跌落至0.85 p.u.，串联侧输出补偿电压在稳态后达到电压补偿能力上限0.15 p.u.。若继续加大电网电压跌落深度，仅通过串联侧补偿将无法继续增加补偿电压幅值实现负荷电压的补偿。

图4 单侧电压补偿仿真结果Fig.4 Simulation results of one-side voltage compensation

若令并联侧有功外环对串联侧输出有功功率进行跟踪控制，从电网中吸收有功功率，在电网电压跌落至0.85 p.u.工况下的仿真结果如图4（c）所示。并联侧与电网的有功功率交换引起了流过串联侧变压器线路的电流Iset的变化，从而使串联侧电压补偿能力减小，当串联侧输出电压达到补偿能力上限时，将无法继续加大输出电压。相比于图4（b）工况，在同样的跌落深度下，并联侧从电网吸收有功功率使储能型UPQC 电压补偿能力减弱，因此无法实现相同跌落深度下的负荷电压补偿。

4.2 改进指令分配的协同电压补偿仿真

UPQC 串联侧和并联侧换流器对电网电压跌落和骤升进行协同电压补偿的仿真结果分别如图5 和附录A 图A6 所示。

令并联侧有功外环仍然对串联侧输出进行跟踪控制，而无功外环则根据并联侧剩余容量对电网进行补偿，通过并联侧换流器提升储能型UPQC 的电压补偿能力。图5（a）为该工作条件下储能型UPQC 以最大电压补偿能力运行时负荷电压补偿的仿真结果，电网电压跌落深度为0.79 p.u.，并联侧根据跟踪控制生成的有功功率指令从电网中吸收了0.15 p.u.的有功功率，剩余容量进行无功补偿，向电网输出了0.20 p.u.的无功功率。

图5 储能型UPQC 协同电压补偿仿真结果Fig.5 Simulation results of cooperative voltage compensation of UPQC with energy storage

根据负荷功率与功率因数计算得到并联侧最佳无功补偿量，并进行功率指令的改进分配后的仿真结果如图5（b）和（c）所示，在跌落的暂态过程中，并联侧换流器不再对串联侧输出进行跟踪控制，而是以最大电压补偿能力为控制目标给出功率指令值。此时，储能型UPQC 输出的功率来源于直流侧储能提供的功率。

图5（b）为改变负荷工况，负荷功率因数cosφ取0.2，此时计算得出的最佳无功补偿量Q*sh=0.971 p.u.，远大于并联侧容量，此时的改进功率指令分配也即无功优先的协同电压补偿控制。当电网电压跌落超出串联侧补偿能力范围时，并联侧通过对电网进行无功补偿实现负荷电压的无差调节，直至无功补偿值达到并联侧容量上限Ssh，max。

当负荷功率因数cosφ为0.75 时，根据图3（a）可以得到最佳无功补偿量Q*sh=0.184 p.u.，落在并联侧容量Ssh，max=0.25 p.u.范围内。储能型UPQC以最大电压补偿能力运行时其并联侧无功功率指令等于Q*sh，而剩余容量用于输出有功功率减轻线路电流，从而更进一步提升电压补偿能力。仿真结果如图5（c）所示，在0～20 s 内，并联侧按照图5（a）工作模式进行协同补偿，此时并联侧的容量几乎全部用于从电网中吸收有功功率进行跟踪控制，这使流经串联变压器的线路电流对串联侧补偿能力的抑制作用加强，也使得线路压降的影响更加突出。电网电压在瞬时一次跌落的基础上出现了由于并联侧吸收有功功率造成二次跌落，该工作条件下储能型UPQC 无法实现负荷电压的补偿。在t=20 s 时刻，令并联侧功率指令按照改进分配进行控制，稳态后并联侧向电网分别输出0.187 p.u.的无功功率和0.164 p.u.的有功功率，与理论分析结果相符。

根据图4 和图5，在负荷功率为0.75 p.u.、功率因数cosφ为0.75 的工况下，仅通过串联侧换流器进行调压补偿时，电网电压最深跌落至0.85 p.u.时，UPQC 仍能将负荷侧电压补偿至额定值。当UPQC并联侧参与，系统进行协同电压补偿时，能够将负荷侧电压补偿至额定值的最深跌落达到0.79 p.u.，UPQC 电压补偿能力由0.15 p.u.提升至0.21 p.u.。对并联侧功率指令进行改进分配，在相同的串、并联侧容量和串联变压器容量的限制条件下，以最大容量运行时储能型UPQC 电压补偿能力达到0.27 p.u.，与本文所建的数学模型得出的分析结果一致，验证了所提协同补偿方法的有效性。通过储能型UPQC两侧换流器功能上的相互协调提升了系统的电压补偿能力，在相同电压补偿能力的需求条件下，可以降低系统的配置容量，从而降低系统成本，提升了系统经济性。

5 结语

本文针对储能型UPQC 提出了一种基于并联侧改进功率指令分配的协同电压补偿策略。首先，建立了考虑UPQC 容量配置、负荷功率及功率因数等参数的储能型UPQC 电压补偿能力的数学模型。然后，分析了并联侧输出有功、无功功率对电压补偿能力提升的定量关系，推导并计算得到不同负荷工况下并联侧的最佳无功补偿量，并据此改进了并联侧功率指令分配方案。最后，基于并联侧的最佳无功补偿量的计算和改进功率指令分配，通过储能型UPQC 协同电压补偿控制策略，实现了系统电压补偿能力的进一步提升。RTDS 平台中的仿真结果验证了所提协同补偿方法的有效性。

本文在分析储能型UPQC 电压补偿能力时，对于两侧换流器容量仅考虑了功率传输限制，而实际电力电子开关器件的安全工作区除去功率传输限制，还有电压、电流限制。此外，对于储能的功率、电流传输限制也并未体现在电压补偿能力的数学模型中。未来可以将各种传输限制加以综合考虑，形成一个更加完备的储能型UPQC 电压补偿能力数学模型，理清换流器、储能容量配置与系统补偿能力之间的数学关系，进一步对储能型UPQC 的容量配置进行优化。

本文研究得到国网浙江省电力有限公司科技项目(5211DS19002V)的资助，特此感谢！

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。