集成电压补偿与无功支撑能力的并网变换器拓扑优化及控制

贾文慧，郭 祺，涂春鸣，姜 飞，侯玉超，李 庆

（1. 国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学），湖南省长沙市 410082；2. 长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410004；3. 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽省合肥市 230000）

0 引言

随着风光等新能源发电的波动性增加、大量电力电子装置的广泛接入，有源配电网电压波动、无功等电能质量问题愈发突出［1-3］，有源配电网的高效、高质供电受到广泛关注［4］。

为有效解决有源配电网电压和电流质量问题，串联接入型和并联接入型电能质量治理装置被相继提出［5-7］。其中，串联型电能质量治理装置在电压波动治理［8-9］等方面性能优异，但装置长期处于闲置状态，设备利用低。此外，串联接入电网的方式使其极易受到短路/接地等故障冲击的威胁［10］，运行可靠性问题突出。并联型电能质量治理装置可实现谐波电流治理/无功补偿等功能，而且可靠性高，但难以很好地解决电压波动的问题。因此，“双高”背景下需要研究提高串联与并联型电能质量治理装置的利用率及可靠性。

在串联与并联型电能质量治理装置的功能拓展与利用率提升方面，国内外相关科研团队通过对典型电能质量治理装置进行控制优化和拓扑改进，实现了一套装置能同时治理电流型和电压型电能质量问题，有效提升了设备利用率。在控制策略优化方面，文献［11-12］提出一种适用于动态电压恢复器（dynamic voltage restorer，DVR）的矢量控制方法，实现了新能源消纳和电能质量治理，但装置有源部分的容量随新能源输出功率增加而骤升。在拓扑结构改进方面，统一电能质量调节器（unified power quality conditioner，UPQC）可实现电压型和电流型电能质量问题的综合治理，但需要两套变换器，成本较高［13］。文献［14-15］通过对装置的结构进行解耦和独立控制，实现了并网功率调控和电压质量调节，但这种方法对直流侧电压的要求较高。文献［16-17］分别在单相全桥和三相半桥结构的串联型电能质量治理装置中添加多组继电器和物理开关，进而通过多组继电器的投切与开断实现装置串联与并联接入方式的灵活切换。文献［16-17］所提方法有效提高了装置有源部分的利用率，但电路中含有多组切换开关，使得拓扑结构与控制较为复杂，暂态问题有待进一步研究。

在串联型、并联型电能质量治理装置的可靠性提升方面，文献［18］在电网发生短路故障时闭合旁路开关实现DVR 被动退出。文献［19-20］对UPQC拓扑结构进行重构，在系统故障时通过切换开关使其主动参与故障调控。文献［21-22］通过控制策略优化有效控制DVR 的等效输出阻抗，进而限制线路故障过电流。上述电能质量治理装置可在故障发生时被动退出或者主动参与故障调控，但开关动作与控制均存在延时。此外，现有硬件改进方案的元部件复用率低，采取控制策略优化的方案对装置容量要求高，且难以解决故障瞬间的冲击问题。

基于此，为进一步提高串联与并联型电能质量治理装置的设备利用率和可靠性，本文对传统串联型电能质量治理装置有源、无源部件的接线方式进行组合重构，提出了一种具备串联电压补偿功能与并联电流补偿功能的多功能并网变换器（multifunction grid-connected converter，MF-GCC）。MFGCC 可以有效实现串联型和并联型电能质量治理装置功能的有效集成，设备利用率高。同时，在电网发生接地故障时MF-GCC 的有源部分主动退出运行，并可有效遏制故障冲击电流，进而保证了设备自身及电网的运行可靠性。

1 MF-GCC 拓扑结构与工作原理

1.1 MF-GCC 拓扑结构

MF-GCC 的拓扑如图1 所示，其由直流侧储能电容Cdc、单相全桥变换器、LC 滤波环节（滤波电感L1与滤波电容C1）、多绕组变压器T、耦合电容C0、变压器端口旁路开关S1和切换开关S2组成，多绕组变压器一次侧接入输电线路中，二、三次侧端口分别接入变换器、开关S2和耦合电容C0。相较于传统的串联型变换器，MF-GCC 仅多了一组开关和一个电容。图1 中，U̇S、İS分别为电网电压、电流；U̇C1、İ2分别为单相全桥变换器输出电压、电流；Udc为直流侧电压；U̇tr、U̇tr1、U̇tr2分别为多绕组变压器一次、二次和三次侧电压；U̇C0为耦合电容C0两端电压；İ1、İnn和İcn分别为变换器侧二次侧电流、S2开关支路电流以及耦合电容支路电流；R、L分别为线路电阻、电感；U̇L、İL分别为负载电压、电流；ZL为负载阻抗。

图1 MF-GCC 的拓扑结构Fig.1 Topology of MF-GCC

1.2 MF-GCC 工作原理

MF-GCC 根据电网的运行状态可工作于两种模式：串联补偿模式和并联补偿模式。在电网电压出现跌落/抬升等电压波动时，MF-GCC 工作于串联补偿模式，其可向电网提供相应的补偿电压，保证负载侧电压幅值不受电网扰动的影响。在电网电压保持正常时，MF-GCC 工作于并联补偿模式，通过控制其注入电流实现无功补偿等并联型变换器的功能。

1.2.1 串联补偿模式

1）基本工作原理

当电网电压发生波动时，S1断开、S2闭合，如图2（a）所示，所提拓扑工作于串联补偿模式。通过控制U̇C1与U̇S的矢量和，保证负载侧电压幅值不受电网扰动的影响，如图2（b）所示，其中α为补偿后负载电压的相角。

图2 串联补偿模式下MF-GCC 的拓扑结构及其电气量间的相量关系图Fig.2 Topology of MF-GCC and phasor relation diagram between different electrical quantities in series compensation mode

串联补偿模式下的MF-GCC 等效电路如图3所示。图中，Zm为变压器励磁阻抗；L1σ、L2σ、L3σ分别为变压器一、二、三次侧漏感。在此模式下，MFGCC 的有源部分相当于一个受控电压源。

图3 串联补偿模式下MF-GCC 的等效电路Fig.3 Equivalent circuit of MF-GCC in series compensation mode

根据理想变压器特性，可得其一次与二、三次侧的电压关系为：

式（4）表明，在变压器变比为1∶1∶1 的条件下，该结构中电网电流与耦合电容C0支路电流大小相等、方向相反。

另外，根据KVL 定律可得MF-GCC 拓扑结构中的电压关系满足：

补偿电压的相位β为：

假设负载的功率因数角为φ，可得MF-GCC 输出的有功功率Pin和无功功率Qin为：

基于此，以有源部分输出有功功率最小为目标，结合式（8）—式（13），即可得到有源部分输出电压参考值U̇*C1的控制相位α。此外，为保证补偿后的负载电压幅值不变，根据式（6）确定U̇*C1的幅值即为负载电压波动前的电压幅值U*Lm，进而得到串联补偿模式下有源部分输出电压的参考值U̇*C1。

3）故障穿越能力分析

在电网发生短路、接地等故障时，传统串联型电能质量治理装置以及功能集成型电能质量治理装置的有源部分直接承受暂态电流、电压的冲击，设备可靠性面临严峻挑战。相比而言，当MF-GCC 接入的电网发生接地故障时（U̇L=0），结合式（5）可得：

由式（14）可知，此时有源部分输出电压为零，从而输出电流İ2=0，设备的有源部分主动退出运行。MF-GCC 等效拓扑如图4（a）所示，变压器一、二、三次侧回路等效电路如图4（b）所示，图中的虚线部分表示退出运行。此外，C0两端电压U̇C0=-U̇S，根据式（2）与式（4）可得：

图4 接地故障时的电路图Fig.4 Circuit diagram with grounding fault

由式（15）可知，İL和İcn的大小均为ωC0US，MFGCC 可有效遏制在短路、接地故障时的故障电流，为设备自身以及电网的安全稳定运行提供有力支撑。

1.2.2 并联补偿模式

当S1闭合、S2断开时，所提拓扑工作于并联补偿模式，MF-GCC 的有源部分等效为电流源。并联补偿模式下MF-GCC 的拓扑结构和等效电路分别如图5（a）和（b）所示，此时，变压器一次侧短接，只有二、三次侧接入电路。因此，等效电路中只考虑了L2σ和L3σ。

图5 并联补偿模式下的电路图Fig.5 Circuit diagram in parallel compensation mode

该模式下，通过控制MF-GCC 有源部分向系统注入大小和相位可控的并网电流İ2，可有效实现无功补偿等并联型变换器的各项功能。以典型的无功补偿功能为例，电网提供负荷运行所需的全部有功功率，MF-GCC 有源部分与耦合电容提供负荷运行所需的全部无功功率。考虑到并联补偿模式下的工作原理与传统并联型变换器的工作原理没有区别，此处不再赘述。同时，该结构中，耦合电容C0既可以提供滞后的容性电压以降低变换器端口的输出电压，也可以显著提升系统的无功补偿能力［23］。

2 MF-GCC 控制策略与参数设计

2.1 MF-GCC 控制策略

首先，对电网电压幅值进行检测，得到dS。然后，根据dS对电网的运行状态进行判断：当0.9＜dS＜1.1 时，判 定 电 网 电 压 正 常，S1闭 合、S2断 开，MF-GCC 工作于并联补偿模式；当dS＜0.9 或dS＞1.1 时，判 定 电 网 电 压 发 生 波 动，S2闭 合、S1断 开，MF-GCC 工作于串联补偿模式。MF-GCC 在串联与并联补偿模式下分别向电网注入补偿电压和补偿电流，进而实现负载侧电压幅值不受电网扰动影响和功率因数校正等功能。多功能并网变换器控制策略如附录A 图A1 所示，具体如下。

1）串联补偿模式下的控制策略

结合1.2.1 节的分析，首先，通过电压幅值检测模块得到dS的取值。然后，根据式（8）—式（13）得到对应的负载电压控制相位α，结合给定的负载电压幅值U*Lm得到负载电压参考值U̇*L，U̇*L与电网电压做差即可得到补偿电压的参考值U̇*tr。最后，根据式（16）得到U̇*C1，并进行电压、电流双环跟踪，以及正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）得到变换器桥臂绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的驱动信号。

2）并联补偿模式下的控制策略

并联补偿策略包含直流侧稳压与电流跟踪控制两部分。首先，采集直流侧电压Udc与给定的参考值U*dc做差，其误差经过比例-积分（PI）控制器得到有功瞬时电流参考值的幅值。其次，通过锁相环得到有功瞬时电流参考值的相位，进而得到有功瞬时电 流 参 考 值İ*2d。然 后，检 测 负 载 电 流İL及 负 载 功 率因数角φ，计算得到无功瞬时电流参考指令İ*2q。有功与无功瞬时电流参考指令之和即为补偿电流参考值İ*2。最后，采集变换器输出电流İ2作为反馈量，再通过PI 调节器实现对补偿电流İ*2的实时有效跟踪。

2.2 MF-GCC 参数设计

为确保MF-GCC 在不同模式下的功能均可有效实现，根据串联、并联补偿模式各自的性能要求分别对MF-GCC 元件进行参数设计，并结合两种模式下的性能指标进行参数优化设计。整个设计流程如附录A 图A2 所示。

2.2.1 串联补偿模式下的参数设计

1）变压器变比设计

当变压器一、二、三次侧的变比为1∶k1∶k2时，根据式（1）可得：

因 此，可 根 据 式（18）中İS、İL、İcn的 额 定 值 进 行变压器变比的设计。

2）变换器最大输出电压UC1，max

当 变 压 器 变 比 为1∶k1∶k2时，根 据 式（5）可得：

U̇C1是拓扑工作在串联补偿模式下的受控量，其最大输出电压值UC1，max与电网电压波动程度dS有关。

3）耦合电容

耦合电容C0只具备承担补偿电压的作用，C0两端最大电压为UC0，max，流经C0的最大电流为Icn，max。

4）LC 滤波环节

串联补偿模式下的LC 滤波器的主要功能是滤除MF-GCC 的开关次谐波，LC 滤波器参数选择的原则与传统串联型电能质量治理装置中的设计原理类似［24］，此处不再赘述。

2.2.2 并联补偿模式下的参数设计

1）变换器最大输出电流I1，max

I1是拓扑工作在并联补偿模式下的受控量，其最大值I1，max与负载额定功率因数有关。

2）耦合电容

该模式下，全桥变换器输出电压U̇inv的大小满足

3）LC 滤波环节

该模式下，变压器漏感与LC 滤波环节可看作类似于LCL 滤波的结构，滤波参数设计应满足以下约束条件。

（1）滤波总电感值上限

滤波电感的选择取决于其尺寸、成本和滤波效果［25］。因此，总电感值La的上限可以确定为：

式中：fs为开关频率；Δimax为允许的电流最大纹波系数。

综上所述，设计变换器侧滤波电感L1时，应有

考虑到滤波电容C1的设计与传统LC 滤波环节中电容的设计原理类似［27］，本节不再赘述。

2.2.3 参数优化设计

综合串联与并联补偿模式下的参数设计原则，对耦合电容参数、有源部分额定容量以及LC 滤波环节参数进行优化设计。

1）耦合电容参数设计

根据式（23），结合串联补偿模式下允许流过C0的电流上限与其两端电压上限［28］，对C0进行具体的选型。

2）有源部分的容量设计

单相全桥变换器额定容量Sinvn表示为：

3）LC 滤波环节参数设计

LC 滤波环节参数需满足所述串联与并联补偿模式下的设计原则。

3 方案对比分析

本 章 将 所 提MF-GCC、UPQC［13］与 文 献［11，17，22］中提出的功能集成型电能质量治理装置进行综合比较，如表1 所示。UPQC 可以解决电压型和电流型电能质量问题，但需要两套变换器，成本较高。而文献［11］中提出的功能集成型电能质量治理装置对直流侧电压有着更严格的要求。此外，文献［17］中使用了两个额外的开关，这使得拓扑更加复杂。与其他方案相比，MF-GCC 和限流式DVR 均具有主动限制故障电流的能力，有效保证了MFGCC 有源部分的可靠性，但限流式DVR 对于直流侧容量要求较高。总体而言，本文提出的MF-GCC相较于现有功能集成型电能质量控制装置具有优势。

表1 不同方案对比Table 1 Comparison of different schemes

4 仿真验证

基于MATLAB/Simulink 软件搭建仿真模型进行分析，对MF-GCC 可行性与有效性进行验证，仿真参数如附录A 表A1 所示。

4.1 电网电压从正常转变至跌落工况下的仿真分析

电网电压从正常转变至跌落工况下的仿真波形如图6 所示。0～0.2 s 期间，电网正常（dS=1），MFGCC 处 在 并 联 补 偿 模 式。图6（b）显 示İS和İ2相 位相差90°，İS、İ2分别对应İL的有功、无功分量。此外，经无功补偿后U̇S与İS保持同相，实现网侧的单位功率因数运行，如图6（c）所示。

0.2～0.4 s 期间，电网电压发生跌落（dS=0.7），各开关按照“S2闭合—S1断开—有源部分驱动信号切换”的时序动作。由图6（a）可知，电网电压跌落时，串联补偿模式下MF-GCC 均可实现良好的电压补偿效果，保证负载侧电压幅值不受电网扰动的影响。该模式下MF-GCC 中多个支路的电流波形如图6（b）和（e）所示。可以看出，İS与İcn幅值相等、相位 相 反，İL与İ1+İcn幅 值 相 等、相 位 相 反，与 理 论 推导一致，仿真结果充分验证了理论分析的正确性。

图6 电网电压从正常转变至跌落工况下的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of grid voltage transitioning from normal to sag condition

4.2 电网电压从正常转变至抬升工况下的仿真分析

电网电压从正常转变至抬升工况下的仿真波形如附录A 图A3 所示。0～0.2 s 期间，电网正常运行（dS=1），MF-GCC 处在并联补偿模式。该模式下的运行情况分析与4.1 节中并联模式下相同，此处不再重复。

0.2～0.4 s 期间，电网电压抬升（dS=1.3）。由附录A 图A3（a）可知，MF-GCC 仍可以保证负载侧电压幅值不受电网扰动的影响。该模式下MF-GCC中多个支路的电流波形如图A3（b）和（e）所示。可以 看 出，İS与İcn幅 值 相 等、相 位 相 反，İL与İ1+İcn幅值相等、相位相反，与理论分析同样吻合。

4.3 接地故障穿越工况下的仿真分析

接地故障穿越工况下的仿真波形如附录A 图A4 所示。0～0.2 s 期间，电网电压处于跌落状态(dS=0.7)，MF-GCC 工作于串联电压补偿模式。由图A4（a）和（c）可知，该模式下MF-GCC 具备良好的电压补偿效果以保证负载侧电压幅值不受电网扰 动 的 影 响，İS与İcn幅 值 相 等、相 位 相 反。0.2 s 发生接地故障后，由图A4（a）可知，负载电压UL=0，U̇tr与U̇S幅 值 相 等、相 位 相 反。从 图A4（b）中 可以 看 出，U̇C1、İ2为 零，设 备 的 有 源 部 分 得 到 保 护。此外，İS的幅值被限制在一个相对较小的值，如图A4（c）所示，使得MF-GCC 具有良好的自保护和故障限流能力。

5 实验验证

基于第3 章的仿真模型搭建相应的实验平台，如附录A 图A5 所示。主电路仿真模型位于主控制器中，外部控制器选择DSP28335，实验参数与仿真参数保持一致。

电网电压从正常转变至跌落然后恢复正常工况下的实验波形如图7 所示。0～0.12 s 及0.28～0.4 s期间，电网电压正常运行（dS=1），MF-GCC 处于并联补偿模式，变压器一次侧输出电压U̇tr为零，电网电压与电流保持同相。0.12～0.28 s 期间，电网电压跌落（dS=0.6），MF-GCC 可在串联补偿模式下实现良好的电压补偿效果，保证负载侧电压幅值不受电网扰动的影响。同时，该模式下İS与İcn幅值相等、相位相反，验证了理论分析的正确性。

图7 dS=0.6 时电压跌落条件下的实验波形Fig.7 Experimental waveforms under voltage-sag condition when dS equals to 0.6

电网电压从正常转变至抬升然后恢复正常工况下的实验波形如附录A 图A6 所示。0～0.12 s 以及0.28～0.40 s 期 间，电 网 电 压 正 常 运 行（dS=1），0.12～0.28 s 期间，电网电压抬升（dS=1.2）。从图A6 中可以看出，MF-GCC 在电网电压正常、抬升情况下均可实现良好的电流、电压补偿效果，实验结果验证了MF-GCC 电流、电压补偿功能的有效性。

此外，上述实验中MF-GCC 从并联补偿模式切换至串联补偿模式时各开关动作时序为：S2闭合—S1断开—有源部分驱动信号切换。MF-GCC 从串联补偿模式切换至并联补偿模式时各开关动作时序为：S1闭合—S2断开—有源部分驱动信号切换。

6 结语

本文针对现有串联型电能质量治理装置、并联型电能质量治理装置、串联型与并联型电能质量治理装置功能集成方案的设备利用率低、运行可靠性较差等突出问题，充分挖掘串联型与并联型电能质量治理装置的共性和差异性，提出了一种多功能并网变换器。主要结论如下：

1）MF-GCC 中的变换器环节等效于一直工作于并联模式，通过串联变压器接入电网。与传统串联型电能质量治理装置相比，MF-GCC 不直接串联在电网中，且仅多了一组开关和一个电容，即可根据电网的运行状态工作在串联电压补偿模式或并联电流补偿模式，具备电压补偿与无功电流补偿等多种功能，设备利用率高、成本低廉。

2）MF-GCC 在电网发生短路、接地故障情况下，工作于串联模式的MF-GCC 有源部分可主动退出运行，且可有效抑制电网故障电流，有效保证了设备自身以及接入电网的安全可靠运行。

3）在本文研究的基础上，作者后续将进一步分析电压波动时的变压器励磁涌流问题、模式切换时的电压相角跳变对系统的影响。此外，本文未对模式切换过程中装置的动态响应特性等问题进行深入分析，将在后续研究中进一步开展暂态过程的分析。

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。