CN103606926A - 基于链式结构的大容量统一电能质量控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器及其控制方法。该控制器采用三相三线制串并结构，包括通过公共直流母线连接的串联型电压源变流器和并联型电压源变流器，串联型电压源变流器采用单相H桥级联结构，每相H桥级联结构经串联电容器接入交流侧电网；并联侧变流器采用单相H桥链节结构，与串联型电压源变流器的H桥链节形成“背靠背”结构，并联侧变流器的每个H桥链节经单相多绕组变压器副边连接于直流侧电网，本发明还提供了大容量统一电能质量控制器的控制方法，本发明的控制器去掉了串联侧变压器，降低了回路短路阻抗，提高了开环控制的电压精度，提高了控制器的性能，解决了串联侧电压跌落时的瞬间涌流问题。

Description

基于链式结构的大容量统一电能质量控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种统一电能质量控制器（UPQC-Unified Power Quality Conditioner）及其控制方法，具体涉及一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器及其控制方法。

背景技术

统一电能质量控制器(UPQC-Unified Power Quality Conditioner)由串联型电压源变流器和并联型电压源变流器通过公共直流母线组合而成，应用于配电系统，连接在谐波负载附近，可以同时对电压和电流进行补偿。串联型变流器起到动态电压补偿器（DVR-Dynamic VoltageRestorer）的作用，可以抑制电压波动，补偿电源电压谐波，消除配电系统中经常发生的电压暂升和电压暂将问题，提高系统阻尼。并联型变流器起到有源电力滤波器（APF-Active PowerFilter）的作用，可以滤除负载谐波电流，补偿负载无功功率。

统一电能质量控制器UPQC结合了DVR和APF的变流器结构，其三相三线制结构如图1。该拓扑由一对串、并联变流器构成，共用一个直流储能环节，串联型电压源变流器经串联变压器接于系统侧，具有维持连接点处电压、补偿电压闪变和不对称的功能，并联型电压源变流器经串联电抗器接于负荷侧，主要用于补偿谐波和无功电流，同时维持两个变流器之间的直流电压恒定。串联变流器和并联变流器均为双向PWM变流器，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，串联变流器经串联变压器输出基波正序补偿电压，向电网注入功率，同时也可以输出谐波补偿电压；并联变流器向电网注入谐波补偿，同时可以输出无功电流。统一电能质量控制器UPQC补偿效果如下：在交流电网侧使得负载不平衡、非线性的情况下，交流电网输入电流平衡、波形正弦且与交流电网电压同相，电网输入功率因数为1，电网仅向负载输送有功功率；在负载侧使得在电网电压畸变、不对称、非额定的情况下，负载端电压能够始终保持额定、波形正弦且与电网基波电压同相。

三相三线制结构的UPQC容量小，不满足工业用户的大容量补偿需求。且由于三相桥的三相输出电压互相关联，控制比较复杂，且无法向系统提供零序电压；而三相四线制结构可以补偿零序，但对直流侧输出电压要求高，对开关器件的耐压值要求高，且直流侧电容电压容易出现不平衡。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器，另一目的是提供一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器的控制方法，本发明由于采用单相H桥级联结构，三相电压互相独立，可分相控制，且控制简单，对于三相三线制系统和三相四线制系统都可以应用，可以应用在中压系统，也可以应用在低压系统。该结构去掉了串联侧变压器，降低了回路短路阻抗，提高了开环控制的电压精度，提高了控制器的性能，解决了串联侧电压跌落时的瞬间涌流问题。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器，所述统一电能质量控制器采用三相三线制串并结构，包括通过公共直流母线连接的串联型电压源变流器和并联型电压源变流器，其改进之处在于，所述串联型电压源变流器采用单相H桥级联结构，每相H桥级联结构经串联电容器接入交流侧电网；所述并联侧变流器采用单相H桥链节结构，与串联型电压源变流器的H桥链节形成“背靠背”结构，并联侧变流器的每个H桥链节经单相多绕组变压器副边连接于直流侧电网。

进一步地，所述单相H桥级联结构由单相H桥链节串联组成；所述单相H桥链节由四个桥臂组成，每个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。

进一步地，所述单相H桥级联结构与单相H桥链节结构之间并联有电容器；在所述串联型电压源变流器侧并联有电抗器，所述电抗器接入交流侧电网。

进一步地，所述串联型电压源变流器和并联型电压源变流器均为双向PWM变流器。

本发明基于另一目的提供的一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器的控制方法，其改进之处在于，所述控制方法通过控制串联型电压源变流器的输出电压和并联型电压源变流器的输出电流实现。

进一步地，①通过控制串联型电压源变流器的输出电压，用以补偿系统电压畸变、不平衡、波动和闪变电能质量问题，使负载获得三相平衡对称的基波额定电压；②通过控制并联型电压源变流器的输出电流，补偿负载出现畸变和不平衡的电流，用于保证交流侧电源电流三相平衡且与电源电压基波正序同相位的正弦波形。

进一步地，进行控制方法时检测统一电能质量控制器UPQC的电量包括实际输出的补偿分量，即串联补偿电压v_c、并联补偿电流i_c、交流侧电压v_s、负载电流i_l以及直流侧电压v_dc；将串联补偿电压指令

和并联补偿电流指令

先反变换到dq0轴，再变换到abc轴上，获得串联补偿电压指令

和并联补偿电流指令

进一步地，所述控制串联型电压源变流器的输出电压采用带给定电压前馈的双闭环控制策略，除检测实际的串联补偿电压外，将电源电流i_s和串联型电压源变流器输出电流i₁引入控制中，串联补偿电压指令和并联补偿电流指令

在dq0轴的表达式分别如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{1d}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{\mathrm{cd}}^{*}-v_{\mathrm{cd}})\\ i_{1q}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{\mathrm{cq}}^{*}-v_{\mathrm{cq}})\\ i_{10}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{c0}^{*}-v_{c0})\end{array}\right.---\left(1\right);$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{1d}^{*}=K(i_{1d}^{*}-i_{1d})+v_{\mathrm{cd}}^{*}-{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{1q}\\ v_{1q}^{*}=K\·(i_{1q}^{*}-i_{1q})+v_{\mathrm{cq}}^{*}+\mathrm{\ω}{L}_1{i}_{1d}\\ v_{10}^{*}=K\·(i_{10}^{*}-i_{10})+v_{c0}^{*}\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中：

分别表示并联补偿电流指令在d、q、0轴上的分量；v_cd、v_cq、v_c0分别表示串联补偿电压在d、q、0轴上的分量；k_vp和k_vi分别表示电压环的PI环节的比例系数和积分系数，s表示积分；K表示电流环的比例系数；

分别表示串联补偿电压指令在d、q、0轴上的分量；i_1d、i_1q、i₁₀分别表示并联补偿电流在d、q、0轴上的分量；ω表示角频率；L₁表示串联电抗器电感。

进一步地，所述并联型电压源变流器的输出电流采用带状态反馈解耦和电压前馈补偿控制策略，由采用此控制策略的控制系统经过计算得出调制信号，并与给定的三角载波信号进行SPWM调制后，得到H桥链节驱动IGBT器件的PWM信号。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明由于采用单相H桥级联结构，三相电压互相独立，可分相控制，且控制简单，对于三相三线制系统和三相四线制系统都可以应用，可以应用在中压系统，也可以应用在低压系统。该结构去掉了串联侧变压器，降低了回路短路阻抗，提高了开环控制的电压精度，提高了控制器的性能，解决了串联侧电压跌落时的瞬间涌流问题。

2、本发明的控制方法采用间接控制策略，即通过控制串联变流器的输出电压，用以补偿系统电压畸变、不平衡、波动、闪变等电能质量问题，使负载获得三相平衡对称的基波额定电压；通过控制并联变流器的输出电流，补偿负载出现畸变、不平衡的电流，从而保证电源侧电流为三相平衡且与电源电压基波正序同相位的正弦波形。

3、由于串联变流器和并联变流器共有直流母线，维持直流侧电压恒定是UPQC完成补偿功能的关键，影响直流侧电压恒定的最主要原因是变流器及电容本身消耗的有功功率，本案发明采用并联变流器输入有功功率来补充UPQC本身消耗的有功功率，安全性及可靠性高。

4、本发明的UPQC三相电压独立，控制简单；UPQC装置容量大，应用范围广；H桥链节中的开关器选择件灵活；串联侧电压跌落时无瞬间涌流问题。

附图说明

图1是三相三线制左串右并结构UPQC主电路拓扑图；

图2是本发明提供的链式UPQC主电路拓扑结构图；

图3是本发明提供的控制方法的控制原理图；

图4是本发明提供的直流电压闭环控制原理图；

图5是本发明提供的串联侧控制原理图；

图6是本发明提供的并联侧控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提出的基于链式结构的大容量三相三线制串并结构UPQC主回路拓扑如图2所示，包括通过公共直流母线连接的串联型电压源变流器和并联型电压源变流器，串联型电压源变流器为单相H桥级联结构，每相链节串联后经串联电容接入交流侧电网（系统侧或电源侧）。并联型电压源变流器为单相H桥结构，与串联侧H桥链节结成“背靠背”结构，并联型电压源变流器每个H桥链节经单相多绕组变压器副边接于负荷侧（负载侧或直流侧）。并联型电压源变流器起到电压变化及电位隔离作用。由于采用单相H桥级联结构，三相电压互相独立，可分相控制，且控制简单，对于三相三线制系统和三相四线制系统都可以应用，可以应用在中压系统，也可以应用在低压系统。该结构去掉了串联侧变压器，降低了回路短路阻抗，提高了开环控制的电压精度，提高了控制器的性能，解决了串联侧电压跌落时的瞬间涌流问题。

单相H桥级联结构由单相H桥链节串联组成；所述单相H桥链节由四个桥臂组成，每个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。单相H桥级联结构与单相H桥链节结构之间并联有电容器；在所述串联型电压源变流器侧并联有电抗器，所述电抗器接入交流侧电网。

本发明还提供一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器的控制方法，采用间接控制策略，即通过控制串联变流器的输出电压，用以补偿系统电压畸变、不平衡、波动、闪变等电能质量问题，使负载获得三相平衡对称的基波额定电压；通过控制并联变流器的输出电流，补偿负载出现畸变、不平衡的电流，从而保证电源侧电流为三相平衡且与电源电压基波正序同相位的正弦波形。控制原理图如图3所示，在进行控制方法需要检测的电量包括实际输出的补偿分量，即串联补偿电压v_c、并联补偿电流i_c、系统侧电压v_s、负载电流i_l以及直流侧电压v_dc。将补偿电压指令

和并联补偿电流指令

先反变换到dq0轴，再变换到abc轴上，可获得串联补偿电压指令和并联补偿电流指令

。

由于串联变流器和并联变流器共有直流母线，维持直流侧电压恒定是UPQC完成补偿功能的关键，影响直流侧电压恒定的最主要原因是变流器及电容本身消耗的有功功率，因此由并联变流器输入有功功率来补充UPQC本身消耗的有功功率，直流电压闭环控制框图如图4所示，将得出的给定直流电压目标值

与直流电压反馈值v_dc偏差，经过直流电压调节器

后作用于UPQC等效模型G(s)，使输出直流电压值与给定直流电压值相同。

串联侧采用带给定电压前馈的双闭环控制策略，除检测实际的补偿电压外，将电源电流i_s、串联变流器输出电流i₁引入控制中，控制策略框图如图5所示，串联补偿电压指令

和并联补偿电流指令

在dq0轴控制方程如式（1）和式（2）：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{1d}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{\mathrm{cd}}^{*}-v_{\mathrm{cd}})\\ i_{1q}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{\mathrm{cq}}^{*}-v_{\mathrm{cq}})\\ i_{10}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{c0}^{*}-v_{c0})\end{array}\right.---\left(1\right);$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{1d}^{*}=K(i_{1d}^{*}-i_{1d})+v_{\mathrm{cd}}^{*}-{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{1q}\\ v_{1q}^{*}=K\·(i_{1q}^{*}-i_{1q})+v_{\mathrm{cq}}^{*}+\mathrm{\ω}{L}_1{i}_{1d}\\ v_{10}^{*}=K\·(i_{10}^{*}-i_{10})+v_{c0}^{*}\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中：

分别表示并联补偿电流指令在d、q、0轴上的分量；v_cd、v_cq、v_c0分别表示串联补偿电压在d、q、0轴上的分量；k_vp和k_vi分别表示电压环的PI环节的比例系数和积分系数，s表示积分；K表示电流环的比例系数；

分别表示串联补偿电压指令在d、q、0轴上的分量；i_1d、i_1q、i₁₀分别表示并联补偿电流在d、q、0轴上的分量；ω表示角频率；L₁表示串联电抗器电感。

并联侧采用带状态反馈解耦和电压前馈补偿控制策略，控制策略框图如图6所示。调制信号经与三角载波进行SPWM调制后，即可得到H桥链节驱动开关器件的PWM信号。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器，所述统一电能质量控制器采用三相三线制串并结构，包括通过公共直流母线连接的串联型电压源变流器和并联型电压源变流器，其特征在于，所述串联型电压源变流器采用单相H桥级联结构，每相H桥级联结构经串联电容器接入交流侧电网；所述并联侧变流器采用单相H桥链节结构，与串联型电压源变流器的H桥链节形成“背靠背”结构，并联侧变流器的每个H桥链节经单相多绕组变压器副边连接于直流侧电网。

2.如权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述单相H桥级联结构由单相H桥链节串联组成；所述单相H桥链节由四个桥臂组成，每个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。

3.如权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述单相H桥级联结构与单相H桥链节结构之间并联有电容器；在所述串联型电压源变流器侧并联有电抗器，所述电抗器接入交流侧电网。

4.如权利要求1所述的统一电能质量控制器，其特征在于，所述串联型电压源变流器和并联型电压源变流器均为双向PWM变流器。

5.一种基于链式结构的大容量统一电能质量控制器的控制方法，其特征在于，所述控制方法通过控制串联型电压源变流器的输出电压和并联型电压源变流器的输出电流实现。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，①通过控制串联型电压源变流器的输出电压，用以补偿系统电压畸变、不平衡、波动和闪变电能质量问题，使负载获得三相平衡对称的基波额定电压；②通过控制并联型电压源变流器的输出电流，补偿负载出现畸变和不平衡的电流，用于保证交流侧电源电流三相平衡且与电源电压基波正序同相位的正弦波形。

7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，进行控制方法时检测统一电能质量控制器UPQC的电量包括实际输出的补偿分量，即串联补偿电压v_c、并联补偿电流i_c、交流侧电压v_s、负载电流i_l以及直流侧电压v_dc；将串联补偿电压指令

和并联补偿电流指令

先反变换到dq0轴，再变换到abc轴上，获得串联补偿电压指令

和并联补偿电流指令

8.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述控制串联型电压源变流器的输出电压采用带给定电压前馈的双闭环控制策略，除检测实际的串联补偿电压外，将电源电流i_s和串联型电压源变流器输出电流i₁引入控制中，串联补偿电压指令和并联补偿电流指令

在dq0轴的表达式分别如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{1d}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{\mathrm{cd}}^{*}-v_{\mathrm{cd}})\\ i_{1q}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{\mathrm{cq}}^{*}-v_{\mathrm{cq}})\\ i_{10}^{*}=(k_{\mathrm{vp}}+\frac{k_{\mathrm{vi}}}{s})(v_{c0}^{*}-v_{c0})\end{array}\right.---\left(1\right);$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{1d}^{*}=K(i_{1d}^{*}-i_{1d})+v_{\mathrm{cd}}^{*}-{\mathrm{\ωL}}_1{i}_{1q}\\ v_{1q}^{*}=K\·(i_{1q}^{*}-i_{1q})+v_{\mathrm{cq}}^{*}+\mathrm{\ω}{L}_1{i}_{1d}\\ v_{10}^{*}=K\·(i_{10}^{*}-i_{10})+v_{c0}^{*}\end{array}\right.---\left(2\right);$

其中：

分别表示并联补偿电流指令在d、q、0轴上的分量；v_cd、v_cq、v_c0分别表示串联补偿电压在d、q、0轴上的分量；k_vp和k_vi分别表示电压环的PI环节的比例系数和积分系数，s表示积分；K表示电流环的比例系数；

分别表示串联补偿电压指令在d、q、0轴上的分量；i_1d、i_1q、i₁₀分别表示并联补偿电流在d、q、0轴上的分量；ω表示角频率；L₁表示串联电抗器电感。

9.如权利要求5或6所述的控制方法，其特征在于，所述并联型电压源变流器的输出电流采用带状态反馈解耦和电压前馈补偿控制策略，由采用此控制策略的控制系统经过计算得出调制信号，并与给定的三角载波信号进行SPWM调制后，得到H桥链节驱动IGBT器件的PWM信号。

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