CN104135009A - 一种并联型统一电能质量控制器及其运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联型统一电能质量控制装置，属于电力电子和柔性交流输配电技术领域。该装置包括电压源变流器，储能单元，谐振型电子开关及主控制系统，该主控制系统由主控制器和多种传感器所组成；其中，谐振型电子开关串联接入电网与受保护敏感负荷之间，谐振型电子开关的两端口分别为PCC₁点和PCC₂点；电压源变流器交流输出端口并联接入PCC₂点，其直流侧电容端口分别与储能单元的对应输出端口连接；主控制器产生控制门极信号输出与电压源变流器和谐振型电子开关相连接。该方法为将各种电能质量故障进行判断并控制本装置在4种模式之间进行快速切换和运行；本发明具备结构简单、成本低廉，抗过载能力强、运行效率高的优点。

Description

一种并联型统一电能质量控制器及其运行控制方法

技术领域

本发明属于电力电子和柔性交流输配电技术领域。特别涉及一种用于配、用电系统的电能质量治理装置，尤其是涉及带有储能单元的电力电子电路装置及该电力电子电路的运行方法。

背景技术

影响电能质量状况的因素十分复杂，通常统称之为电能质量扰动或电能质量问题。按照扰动持续时间的长短可以将其分为两大类：持续时间不超过若干秒级的通常归为离散型扰动，例如电压跌落，电压骤升，电压振荡以及瞬态过电压等；更长持续时间的为连续型扰动，例如三相电压不平衡，电压闪变，电压谐波和电流谐波等。在现代石油化工、电力、电子、通讯、半导体制造、航空、工业机器人和医疗器械，以及智能配电网、微电网等领域，由于已大量使用了对供电电能质量要求更高的电力电子装置或敏感设备，包括高频电源、变频器、芯片制造生产线、数据或计算中心等，很容易受到各类电能质量扰动的影响，尤其是对电压跌落与骤升、动态无功、谐波、电压波动与闪变以及三相电压不平衡等最为敏感。它们不但影响敏感设备的运行效率，降低其使用寿命，严重地往往会引起这些设备的误操作或者损坏，造成严重的经济损失甚至重大的安全事故。此外，随着电力系统规模的不断扩大和负荷容量的不断增加，加之地区电网之间网际互联日趋紧密，低阻抗大容量变压器的使用，都导致了电力系统短路容量的快速增长。一些大型发电机和主变压器发生近区短路时，短路电流可达100～200kA。而且，主动配电网和微电网的概念会将大量新能源和分布式电源的接入配电网，不但导致了短路容量的进一步增长，还存在难以预期的短路潮流逆转的问题。这样就给电力系统安全、稳定运行以及电力系统中各种电气设备(如断路器、变压器及接地网等)提出了更为严格的要求，需妥善解决故障电流抑制问题。

依赖传统的供电技术通常难以解决多种类型的电能扰动问题,这就需要采用柔性交流配电(Distributed Flexible AC Transmission System,D-FACTS)技术对各种电能质量问题进行有效地控制。如今D-FACTS设备已成为改善电能质量，尤其是解决动态电能质量扰动问题的有力工具。然而，目前绝大部分的D-FACTS设备通常采用单纯的并联型或串联型连接及控制方式，仅能解决部分电能质量问题。

如串联型D-FACTS设备，主要通过调节串联电压来解决配、用电系统中电压方面的电能质量问题，典型设备包括固态切换开关(Solid-State Transfer Switch,SSTS)、动态电压补偿器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)、串联型有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)等。其中串联型DVR装置存在的缺陷在于：仅适用于系统侧发生短路故障形成的电压跌落，对于无论是近端断路器跳闸产生的供电中断或者上级断路器跳闸及倒闸形成的短时供电中断，DVR装置均无法构成有效的补偿回路。其次，DVR装置在电压未发生跌落或突升条件下通常处于电子旁路状态，整体设备利用率很低，尽管可像串联型APF装置一样增加对谐波电压的补偿功能，但它无法对谐波和无功电流进行抑制，而后者是实际配电、用电系统中最主要谐波污染源。固态切换开关技术SSTS的问题是，首先需要互为热备用的独立电源系统的支持，这在许多地区和应用场合难以实现，代价高昂；其次，基于晶闸管实现的SSTS，由于需要关断控制，仍然有半个周波到一个周波的断电时间，对许多敏感负荷而言是不可接受的。

并联型D-FACTS设备通常并联在电网中，可以通过调节其注入电网的补偿电流来解决谐波和动态无功电流等潮流引起的电能质量问题，或者可作为独立的电压源为负荷供电以解决配电系统中的部分电压质量问题。典型并联型D-FACTS设备包括配电网静止同步补偿器(Distributed Static Synchronous Compensator,D-STATCOM)、并联型有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)以及在线互动式UPS(Line-Interactive Uninterruptible PowerSupply)等。由于D-STATCOM和并联型APF设备是通过改变配电系统中潮流分布实现对电压波动、电压闪变、谐波等电能质量问题的抑制，属间接控制方式，对于电压跌落、电压骤升等电压质量问题无法有效控制。在线互动式UPS可以通过与配、用电系统快速断开继而独立为负荷供电来解决电压型电能质量扰动问题，但其在配、用电系统快速断开时间这一关键问题上存在较大缺陷，目前所采用的交流电子旁路开关断开时间较长，典型时间为4～10ms，导致UPS的输出存在一定时间的供电中断，对于敏感型负荷而言仍然是不可接受的。

综合型D-FACTS设备正是在这种情况下发展起来的。综合型D-FACTS设备能够同时解决配、用电系统中电压和电流两类电能质量问题，典型设备包括统一电能质量控制器(Unified Power Quality Controller,UPQC)、双变换型UPS(Double Conversion UPS)和在线交互式delta型UPS(Line-Interactive Delta UPS)，这些设备在结构上同时包括“并联型和串联型”或“整流器和逆变器”两部分变流器设备。以UPQC为例，其概念最早由日本学者Akagi于1996年提出，此后日本、美国、德国等国学者在最初的UPQC概念基础上开展了进一步的研究。UPQC的基本结构是一个背靠背式的双向变流器，将双向变流器的两部分分别串联和并联在电网中。UPQC的控制系统采集电网侧和负荷侧的电压电流信号，计算串联部分变流器的输出参考电压以及并联部分变流器的输出参考电流，生成变流器的电力电子开关控制信号，对串联部分变流器和并联部分变流器分别进行电压和电流跟踪控制，使得负荷电压以及电网电流维持正弦波形。同时，背靠背式变流器的直流电容器还可以与蓄电池等直流储能单元并联，当电网侧电压发生诸如电压跌落等严重故障时，UPQC装置通过并联部分变流器为负荷在电网故障期间提供连续电能。双变换型UPS则通过AC-DC-AC两级变流器结构，实现负荷与配、用电系统的完全电压、电流隔离。

综合型D-FACTS设备功能强大，可实现对绝大部分类型电能质量扰动的治理，但目前应用范围仍然有限，主要的限制因素是D-FACTS设备成本高、抗过载能力弱及可靠性差等问题。综合型D-FACTS同时包含并联和串联两部分变流器结构，相对于并联型或串联型设备而言其整体成本明显增加。与串联型D-FACTS设备一样，综合型D-FACTS的串联变流器设备必须按照线路负荷的最大过载倍数和最严重波形系数进行设计，可靠性和经济性之间存在的这一矛盾往往造成D-FACTS设备的设计容量进一步增加，装置成本和利用率的进一步下降。此外，综合型D-FACTS设备缺乏对线路发生短路故障时对短路电流有效地抑制手段。

在电网扰动的判断检测方面，目前已有人将电网故障分为3种类型：故障类型I，亦称为线路短路故障类型，是指在被保护的末端线路或者负荷侧发生严重过载或短路故障；故障类型II，亦称为瞬时/暂时/短时电压变动类型，包括任意单相、两相或三相电压动态电压突升(swells)、电压骤降(Sags)、电压脉冲(Impulses)、电压振荡(Oscillation)及瞬时供电中断(Momentary Interruptions)等电压故障类型；故障类型III，亦称为长期或稳态电能质量类型，包括长期电压变动、电压波动及闪变、不平衡、谐波等电能质量故障。

3种故障类型的判定条件说明如下：

1)故障类型I判定条件：采用基于负荷电流瞬时值大小和斜率的识别方法。线路电流瞬时值不能突变，单纯采用瞬时值识别的方法可能还不能满足快速识别的要求，故增加线路电流斜率的识别。为了避免投切电容器以及谐波对负荷电流瞬时值斜率的影响，因此采用负荷电流瞬时值和斜率相结合的方式。设检测计算得到的负荷电流瞬时值为i_L，变化率为di_L/dt，则故障类型I的判定条件为

式中，i_max为电流瞬时值判断短路电流门槛值，D_max为基于电流斜率判断的电流斜率上限值。

2)故障类型II判定条件：使用“导数算法”计算检测点三相线电压的幅值V_sa，V_sb，V_sc。若检测到任意一相电压幅值超出规定范围，则认为系统发生了电压跌落、电压振荡或电压脉冲等瞬时的电压故障问题，即故障类型II的判定条件：

$V_{\mathrm{sk}}\∉[V_{\min },V_{\max }],k=a,b,c---\left(2\right)$

其中，V_min和V_max分别为规定的电压幅值上限和下限。

导数算法计算PCC₁点三相线电压的公式如下：

$V_{\mathrm{sk}}=\sqrt{u_{\mathrm{sk}}^2+{({\mathrm{du}}_{\mathrm{sk}}/\mathrm{dt})}^2/{\mathrm{\ω}}_0^2},k=a,b,c---\left(3\right)$

其中，u_sa，u_sb，u_sc分别为检测点三相电压瞬时值；du_sa/dt，du_sb/dt，du_sc/dt分别为计算得到的三相电压瞬时值变化率；ω₀为系统的基波角频率。

3)故障类型III判定条件：故障类型III同时包括电压和电流类型的电能质量故障，下面就分别对每一种电能质量故障的判定方法进行介绍。

A.谐波分量：控制系统对采样得到的三相负荷电流瞬时值i_La，i_Lb，i_Lc进行快速傅里叶变换，根据负荷电流中各次谐波分量大小来判断是否超过标准限定值。

B.无功分量及负序分量：根据i_La，i_Lb，i_Lc快速傅里叶变换之后得到的三相电流基波相量计算出三相负荷电流的负序和零序分量，公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{La}0}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{La}1}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{La}2}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 1& a& a^2\\ 1& a^2& a\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{La}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Lba}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Lc}}\end{array}\right],a=e^j\frac{2\mathrm{\π}}{3}---\left(4\right)$

C.电压闪变：控制系统根据采样得到的PCC₁点三相电压的瞬时值u_sa，u_sb，u_sc，使用平方检测法(square demodulation,SD)判断是否存在电压闪变。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种并联型统一电能质量控制器(ShuntUnified Power Quality Controller,S-UPQC)及其控制方法。本发明在和综合型D-FACTS设备一样全面实现对配、用电系统电能质量问题统一治理的同时，还具备对线路故障电流的抑制功能，并且具备结构简单、成本低廉，抗过载能力强、运行效率高的优点，可有效推进第三代DFACTS设备的应用进程和适用范围。

为实现上述目的，本发明提出的一种并联型统一电能质量控制装置S-UPQC，其特征在于：包括电压源变流器，储能单元，谐振型电子开关及由主控制器和多种传感器组成的主控制系统；其中，谐振型电子开关串联接入电网与受保护非线性敏感负荷之间，谐振型电子开关的两端口分别为PCC₁点和PCC₂点；电压源变流器交流输出端口并联接入PCC₂点，其直流侧电容端口分别与储能单元的对应输出端口连接；主控制器采集PCC₁点和PCC₂点的电压和电流信号、电压源变流器的输出电流信号、以及储能单元输出的直流电压和直流电流信号；主控制系统输出端分别与电压源变流器和谐振型电子开关相连，输出电压源变流器的开关脉冲信号以及谐振型电子开关的开关脉冲信号。

所述电压源变流器，由全控型电力电子开关器件构成，可采用2电平、3电平三相桥结构、3单相H桥结构或级联式H桥多电平变流器之任一种。该电压源变流器具备电压型控制和电流型控制两种模式；

所述储能单元，由超级电容、飞轮或电池组等储能单元及其附属电力电子电路构成，实现存储电能、向储能单元充电以及向电压源变流器提供有功功率的功能。

所述谐振型电子开关，主要由一组电感L_r1和电容C_r、一组串联电感L_r2以及一组双向晶闸管T₁组成；其连接关系为：双向晶闸管T₁与电感L_r1串联所构成的支路与电容C_r相并联，所述L_r1、C_r、T₁构成的并联支路与电感L_r2相互串联。

所述主控制系统主要由主控制器及与相连的多个传感器构成。所述多个传感器包括PCC₁点电压互感器PT₁、PCC₂点电压互感器PT₂、PCC₁点系统电流互感器CT₁、PCC₂点电流互感器CT₂、电压源变流器直流侧电容电压传感器PT₃、储能单元输出电流传感器CT₃和电压源变流器输出电流传感器CT₄。各传感器分别对配、用电系统关键节点电压、电流潮流以及S-UPQC自身关键电气节点实时检测；主控制器由DSP芯片和FPGA芯片组成，其中，DSP芯片实现系统级控制、计算、保护及管理，FPGA芯片实现AD采样、PWM脉冲输出以及装置保护。主控制系统实时计算并判定当前电能质量故障类型，根据电能质量故障类型控制S-UPQC装置采用对应电能质量运行模式。

本发明提出的基于所述S-UPQC装置的运行控制方法，其特征在于：主控制系统通过对PCC₁点及PCC₂点的潮流检测，将检测到各种电能质量故障进行判别后并划分为3种类型，并据此将S-UPQC设定为4种运行模式，判断并控制S-UPQC在所述4种模式之间进行快速切换和运行。

所述S-UPQC的4种运行模式包括：故障电流限制模式I、不间断电源模式II、并联补偿模式III及待机模式IV。

所述发明装置运行控制方法具体包括以下步骤：

1)采集各传感器信号，包括：PCC₁点系统电压V_s、PCC₂点负载电压V_L、PCC₁点系统电流i_s、PCC2点负载线路电流i_L以及储能单元输出电流和输出电压、电压源变流器输出电流；

2)根据所述故障类型I、II、III判定条件，判断是否存在电能质量故障；若是，转步骤3)，否则进入待机模式IV并进入步骤1)；

3)区分故障类型，根据故障类型的优先级别将发明装置快速切换到相应的运行模式；

4)进入所选择的运行模式确认完成相应操作后，转步骤1)。

所述步骤3)中，根据故障类型的优先级别对装置快速切换到相应的运行模式，具体包括：

主控制系统按照3种故障类型的优先级进行模式切换，设定优先级为：故障类型I>故障类型II>故障类型III。

根据所述故障类型优先级，S-UPQC运行模式的切换原则为：

无论装置当前运行在何种模式，当装置检测到比当前运行模式治理的故障类型优先级高的故障类型时，立即切换到与更高优先级故障类型相对应的运行模式；当优先级更高的故障类型状态恢复后，主控制系统依次判断是否存在优先级更低的故障类型，以确定切换模式类型；当3种故障类型均未检测出时，切换进入待机模式IV。

和现有技术相比，本发明的特点及有益效果是：

本发明是一种综合型电能质量补偿装置，可根据检测到的3类不同故障类型，分别工作在故障电流限制模式I、不间断电源模式II和并联补偿模式III，实现迅速抑制故障电流以及对包括电压型和电流型电能质量问题的综合治理，全面解决绝大部分电能质量问题。这些治理功能包括：配、用电系统发生电压暂降、电压突升、电压暂时中断等电压质量问题；谐波电流、无功电流、负序电流等电流质量问题及其引起的电压波动及闪变等电能质量问题；负荷及配、用电线路发生短路故障引起的短路电流问题。一方面可避免由于电压暂降和短时中断造成的生产过程中断、重要数据丢失、重要负荷可靠性丧失造成的重大损失；另一方面可满足电力系统和生产过程中由于非线性负荷等问题造成的电能质量污染，对指标考核或生产过程的影响；最后，利用多点分布的故障电流限制功能，还可以避免配电系统某点短路故障造成的大面积电压跌落，在最大程度上提高了配、用电系统的供电质量和可靠性，进而创造出可观的经济效益。

S-UPQC克服了常规单一的并联型或串联型D-FACTS设备无法同时解决电流型和电压型电能质量扰动的缺陷，如典型的APF、DSTATCOM等并联型D-FACTS装置对电压跌落等故障无能为力，而典型的DVR装置等串联型D-FACTS设备可实现对电压质量的治理，但却无法实现对电流潮流的控制。尤其是DVR装置，还存在当出现系统前级断路器倒闸或跳闸等电压中断事故时，DVR无法构成完整回路无法发挥作用的缺陷。

本发明同时也克服了既有综合型D-FACTS设备包括“并联型和串联型”或“整流器和逆变器”两部分变流器设备，成本高、过载能力差且控制模式复杂等缺点，S-UPQC仅采用并联型变流器部分，配合可靠性高、过载能力极强且成本较低的谐振型电子开关，在所述控制方法下实现了综合型D-FACTS设备的治理功能，同时还增加了故障电流限制的功能。

相比较既有的综合型电能质量控制器，S-UPQC结构简单、成本低廉、性价比高。仅相当于在常规的并联补偿设备或串联补偿设备增加了一套谐振型电子开关，单台成本仅略高于相同容量的APF设备，但却同时具备APF、D-STATCOM、DVR、UPS和FCL的功能，极具性价比优势。

本发明抗过载能力强、可靠性高，由于仅采用并联变流器，不存在双变换型UPS设备中“AC-DC、DC-AC”的两级拓扑以及传统UPQC装置和delta型UPS中的串联型变流器。对于负荷异常过载能力的适应性大大增强，减少了维护成本，现场适应性和运行可靠性更高，可有效推进第三代DFACTS设备的应用进程和适用范围。

本发明装置在切换进入故障电流限制模式或不间断电源模式时，利用晶闸管触发即时导通的器件特性，构造LC并联谐振电路将负荷线路和电网隔离，取代现有技术中自然关断或强迫关断晶闸管的方式，较之于在线互动式UPS设备通常的4～6ms的切换时间，本发明通过设计电子谐振开关参数可以使系统电压发生故障后，负荷电压能够在1.5ms以内恢复，且装置的稳态运行损耗与在线交互式UPS相当，优势明显。

本发明运行效率高于现有综合型补偿设备，由于S-UPQC绝大部分运行工况，仅通过单变流器实现对目标电流潮流的补偿，因此较之采用双变流器的综合型补偿设备效率明显提高。

本发明充分利用短期过载能力、设计容量小。在长期运行可选择待机模式或并联补偿模式，设计容量仅考虑谐波、无功、负序潮流容量；UPS模式针对典型的0～3s的电压跌落补偿，储能容量小，且充分利用变流器短期过载能力，充分利用设计容量。

附图说明

图1是本发明所提出的一种并联型统一电能质量控制装置S-UPQC的装置结构图。

图2是本发明装置主控制系统的控制流程图。

图3是本发明装置的运行模式切换逻辑图。

图4是本发明装置运行在待机模式IV以及并联补偿模式III的示意图。

图5是本发明装置运行在故障电流限制模式I的示意图。

图6是本发明装置运行在不间断电源模式II的示意图。

图7是不间断电源模式II下变流器1的控制框图。

图8是并联补偿模式III下变流器1的控制框图。

图9是L_r2取值为0.1pu、负荷侧短路故障及故障恢复后PCC₁点处三相电流仿真波形。

图10是L_r2取值为0.1pu、电网电压跌落90％时及恢复时的负荷电压仿真波形。

具体实施方式

本发明提出的一种并联型统一电能质量控制器及其运行控制方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种并联型统一电能质量控制装置S-UPQC，其特征在于：包括电压源变流器1，储能单元2，谐振型电子开关3及由控制器和多种传感器组成的主控制系统4，如图1所示。其中谐振型电子开关串联接入电网与受保护非线性敏感负荷之间，谐振型电子开关的两端口分别为PCC₁点和PCC₂点；电压源变流器1交流输出端口并联接入PCC₂点，其直流侧电容端口分别与储能单元2的对应输出端口连接；主控制器输入端与各传感器相连，输入PCC₁点和PCC₂点的电压和电流采样信号、电压源变流器的输出电流采样信号、以及储能单元输出的直流电压和直流电流采样信号；主控制器输出端分别与电压源变流器和谐振型电子开关相连，输出电压源变流器1的开关脉冲信号以及谐振型电子开关3的开关脉冲信号。

所述电压源变流器1，由全控型电力电子开关器件构成，可采用的电力电子拓扑结构包括但不限于2电平或3电平三相桥结构、3单相H桥结构或级联式H桥多电平变流器(已有公知技术)。

所述电压源变流器1具备电压型控制和电流型控制两种模式。当S-UPQC处理第II类故障类型时，电压源变流器1运行于电压型控制模式，逆变产生与配、用电系统电压幅值相同，频率和相位同步的电源提供给负荷线路；当S-UPQC处理第III类故障类型时，电压源变流器1运行于四象限的电流型控制模式，根据控制目标产生所需的控制潮流注入PCC₂点，实现对谐波、无功、负序潮流以及电压闪变的抑制功能；同时，根据储能单元2的储能情况，对其进行充电控制。

所述储能单元2，由包括但不限于超级电容、飞轮、电池组等储能单元及其附属电力电子电路构成(已有公知技术)，实现存储电能、向储能单元充电以及向电压源变流器提供有功功率的功能。

所述谐振型电子开关3，主要由一组电感L_r1和电容C_r、一组串联电感L_r2以及一组双向晶闸管T₁组成；如图1所示，双向晶闸管T₁与电感L_r1串联所构成的支路与电容C_r相并联，所述L_r1、C_r、T₁构成的并联支路与电感L_r2相互串联后构成谐振型电子开关3。

令本发明S-UPQC装置应用于额定电压等级为V_B的配、用电系统，电压源变流器1的额定功率容量为S_B，额定电流为I_B，同步角频率为ω₀，对应频率额定阻抗基值为X_B，且满足关系式

$X_B=\frac{V_B^2}{S_B}---\left(5\right)$

电感L_r1、L_r2，电容C_r参数选取：电感L_r1与电容C_r阻抗参数应满足并联谐振条件，L_r2与电容C_r阻抗参数满足串联谐振条件或串联支路偏容性阻抗；记电感L_r1感抗为jX_L1、电感L_r2感抗为jX_L2、电容C_r的容抗为-jX_c，则电感L_r1、电感L_r2、电容C_r感抗jX_L1、jX_L2或容抗的模值应满足关系式(6)

$\left\{\begin{array}{c}{X}_C=m{X}_B,m\∈[m_1,m_2]\\ X_{L1}=X_C\\ X_{L2}={\mathrm{kX}}_C,k\∈\left[\mathrm{0,1}\right]\end{array}\right.---\left(6\right)$

(6)式中，m表示电容C_r容抗的模值X_c与额定阻抗基值X_B的比值，m取值范围在m₁与m₂之间，通常选择m₁＝0.2，m₂＝0.33；k表示电抗L_r2感抗的模值X_L2与电容C_r容抗的模值X_c的比值，k取值范围在0到1之间。

谐振型电子开关3依据其中双向晶闸管T₁开关状态的不同，具有两种工作模式：即T₁导通状态下的并联谐振模式和T₁关断状态下的(不完全)串联谐振模式。当谐振型电子开关3工作在并联谐振模式时，其等效阻抗模值X_并近似无穷大，如式(7)所示，使得负荷线路与配、用电系统形成断路，既可对负荷线路发生短路故障时短路电流进行抑制，也可在配、用电侧PCC₁点发生第II类故障时将PCC₁点与受保护线路PCC₂点断开，确保S-UPQC对负荷提供可靠电能。

m₁和m₂分别对应于电感L_r1和电容C_r在发生并联谐振状态时，承受3～5倍于额定电流I_B的过载电流；相应地，电感L_r1通常应选择短期内至少可承受5倍于额定电流的空芯电抗器。

X_串＝|j(X_L2-X_C)|                 (8)

当谐振型电子开关3工作在完全串联谐振模式，即k＝1时，其等效阻抗模值X_串近似为零，如式(8)所示，使得负荷线路与配、用电系统之间形成短路；当k＝0时，表示取消电感L_r2；当k在0～1之间时，电感L_r2与电容C_r构成不完全串联谐振状态。参数k值得选取需要综合考虑对装置稳态运行损耗以及装置对负荷提供连续供电电压质量的要求。

在典型算例中，当k≥0.5时，装置在电压供电质量方面的优势更明显；当k＜0.5时，装置在稳态运行效率方面的优势更明显。当k＝0.5时，空心电抗器L_r2产生的稳态损耗与同等容量晶闸管导通损耗相当，当系统电压发生故障后，装置能够在最大不超过1.5ms以内迅速为负荷提供连续的电能。

所述主控制系统4，主要由主控制器及与相连的多个传感器构成。所述多个传感器包括PCC₁点电压互感器PT₁、PCC₂点电压互感器PT₂、PCC₁点系统电流互感器CT₁、PCC₂点电流互感器CT₂、电压源变流器1直流侧电容电压传感器PT₃、储能单元输出电流传感器CT₃和电压源变流器输出电流传感器CT₄。各传感器分别对配、用电系统关键节点电压、电流潮流以及S-UPQC自身关键电气节点实时检测，主控制器由DSP芯片和FPGA芯片组成，其中，DSP芯片实现系统级控制、计算、保护及管理，FPGA芯片实现AD采样、PWM脉冲输出以及装置保护。主控制系统实时计算并判定当前电能质量故障类型，根据电能质量故障类型控制S-UPQC装置采用对应电能质量运行模式。

本发明提出的基于所述S-UPQC装置的运行控制方法，其特征在于：主控制系统通过对PCC₁点及PCC₂点的潮流检测，将检测到各种电能质量故障进行判别后并划分为3种类型，并据此将S-UPQC设定为4种运行模式，判断并控制S-UPQC在所述4种模式之间进行快速切换和运行。

所述电能质量故障的3种类型包括：故障类型I，亦称为线路短路故障类型，是指在被保护的末端线路或者负荷侧发生严重过载或短路故障；故障类型II，亦称为瞬时/暂时/短时电压变动类型，包括任意单相、两相或三相电压动态电压突升(swells)、电压骤降(Sags)、电压脉冲(Impulses)、电压振荡(Oscillation)及瞬时供电中断(Momentary Interruptions)等电压故障类型；故障类型III，亦称为长期或稳态电能质量类型，包括长期电压变动、电压波动及闪变、不平衡、谐波等电能质量故障。

所述S-UPQC的4种运行模式包括：故障电流限制模式I、不间断电源模式II、并联补偿模式III及待机模式IV。

所述故障电流限制模式I：是指当主控制系统4检测到故障类型I时，控制谐振型电子开关3运行于并联谐振状态，迅速对故障电流进行限制，同时对电压源变流器1脉冲封锁；当检测到短路故障已经切除，熄灭双向晶闸管T₁的触发脉冲，待确认其自然关断后即可进入待机模式；若短路故障未能及时切除，随即断开故障线路开关，避免配电系统的短路故障范围进一步扩大；

所述不间断电源模式II：是指当主控制系统4检测到故障类型II时，迅速锁定故障前一时刻PCC₁点的电压幅值与相位；控制谐振型电子开关3运行于并联谐振状态，同时控制电压源变流器1工作在电压型控制模式的逆变状态，从储能单元2转移有功功率提供给负荷线路持续的电能，整个过程确保PCC₂点电压在发生故障前后的电压幅值、相位连续。该工作模式的单次持续工作时间取决于储能单元的储能容量和负荷线路容量，典型值通常设置是0～3s；主控制系统4从检测到故障类型II到PCC₂点电压恢复至正常波形之间的切换时间可控制在1.5ms以内。

所述并联补偿模式III：是指当主控制系统4检测到故障类型III时，控制谐振型电子开关3运行在串联谐振状态或不完全串联谐振状态；同时主控制系统4根据对无功、谐波、负序等补偿目标计算参考补偿电流，控制电压源变流器1工作在四象限的电流型控制模式，并按照参考电流注入电流补偿；此外，主控制系统4在该模式下可对储能单元2进行充电控制。

所述待机模式IV，是指当主控制系统4未检测到3种故障类型中的任何一种时，控制谐振型电子开关3运行在串联谐振或不完全串联谐振状态，并控制电压源变流器1对储能单元2进行充电控制，当储能单元2不需要进行充电时，电压源变流器1处于脉冲闭锁状态。

所述运行控制方法的具体控制流程如图2所示，包括以下步骤：

1)采集各传感器信号，包括：PCC₁点系统电压V_s、PCC₂点负载电压V_L、PCC₁点系统电流i_s、PCC2点负载线路电流i_L以及储能单元2输出电流和输出电压、电压源变流器1输出电流；

2)根据所述故障类型I、II、III判定条件，判断是否存在电能质量故障；若是，转步骤3)，否则进入待机模式IV并进入步骤1)；

3)区分故障类型，根据故障类型的优先级别将发明装置快速切换到相应的运行模式；

4)进入所选择的运行模式确认完成相应操作后，转步骤1)。

所述步骤3)中，根据故障类型的优先级别对装置快速切换到相应的运行模式，具体包括：

主控制系统按照3种故障类型的优先级进行模式切换，设定优先级为：故障类型I>故障类型II>故障类型III。

根据所述故障类型优先级，S-UPQC运行模式的切换原则为：

无论装置当前运行在何种模式，当装置检测到比当前运行模式治理的故障类型优先级高的故障类型时，立即切换到与更高优先级故障类型相对应的运行模式；当优先级更高的故障类型状态恢复后，主控制系统4依次判断是否存在优先级更低的故障类型，以确定切换模式类型；当3种故障类型均未检测出时，切换进入待机模式IV。

将三种故障类型判断的条件分别记为条件I，条件II和条件III，则本发明装置的运行切换逻辑如图3所示。图3中英文字符代表的意义如表1所示。

表1图3中运行模式切换条件说明(√表示满足，×表示不满足-表示无关)

所述步骤4)进入所选择的运行模式进行相应操作，具体包括：

1)当S-UPQC进入故障电流限制模式I：主控制系统4立即触发导通双向晶闸管T₁，使电感L_r1与电容C_r构成并联谐振电路，谐振型电子开关在同步角频率ω₀下的等效阻抗从X_串变为X_并，进而将故障电流迅速限制在额定电流的几分之一以下；同时封锁电压源变流器1的电力电子开关脉冲以保护装置本身。当检测到短路故障已经切除，熄灭双向晶闸管T₁的触发脉冲，并确认其自然关断；若短路故障未及时切除，控制断开负载线路开关，避免故障范围的进一步扩大；其后，按照S-UPQC运行模式切换原则进行工作；

2)当S-UPQC进入不间断电源模式II：主控制系统4立即触发导通双向晶闸管T₁，使电感L_r1与电容C_r构成并联谐振电路，谐振型电子开关3在同步角频率ω₀下的等效阻抗从X_串变为X_并，在PCC₁与PCC₂两点之间形成近似无穷大阻抗，将配、用电系统故障端与负荷线路隔离。同时，主控制系统4立刻将判定故障类型II前一时刻PCC₁电压V_S的幅值和相位锁定，控制电压源变流器1在PCC₂点产生与电压V_S幅值、相位完全无缝对接的负荷电压V_L，利用储能单元2存储的电能为线路负荷提供能量。当S-UPQC检测到故障类型II已经恢复或者达到储能单元2的最大放电极限时，主控制系统4熄灭双向晶闸管T₁的触发脉冲等待其自然关断，谐振型电子开关进入串联谐振或不完全串联谐振状态；随即按照S-UPQC运行模式切换原则进行工作；

3)当S-UPQC进入并联补偿模式III：主控制系统4控制双向晶闸管T₁处于关断状态，使电感L_r2与电容C_r构成串联谐振或不完全串联谐振状态；主控制系统4检测PCC₁点系统电流i_S并提取出i_S中的无功分量、负序分量、谐波分量，根据补偿目标控制电压源变流器1产生目标分量注入PCC₂，实现对故障类型III的电能质量问题的补偿。主控制系统4同时检测储能单元2的储能情况，判定其储能不足时通过电压源变流器1从PCC₂点吸收有功功率对储能单元进行充电控制。当检测到故障类型III问题恢复时，主控制系统4控制S-UPQC按照运行模式切换原则进行工作。

下面结合附图和一个电压等级380V，容量100kVA的S-UPQC装置实施例对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明提出的一种并联型统一电能质量控制装置S-UPQC的装置实施例结构如图1所示。装置由电压源变流器1，储能单元2，谐振型电子开关3及主控制系统4构成。其中谐振型电子开关3串联接入电网与带保护负荷之间，两端口分别为PCC₁点和PCC₂点；电压源变流器1交流输出端口并联接入PCC₂点，其直流侧电容端口分别与储能单元2的对应输出端口连接。装置应用于低压场合(380V系统)时，电压源变流器可使用2电平、3电平三相桥结构、或3单相H桥结构，对应图1中N＝1；装置应用与高压场合(6kV、10kV系统)时，电压源变流器可使用级联式H桥多电平变流器，对应图1中N>1且为整数。主控制系统4采集PCC₁点电压V_S、PCC₂点电压V_L、负荷电流i_L以及电网侧电流i_S、储能单元输出直流电压U_DC和直流电流i_DC，输出电压源变流器1的开关脉冲信号以及谐振型电子开关3的开关脉冲信号。

根据本实施例给出的电压和容量基值可以计算出阻抗基值和电流有效值基值，如下

$V_B=380V,S_B=100\mathrm{kVA},X_B={V^2}_B/S_B=1.44\mathrm{\Ω},I_n=S_B/\sqrt{3}{V}_B=152A---\left(9\right)$

本实施例的电压源型变流器1选择采用三相2电平结构，直流端电压设定为700V，输出电抗大小设为0.1pu。

储能单元2选择20组220个超级电容单体串联的超级电容器组及其充放电电路。电容器组工作电压590V，总电容大小9.09F，每个超级电容单体工作电压2.7V，电容大小100F，最大持续电流11A。充放电电路输入电压范围为直流460V～590V，输出电压为直流700V。该储能单元设计参数能够为负荷提供输出功率100kW、供电时长6.4s的后备电源。

谐振型电子开关3中电感L_r1与电容C_r的感抗(容抗)大小分别设定为X_L1＝0.2pu，X_C＝-0.2pu。串联电感L_r2电抗值设定为X_L2＝0.1pu(对应k＝0.5)以提高装置的稳态运行效率。双向晶闸管T₁耐压和耐流分别选择200V/300A。

本实施例S-UPQC装置的控制器4将检测到各种电能质量问题划分为3种类型，包括：故障类型I，亦称为线路短路故障类型，是指在被保护的末端线路或者负荷侧发生严重过载或短路故障；故障类型II，亦称为瞬时/暂时/短时电压变动类型，包括任意单相、两相或三相电压动态电压突升(swells)、电压骤降(Sags)、电压脉冲(Impulses)、电压振荡(Oscillation)及瞬时供电中断(Momentary Interruptions)等电压故障类型；故障类型III，亦称为长期或稳态电能质量类型，包括长期电压变动、电压波动及闪变、不平衡、谐波等电能质量问题。控制器4测量PCC₁点电压、PCC₂点电压、负荷电流，根据测量数据以及三种故障类型判定条件对系统的故障类型进行判断。

根据3类电能质量问题，将S-UPQC运行模式分为4种：故障电流限制模式I、不间断电源模式II、并联补偿模式III及待机模式IV。S-UPQC装置按照3种故障类型的优先级进行模式切换。通常设定优先级为：故障类型I>故障类型II>故障类型III。根据该优先级，S-UPQC运行模式的切换原则为：无论装置当前运行在何种模式，当装置检测到比当前运行模式治理的故障类型优先级高的故障类型时，立即切换到与更高优先级故障类型相对应的运行模式；当优先级更高的故障类型状态恢复后，控制器4依次判断是否存在优先级更低的故障类型，以确定切换模式类型；当3种故障类型均未检测出时，切换进入待机模式IV。

控制器4通过对PCC₁点及PCC₂点的潮流检测，判断电能质量类型并控制S-UPQC在所述4种模式之间进行快速切换和运行。控制时序流程图如图2所示。

本发明装置的运行模式切换逻辑图如图3所示。其中，每次模式切换对应的判断条件参见表1的说明，表1中的“条件1”、“条件2”和“条件3”分别为3中故障类型的判定条件。

当S-UPQC装置进入待机模式时，控制器4熄灭双向晶闸管T₁的触发脉冲等待其自然关断，谐振型电子开关进入串联谐振或不完全串联谐振状态，如图4所示(图4为谐振型电子开关进入串联谐振的情况)。若储能单元未充满电，则电压源变流器1中的电力电子开关动作，对储能单元进行充电。若储能单元已经充满电，则封锁电压源变流器1中的电力电子开关，避免开关损耗。

当S-UPQC装置进入故障限流模式I时，控制器4立即触发导通双向晶闸管T₁，使电感L_r1与电容C_r构成并联谐振电路，谐振型电子开关在同步角频率ω₀下的等效阻抗从X_串变为X_并，进而将故障电流迅速限制在几分之一额定电流以下；同时封锁电压源变流器1的电力电子开关脉冲以保护装置本身，如图5所示。

当S-UPQC进入不间断电源模式II时，控制器4立即触发导通双向晶闸管T₁，使电感L_r1与电容C_r构成并联谐振电路，谐振型电子开关3在同步角频率ω₀下的等效阻抗从X_串变为X_并，在PCC₁与PCC₂两点之间等效形成断路，将配、用电系统故障端与负荷线路隔离，如图6所示。同时，控制器4根据在判定故障类型II时刻锁定的PCC₁电压V_S的幅值和相位，控制电压源变流器1在PCC₂点产生与电压V_S幅值、相位完全无缝对接的电压，利用储能单元2的为线路负荷提供能量。变流器运行在不间断电源模式下的控制方法如图7所示，图中所有的信号均为三相电压瞬时值信号。控制器计算出与电压V_S幅值、相位完全无缝对接的负荷端电压参考值u_Lref，与实测得到的负荷端电压瞬时值u_L做差之后进行比例积分，得到的结果作为电压源型变流器1运行在不间断电源模式下的输出电压参考值u_{ref_UPS}。

当S-UPQC进入并联补偿模式III时，控制器4控制双向晶闸管T₁处于关断状态，使电感L_r2与电容C_r构成串联谐振或不完全串联谐振状态，如图4所示。控制器4检测PCC₁点系统电流i_S并提取出i_S中的无功分量、负序分量、谐波分量，根据补偿目标控制电压源变流器产生目标分量注入PCC₂，实现对故障类型III的电能质量问题的补偿。控制器4同时检测储能单元2的储能情况，判定其储能不足时通过电压源变流器1从PCC₂点吸收有功功率对储能单元进行充电控制。电压源型变流器1在并联补偿模式下具体的控制方法如图8所示。其中，V_Dref和V_D分别表示变流器1直流侧电压参考值和实测值，做差经过比例积分后得到控制直流侧电压的有功电流分量i_dref。V_Sref和V_S分别表示PCC₁点电压有效值的参考值和实测值，做差积分后得到控制系统电压的无功电流分量i_qref。控制器4根据测量得到的PCC₁点三相电压瞬时值u_s锁相计算得到对应的相角θ，有功和无功电流分量经过dq/abc变换后得到电压源型变流器1用于电压调节的参考电流瞬时值i_ref1。控制器4测量负荷电流瞬时值i_L，进行快速傅里叶变换得到负荷电流谐波分量i_h，同时根据式(4)，利用傅里叶变换结果计算得到负荷电流的负序分量i_neg，将i_ref1，i_h和i_neg叠加就可得到电压源型变流器1运行在并联补偿模式III下的输出电流参考值i_ref。将i_ref与实测的变流器1输出电流瞬时值i_c做差，经过PI积分就可以得到电压源型变流器1运行在并联补偿模式III下的输出电压参考值u_{ref_shunt}。

请参考图9所示。仿真模拟0.1s时刻负荷侧发生金属性短路故障，即故障类型I，短路点电压跌落深度为90％，故障时长0.05s。电子谐振开关的参数选择为X_L1＝0.2pu，X_C＝-0.2pu，X_L2＝0.1pu(对应k＝0.5)，负荷采用功率因数为0.8的阻感负荷模拟。本实施例中故障类型I的判定条件参数设定为i_max1＝5.0pu，i_max2＝3.0pu，D_max＝1.5e^-3pu/us，对应基值为电流峰值基值，即装置短时过载倍数设定为K_overload＝1.5，所允许的最大负荷电流峰顶系数设定为K_h＝2.5，得到装置短时能够承受的最大峰值电流为i_max＝I_n·K_h·K_overload＝2.65pu，对应基值为电流峰值基值。可以验证判定条件参数的设定满足i_max2＞i_max的要求。S-UPQC装置在故障之前运行在并联补偿模式III，故障发生后控制器在0.2ms之内检测到电网侧电压跌落，切换装置运行模式为故障限流模式I，0.15s负荷电压恢复，控制器在0.2ms之内检测到负荷电压恢复，重新切换装置运行模式为并联补偿模式III。仿真结果显示负荷短路故障期间能够限制系统侧电流在4.0p.u.以内。

请参考图10所示。仿真模拟0.307s时刻电网侧发生电压跌落故障，即故障类型II，电压跌落深度设为90％，故障时长0.03s。电子谐振开关的参数选择为X_L1＝0.2pu，X_C＝-0.2pu，X_L2＝0.1pu(对应k＝0.5)，负荷采用功率因数为0.8的阻感负荷模拟。故障类型II的判定条件参数设定为V_min＝0.9，V_max＝1.2。S-UPQC装置在故障之前运行在并联补偿模式III，故障发生后0.2ms之内控制器检测到电网侧电压跌落，切换装置运行模式为不间断电源模式II，0.334s电网电压恢复，控制器在0.2ms之内检测到电网电压恢复，重新切换装置运行模式为并联补偿模式III。仿真结果显示负荷电压在整个区间内几乎不收任何影响，电压切换时间在1.5ms以内。

Claims (8)

1.一种并联型统一电能质量控制装置，其特征在于：该并联型统一电能质量控制装置包括电压源变流器，储能单元，谐振型电子开关及主控制系统，该主控制系统由主控制器和多种传感器所组成；其中，谐振型电子开关串联接入电网与受保护敏感负荷之间，谐振型电子开关的两端口分别为PCC₁点和PCC₂点；电压源变流器交流输出端口并联接入PCC₂点，其直流侧电容端口分别与储能单元的对应输出端口连接；主控制器输入端与各传感器相连；主控制器输出端分别与电压源变流器和谐振型电子开关相连接，输出电压源变流器的开关脉冲信号以及谐振型电子开关的开关脉冲信号。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述电压源变流器采用2电平、3电平三相桥结构、3单相H桥结构或级联式H桥多电平变流器之任一种的全控型电力电子开关器件构成，具备电压型控制和电流型控制两种模式。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述储能单元由超级电容、飞轮或电池组储能单元及其附属电力电子电路构成，实现存储电能、向储能单元充电以及向电压源变流器提供有功功率。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述谐振型电子开关，包括一组电感L_r1和电容C_r、一组串联电感L_r2以及一组双向晶闸管T₁；其连接关系为：双向晶闸管T₁与电感L_r1串联所构成的支路与电容C_r相并联，所述L_r1、C_r、T₁构成的并联支路与电感L_r2相互串联。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述主控制系统包括主控制器及与相连的多个传感器；所述多个传感器包括PCC₁点电压互感器PT₁、PCC₂点电压互感器PT₂、PCC₁点系统电流互感器CT₁、PCC₂点电流互感器CT₂、电压源变流器1直流侧电容电压传感器PT₃、储能单元输出电流传感器CT₃和电压源变流器输出电流传感器CT₄；主控制器由DSP芯片和FPGA芯片组成，其中，DSP芯片实现系统级控制、计算、保护及管理，FPGA芯片实现AD采样、PWM脉冲输出以及装置保护；主控制系统实时计算并判定当前电能质量故障类型，根据电能质量故障类型控制并联型统一电能质量控制装置采用对应电能质量运行模式。

6.一种基于权利要求1所述装置的运行控制方法，其特征在于：主控制系统通过对PCC₁点及PCC₂点的潮流检测，将检测到各种电能质量故障进行判别后并划分为3种类型，并据此将并联型统一电能质量控制装置S-UPQC设定为4种运行模式，判断并控制S-UPQC在所述4种模式之间进行快速切换和运行；

所述S-UPQC的4种运行模式包括：故障电流限制模式I、不间断电源模式II、并联补偿模式III及待机模式IV。

7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述运行控制方法具体包括以下步骤：

1)采集各传感器信号，包括：PCC₁点系统电压V_s、PCC₂点负载电压V_L、PCC₁点系统电流i_s、PCC2点负载线路电流i_L以及储能单元输出电流和输出电压、电压源变流器输出电流；

2)根据所述故障类型I、II、III判定条件，判断是否存在电能质量故障；若是，转步骤3)，否则进入待机模式IV并进入步骤1)；

3)区分故障类型，根据故障类型的优先级别将发明装置快速切换到相应的运行模式；

4)进入所选择的运行模式确认完成相应操作后，转步骤1)。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据故障类型的优先级别对装置快速切换到相应的运行模式，具体包括：

主控制系统按照3种故障类型的优先级进行模式切换，设定优先级为：故障类型I>故障类型II>故障类型III；

根据所述故障类型优先级，S-UPQC运行模式的切换原则为：

无论装置当前运行在何种模式，当装置检测到比当前运行模式治理的故障类型优先级高的故障类型时，立即切换到与更高优先级故障类型相对应的运行模式；当优先级更高的故障类型状态恢复后，主控制系统依次判断是否存在优先级更低的故障类型，以确定切换模式类型；当3种故障类型均未检测出时，切换进入待机模式IV。