CN109390950B - 一种upqc协调控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种UPQC协调控制方法和系统，当配电网侧电压发生跌落时，控制串联变流器的补偿输出电压为串联变流器的额定电压，能够保证负载侧电压的幅值保持不变，保证了串联变流器的补偿电压和补偿功率不超过其额定值的限制，使串联变流器以额定状态运行，最大限度地利用了串联变流器，使串联变流器和并联变流器共同承担负载功率，并且，当配电网侧电压发生跌落时，储能装置开始为负载提供电压跌落时所需的有功功率，在该储能装置的作用下，控制并联变流器输出相应的补偿输出电流，将配电网侧电流补偿为正常工况下负载侧电流的有功分量，以防止电压跌落时馈线电流的增大，可有效避免电压跌落时发生过电流的风险。

Description

一种UPQC协调控制方法和系统
技术领域
本发明涉及一种UPQC协调控制方法和系统，属于基于UPQC的电网控制技术领域。
背景技术
随着以风电、光伏为代表的分布式电源在电网中渗透率的不断提高，以及非线性负载的广泛接入，现代配电网更易受到诸如电压暂降与波动、电流畸变等不同电能质量问题的干扰。为了综合解决电压与电流质量问题，统一电能质量调节器(Unified powerquality conditioner，UPQC)提供了一种切实可行的解决方案。UPQC结合了串联型和并联型有源滤波器两者的功能，可以同时保证负载侧的电压质量和系统侧的电流质量，是有效治理电能质量问题的定制电力技术装置，被认为是功能最为全面的DFACTS(Distributionflexible AC transmission system)技术装置。
如图1所示，UPQC主要结构是由直流侧储能装置以及串联变流器、并联变流器背靠背连接而成，储能装置包括储能模块以及DC/DC变换模块，串联变流器经滤波与串联变压器后串联在配电网中，并联变流器经滤波并入负载侧。储能装置进行功率的缓冲、能量的传递，并在必要时提供补偿所需的能量。配电网侧电压(即电源电压)为VS，iS为配电网侧电流，VL为负载侧电压，IL为负载侧电流。如图2所示，为UPQC的拓扑结构图。
针对含储能装置的UPQC的相关控制策略，有文献提出当电网正常时，通过并联变流器吸收有功功率对储能模块进行充电，一旦电网断开，储能模块迅速释放电以使直流侧电压稳定，同时通过控制串联变流器，保持用户端电压稳定，但在配电网侧电压跌落过程中，串联变流器承担的功率不断增大，增加了其容量负担；另有文献提出了一种包括双向晶闸管、超级电容储能的新型UPQC结构，保证了系统电源电压深度跌落和短时中断时对用户的持续供电，但无法对配电网侧电压的跌落进行补偿。
申请公布号为CN106451466A的中国专利申请文件中公开了一种基于UPQC的电网电能质量控制方法，利用串联变流器输出补偿电压，利用并联变流器输出补偿电流和稳定直流侧电压，串、并联变流器的补偿策略均是利用负反馈以及双闭环控制的方式来维持系统稳定。这种控制方法虽然能够在电网发生不平衡、畸变、谐波等各种电能质量问题时进行综合补偿控制，但是这种控制方法面对的是电网发生不平衡、畸变、谐波等电能质量问题，如果配电网侧电压发生跌落，这种控制方法就无法可靠地对配电网侧电压的跌落进行补偿。并且，如何实现含储能装置的UPQC功率的协调分配，充分发挥串联变流器的作用，并保证补偿电能质量过程中不会发生容量越限，目前国内外鲜有文献报导。
发明内容
本发明的目的是提供一种UPQC协调控制方法，用以解决传统的基于UPQC的电网电能质量控制方法无法对配电网侧电压的跌落进行可靠补偿的问题。本发明同时提供一种UPQC协调控制系统。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种UPQC协调控制方法，当配电网侧电压发生跌落时，控制串联变流器的补偿输出电压为所述串联变流器的额定电压，以使负载侧电压的幅值保持不变；在储能装置的作用下，控制并联变流器输出一定的补偿输出电流，以使配电网侧电流为正常工况下负载侧电流的有功分量。
当配电网侧电压发生跌落时，控制串联变流器的补偿输出电压为串联变流器的额定电压，能够保证负载侧电压的幅值保持不变，保证了串联变流器的补偿电压和补偿功率不超过其额定值的限制，使串联变流器以额定状态运行，最大限度地利用了串联变流器，也就最大限度地分担了并联变流器的负担，使串联变流器和并联变流器共同承担负载功率，所以，通过输出电压补偿向量，解决配电网侧电压跌落、不平衡等电能质量问题，保证负载侧电压质量。并且，当配电网侧电压发生跌落时，储能装置开始为负载提供电压跌落时所需的有功功率，在该储能装置的作用下，控制并联变流器输出相应的补偿输出电流，将配电网侧电流补偿为正常工况下负载侧电流的有功分量，以防止电压跌落时馈线电流的增大，可有效避免电压跌落时发生过电流的风险，所以，通过输出电流补偿向量，进行负载的无功补偿以及负载电流的谐波消除，以免由非线性负载带来的谐波电流污染电网电流，保证电网侧电流的正弦特性。另外，储能装置进行功率的缓冲、能量的传递，并在必要时提供补偿所需的能量。
串联变流器的补偿输出电压矢量V′sr的计算公式为：
Figure BDA0001369592670000031
其中，
Figure BDA0001369592670000032
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，k为配电网侧电压跌落系数，
Figure BDA0001369592670000033
V′S为跌落后的配电网侧电压，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压。
并联变流器输出的补偿输出电流矢量I′Sh的计算公式为：
Figure BDA0001369592670000034
其中，
Figure BDA0001369592670000035
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压，
Figure BDA0001369592670000041
为功率因数角，I′L为补偿后的负载侧电流，β为跌落后的配电网侧电压V′S与补偿后的负载侧电流I′L之间的夹角，
Figure BDA0001369592670000042
IL为正常的负载侧电流。
根据确定的串联变流器的补偿输出电压得到串联变流器相应的补偿参数，然后对串联变流器进行相应地补偿控制；根据确定的并联变流器的补偿输出电流得到并联变流器相应的补偿参数，然后对并联变流器进行相应地补偿控制。
本发明还提供一种UPQC协调控制系统，包括用于执行以下控制策略的控制模块：当配电网侧电压发生跌落时，控制串联变流器的补偿输出电压为所述串联变流器的额定电压，以使负载侧电压的幅值保持不变；在储能装置的作用下，控制并联变流器输出一定的补偿输出电流，以使配电网侧电流为正常工况下负载侧电流的有功分量。
串联变流器的补偿输出电压矢量V′sr的计算公式为：
Figure BDA0001369592670000043
其中，
Figure BDA0001369592670000044
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，k为配电网侧电压跌落系数，
Figure BDA0001369592670000045
V′S为跌落后的配电网侧电压，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压。
并联变流器输出的补偿输出电流矢量I′Sh的计算公式为：
Figure BDA0001369592670000051
其中，
Figure BDA0001369592670000052
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压，
Figure BDA0001369592670000053
为功率因数角，I′L为补偿后的负载侧电流，β为跌落后的配电网侧电压V′S与补偿后的负载侧电流I′L之间的夹角，
Figure BDA0001369592670000054
IL为正常的负载侧电流。
根据确定的串联变流器的补偿输出电压得到串联变流器相应的补偿参数，然后对串联变流器进行相应地补偿控制；根据确定的并联变流器的补偿输出电流得到并联变流器相应的补偿参数，然后对并联变流器进行相应地补偿控制。
附图说明
图1是含有储能装置的UPQC结构框图；
图2是含有储能装置的UPQC拓扑结构图；
图3是UPQC功率角控制示意图；
图4是无电压跌落时的UPQC工作相量图；
图5是有电压跌落时的UPQC控制策略工作相量图；
图6-1是配电网侧电压、电流仿真波形图；
图6-2是负载侧电压、电流仿真波形图；
图6-3是并联变流器补偿电流、负载电流仿真波形图；
图6-4是串联变流器有功、无功功率波形图；
图6-5是并联变流器有功、无功功率波形图；
图6-6是配电网侧输出有功、无功功率仿真波形图；
图6-7是储能装置输出有功功率仿真波形图；
图6-8是储能装置出口直流母线电压仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，为基于统一电能质量调节器(Unified power quality conditioner，UPQC)的系统结构图，其主要结构是由储能装置以及串联变流器、并联变流器背靠背连接而成，图2为图1对应的UPQC系统拓扑图。
UPQC配套设置有一个控制系统，用于对UPQC进行相关控制，为了便于说明本发明提供的协调控制策略，将该控制系统称为UPQC协调控制系统，该控制系统的核心在于内部的一个控制模块，该控制模块内部加载有协调控制策略，用于在配电网侧电压发生跌落时，控制UPQC进行协调控制。
因此，本发明的重点不在于控制系统的硬件结构，而在于UPQC协调控制策略，该协调控制策略的整体方案是：当配电网侧电压(即电源电压)发生跌落时，串联变流器输出补偿输出电压，且控制串联变流器的补偿输出电压为串联变流器的额定电压，能够保证负载侧电压的幅值保持不变，保证了串联变流器的补偿电压和补偿功率不超过其额定值的限制，使串联变流器以额定状态运行，最大限度地利用了串联变流器，也就最大限度地分担了并联变流器的负担，使串联变流器和并联变流器共同承担负载功率，所以，由于串联变流器输出的补偿电压同时具有大小和方向，因此，输出的是电压向量，也叫电压矢量，通过输出电压补偿向量，解决配电网侧电压跌落、不平衡等电能质量问题，保证负载侧电压质量。并且，当配电网侧电压发生跌落时，储能装置开始为负载提供电压跌落时所需的有功功率，在该储能装置的作用下，控制并联变流器输出相应的补偿输出电流，将配电网侧电流补偿为正常工况下负载侧电流的有功分量，以防止电压跌落时馈线电流的增大，可有效避免电压跌落时发生过电流的风险，所以，通过输出电流补偿向量，进行负载的无功补偿以及负载电流的谐波消除，以免由非线性负载带来的谐波电流污染电网电流，保证电网侧电流的正弦特性。另外，储能装置进行功率的缓冲、能量的传递，并在必要时提供补偿所需的能量。
以下结合向量关系图对以上技术方案进行详细描述。
首先，定义配电网侧电压与负载侧电压的夹角为功率角，如图3所示，为UPQC的功率角控制示意图，那么，原则上可以通过选择合适的功率角，能够在不改变负载电压幅值的同时，使串联变流器发出一定大小的无功功率，以分担并联变流器的负担。该图3为基于PAC的UPQC工作相量图，其中，Vs为正常的配电网侧电压，IL为正常的负载侧电流，VL为正常的负载侧电压，
Figure BDA0001369592670000071
为负载的功率因数，δ为发生跌落的配电网侧电压V′S，即跌落后的配电网侧电压与负载侧电压VL之间的功率角。不同的δ意味串联变流器可以通过补偿不同幅值、不同相位的补偿电压V′sr来保证负载侧电压的幅值不变，为额定值，而功率角δ的存在使得串联变流器可以承担部分负载功率，减轻并联变流器的功率负担。另外，由于补偿后的负载侧电压V′L与正常的负载侧电压VL相同，那么，功率角δ还可为定义为跌落后的配电网侧电压V′S与补偿后的负载侧电压V′L的夹角。
UPQC功率角控制的核心是如何选取功率角δ，从而在补偿电压时实现功率的协调分配，同时由于储能装置的存在，并联变流器的补偿电流Ish的选取也变得更加灵活。
图4为无电压暂降情况下UPQC工作相量图。在保证负载侧电压幅值不变的前提下，串联变流器输出的补偿电压Vsr始终维持为串联变流器的额定电压，保证了串联变流器的补偿电压和补偿功率不超过额定值的限制，最大限度地利用了串联变流器，使其分担了部分并联变流器的负担。
由于负载功率因数角
Figure BDA0001369592670000081
保持不变，因此定义角度β，β为跌落后的配电网侧电压V′S与补偿后的负载侧电流I′L之间的夹角，
Figure BDA0001369592670000082
因为配电网侧电压和负载侧电流在补偿前后保持不变，故有
Figure BDA0001369592670000083
为保证串联变流器工作时不超过额定电压的限制，同时最大限度发挥串联变流器的作用，将串联变流器输出的补偿电压Vsr始终维持为其额定电压Vrat，即在图4中以配电网侧电压VS末端点O点为圆心，额定电压Vrat的幅值为半径画圆，为保证电压补偿前后幅值不变，其与圆弧
Figure BDA0001369592670000084
的交点即为点A，向量
Figure BDA0001369592670000085
则为串联变流器的补偿电压Vsr。由于补偿前后负载侧电压不变，则补偿后的负载侧电压V′L等于正常的负载侧电压VL。因此由图4可知，此时的功率角δ的计算公式为：
Figure BDA0001369592670000086
进一步可得串联变流器的输出电压Vsr为
Figure BDA0001369592670000087
为了防止配电网侧电压跌落时发生的过电流，利用储能装置的作用，将配电网侧电流维持为正常工况下负载侧电流的有功分量Is：
Figure BDA0001369592670000088
那么，对于并联变流器来说，由图4可得其补偿电流Ish的幅值为：
Figure BDA0001369592670000089
补偿电流Ish的相角为：
Figure BDA0001369592670000091
上述是对配电网侧电压没有发生跌落的情况进行的计算过程说明。
当配电网侧电压发生跌落时，储能装置开始为负载提供电压跌落时所需的有功功率。如图5所示，为电压跌落情况下UPQC工作相量图。在保证负载侧电压幅值不变的前提下，即保证补偿后的负载侧电压V′L等于正常的负载侧电压VL，串联变流器输出的补偿电压V′sr固定为串联变流器的额定工作电压Vrat，因此串联变流器始终以额定状态运行，使其在不超过容量限制的前提下，最大限度地提供负载所需的无功功率，减轻了并联变流器的负担，此时负载功率由配电网、串并联变流器以及储能装置共同承担。
在图5中，为了使补偿电压V′sr维持在额定工作电压Vrat，以跌落后的配电网侧电压V′S末端点O′点为圆心，额定工作电压Vrat的幅值为半径画圆，其与圆弧
Figure BDA0001369592670000092
的交点为点A′，向量
Figure BDA0001369592670000093
即为串联变流器输出的补偿电压V′sr。
定义电压跌落系数k，为跌落后的配电网侧电压V′S与正常配电网侧电压Vs的比值，即
Figure BDA0001369592670000094
那么，功率角δ为：
Figure BDA0001369592670000095
进一步可得串联变流器的补偿电压V′sr为：
Figure BDA0001369592670000096
即：
Figure BDA0001369592670000101
在储能装置的作用下，并联变流器输出的补偿电流I′Sh，能够将配电网侧电流补偿为正常工况下负载侧电流的有功分量IS，可有效避免系统电压跌落时发生过电流的风险。
那么，对于并联变流器补偿来说，可得其补偿电流I′Sh为：
Figure BDA0001369592670000102
即：
Figure BDA0001369592670000103
因此，串联变流器的工作电压被固定为其额定值，因此最大限度地分担了并联变流器的负担，同时利用储能装置的使配电网侧电流始终维持为正常工况下负载电流的有功分量，保证了配电网侧电压跌落时不发生过电流现象。
进一步地，串联变流器的额定工作电压Vrat还可以设计为额定的配电网侧电压VS，才能实现配电网侧电压完全跌落时储能的不间断电源(UPS)功能，满足重要负荷的不间断供电需求。
下面以一个具体的例子来说明：
为了验证本发明提出的协调控制策略的控制效果，在2s时将配电网侧电压幅值设置为发生20％(60V)的幅值跳变，系统的相关仿真结果如附图6-1至6-8所示。
从图6-1至6-2可以看出，串联变流器通过补偿电压向量V′sr确保负载侧电压维持在额定相电压，幅值为310.26V，保障了负载的供电质量；并联变流器通过补偿恰当的电流向量I′Sh实现负载无功补偿的功能，使得配电网侧电流Is补偿为与配电网侧电压VS同相位，如图6-1所示。从图6-3可以得出，在电压跌落前后，由于利用储能装置将配电网侧电流维持为正常工况下负载电流的有功分量，消除了配电网侧电流出现过电流的风险。
从图6-4至6-6可以看出，当配电网侧电压正常时，配电网承担全部有功功率11.5kW，串联变流器与并联变流器共同承担负载无功功率11.5kVar。2s后，当配电网侧电压发生跌落时，配电网承担的有功功率减小为9.1kW，该部分有功差额2.4kW由储能装置通过并联变流器向负载提供，如图6-7所示。同时，串联变流器承担的有功功率减小且无功功率增大，并在电压跌落前后补偿容量保持不变，其大小为11.5kVA，确保不会发生容量越限。而并联变流器在电压跌落过程中承担的无功功率相应地减小且有功功率增大，实现了功率的协调分配。图6-8给出了储能装置出口直流母线波形图，可以看出，在配电网侧电压突发暂降时，UPQC直流电压可快速恢复额定值，维持了直流母线的稳定。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种UPQC协调控制方法，其特征在于，当配电网侧电压发生跌落时，控制串联变流器的补偿输出电压为所述串联变流器的额定电压，以使负载侧电压的幅值保持不变；在储能装置的作用下，控制并联变流器输出一定的补偿输出电流，以使配电网侧电流为正常工况下负载侧电流的有功分量，以防止电压跌落时馈线电流的增大；
并联变流器输出的补偿输出电流矢量I′Sh的计算公式为：
Figure FDA0003167380260000011
其中，
Figure FDA0003167380260000012
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压，
Figure FDA0003167380260000013
为功率因数角，I′L为补偿后的负载侧电流，β为跌落后的配电网侧电压V′S与补偿后的负载侧电流I′L之间的夹角，
Figure FDA0003167380260000014
IL为正常的负载侧电流。
2.根据权利要求1所述的UPQC协调控制方法，其特征在于，串联变流器的补偿输出电压矢量V′sr的计算公式为：
Figure FDA0003167380260000015
其中，
Figure FDA0003167380260000016
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，k为配电网侧电压跌落系数，
Figure FDA0003167380260000021
V′S为跌落后的配电网侧电压，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压。
3.根据权利要求1所述的UPQC协调控制方法，其特征在于，根据确定的串联变流器的补偿输出电压得到串联变流器相应的补偿参数，然后对串联变流器进行相应地补偿控制；根据确定的并联变流器的补偿输出电流得到并联变流器相应的补偿参数，然后对并联变流器进行相应地补偿控制。
4.一种UPQC协调控制系统，其特征在于，包括用于执行以下控制策略的控制模块：当配电网侧电压发生跌落时，控制串联变流器的补偿输出电压为所述串联变流器的额定电压，以使负载侧电压的幅值保持不变；在储能装置的作用下，控制并联变流器输出一定的补偿输出电流，以使配电网侧电流为正常工况下负载侧电流的有功分量，以防止电压跌落时馈线电流的增大；
并联变流器输出的补偿输出电流矢量I′Sh的计算公式为：
Figure FDA0003167380260000022
其中，
Figure FDA0003167380260000023
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压，
Figure FDA0003167380260000024
为功率因数角，I′L为补偿后的负载侧电流，β为跌落后的配电网侧电压V′S与补偿后的负载侧电流I′L之间的夹角，
Figure FDA0003167380260000025
IL为正常的负载侧电流。
5.根据权利要求4所述的UPQC协调控制系统，其特征在于，串联变流器的补偿输出电压矢量V′sr的计算公式为：
Figure FDA0003167380260000031
其中，
Figure FDA0003167380260000032
δ为发生跌落的配电网侧电压与负载侧电压之间的夹角，k为配电网侧电压跌落系数，
Figure FDA0003167380260000033
V′S为跌落后的配电网侧电压，Vs为正常的配电网侧电压，V′L为补偿后的负载侧电压，Vrat为所述串联变流器的额定电压。
6.根据权利要求4所述的UPQC协调控制系统，其特征在于，根据确定的串联变流器的补偿输出电压得到串联变流器相应的补偿参数，然后对串联变流器进行相应地补偿控制；根据确定的并联变流器的补偿输出电流得到并联变流器相应的补偿参数，然后对并联变流器进行相应地补偿控制。
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ＵＰＱＣ切换运行模式的小信号分析及协调控制策略;贾东强 等;《电力系统自动化》;20140710;第38卷(第13期);第192-193页 *

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