电力电子|基于电压型逆变器的串联型电能质量补偿器与电力系统相互作用的研究

安防之家讯：建立了基于电压型逆变器的串联型电能质量补偿器与系统相互作用的模型；在此模型的基础上，研究了系统和补偿器之间的相互影响，得出了结论；并用Matlab和Pspice进行了仿真验证。所得结论可为串联型补偿器参数确定提供理论依据。结论也适用于包含串联部分的统一电能质量调节器、统一有源线路调节器以及统一潮流控制器。
关键词：串联型电能质量补偿器；电压源逆变器；统一电能质量调节器；统一有源线路调节器；统一潮流控制器
1　引言
随着电力系统非线性负荷的日益增加，电网中的电能质量问题变得越来越严重。一方面，电网电压存在着各种干扰，如电压升高、降落、瞬变、谐波等，会对许多电能质量敏感的负荷产生不利影响。这些负荷包括计算机、调速系统、整流装置、通信设备等。电能质量问题带来的不利影响涉及到许多工业领域，如造纸、纺织、食品、汽车、半导体制造业等。有资料表明，由于电源电压质量问题在美国工业造成的经济损失每年超过200亿美元。另一方面，由于全球范围内电力市场的开放，电力公司按质论价供电就提到日程上来了。因此，电能质量问题已引起了全世界的专家学者的关注［1，2］。
国外对电能质量问题的研究开展得较早，得到了一系列解决该问题的器件，而且基本上都有了相应的产品。在这些器件中，按与系统的连接来分，可以分为并联型、串联型以及串并联型。并联型器件可以解决电流谐波、闪变等电能质量问题［3，4］。串联型器件可以解决电压不平衡、谐波、短时电压升高或降落、电流谐波等电能质量问题［5，6］。串并联型的器件统一电能质量调节器（UPQC）［7］，它将串联型与并联型能解决的电能质量问题集于一体，甚至能起到UPS［8］的功能，而统一有源线路调节器（UAPLC）［9］还可以将UPQC和统一潮流控制器（UPFC）的功能包括在内，因而串并联型器件是解决电能质量问题的一种很有发展前途的器件。
在上述器件中，各国学者对并联型器件研究得较早、较多。但是，并联型器件并不能解决电网中存在的所有电能质量问题，与之互补的串联型器件可以解决一些并联型器件难以解决的电能质量问题。近年来，利用串联或串并联型器件解决电能质量问题的研究形成了热点。但是，这些文献中对补偿原理、策略的研究较多，而没有考虑系统和补偿器参数之间的相互影响。然而，串联型电能质量补偿器与系统是一个相互耦合的整体，它们之间的相互影响在参数不利的情况下是不能忽略的。
基于以上原因，本文提出了串联型电能质量补偿器与系统相互作用的模型；对系统和补偿器之间的相互影响进行了讨论；并对所得的结论用仿真进行了验证。所得结论可为串联型补偿器参数的确定提供依据，且适用于包含串联部分的UPQC、UPFC和UAPLC。 2　串联型补偿器的工作原理

串联型电能补偿器的主电路如图1所示，由串联变压器、LC滤波器、电压型逆变器和直流电容。其中，直流电容的电压可以通过整流桥、PWM整流器或通过蓄电池经升压电路对其供电。补偿器工作原理为：利用传感器、检测电路检测出电压或电流量；通过控制电路产生由补偿策略确定的补偿信号；然后经过PWM电路形成PWM信号；再由驱动电路去控制逆变器的功率开关；最后由LC滤波器滤除高次谐波，从而在串联变压器上产生与补偿指令相同的补偿电压来抵消电源电压中的各种畸变量，以提高系统的电能质量。


3　补偿器与系统相互作用的模型与分析

根据原理分析可得串联型电能质量补偿器与系统相互作用的原、副边基波等效模型（图2）。假设电网电压的频率为W，基波分量（包含所需补偿的基波分量）为Uf，所需补偿的基波分量为Uf*,负载基波阻抗，电流分别为Zlf和Lif串联变压器原、副边的变比为1：N，则变压器原、副边实际的补偿电压分别为Ucf和NUcf，滤波电感及电容分别为L和C，逆变器A，B两点间的基波电压为NUf*.






由式（2）可知，补偿电压Ucf要受电网电压、频率、负载阻抗、串联变压器变比、滤波电容及电感的影响。分析式（2）可得
（1）滤波电感L在满足电流脉动的情况下应当尽量小，这样电网电压Uf对实际补偿电压Ucf的影响就越小；
（2）串联变压器变比N在满足补偿范围的情况下必须尽量大；
（3）负载阻抗ZLf越大，补偿效果越好，就是说负载越小补偿效果越好；
（4）滤波电容和电感的谐振频率不能等于电网的频率，即必须满足ω2 LC≠1，因为当滤波电容和电感的谐振频率等于电网频率时，实际补偿电压Ucf将远远偏离给定的电压Uf*；
（5）滤波电容和电感的谐振频率必须远远大于电网的频率，即W2LC<1只有这样才能使实际补偿电压Ucf与补偿给定电压Uf*基本相同；
（6）式（2）的分母不能等于零，即ZLf≠也就是说，当负载为容性时存在一
的整数倍。
因此，在设计串联型电能质量补偿器时，必须全面了解系统参数，这样才能进行合理的设计，达到最佳的补偿效果。反之，会对系统产生不利影响，甚至影响系统的稳定。

4　仿真结果

为验证上述分析结果，本文基于原副边等效模型，首先用Matlab进行了参数变化对实际补偿电压影响的仿真，然后，用Pspice进行了进一步的验证。仿真参数如下：电网频率50Hz、基波电压Uf＝342.1 sin314t（V），补偿给定电压U*f＝31.1sin314t（V）、阻性负载ZLf＝1Ω，滤波电容C＝100μF。图3、4为实际补偿电压和补偿给定电压之间的幅值之比与相角之差随变压器变比N和滤波电感L变化的情况。根据补偿原理，在理想的情况
下变压器原边产生的实际补偿电压Ucf应当与所需补偿的电压U*f完全相同。然而，从图3可以看到，随着N的增加，补偿电压的幅值之比由一个最大值逐渐趋向于1，相角之差由小变大又由大趋向于0，这就说明了N越大补偿电压与补偿给定电压之间的误差就越小，补偿效果就越好；同时也说明了变压器的变比一定要仔细选取，如果N选则不当，可能使补偿电压有很大的相移，这时补偿器可能会起反作用。由式（2）可知，负载阻抗ZLf与N对补偿电压的影响是一致的，所以，负载阻抗越大补偿效果也越好。由图4看到，随着滤波电感L的增加补偿电压与补偿给定电压之间的幅值比渐渐增加，而且相角之差逐渐减小，所以在可能的情况下应当使滤波电感L的值尽可能的小。
图5～9是用Pspice仿真得到的波形。为了在变压器原边产生和给定补偿电压U＊f＝31.1sin314t一致的补偿电压，就必须选取合理的参数，否则不能达到补偿的效果，甚至会起反作用。图5为L＝100μH，C＝100μF，ZLf＝R＝1Ω，N分别为1和10的负载侧电压，当N＝1时，负载侧电压有明显的相移，而N＝10时，负载侧电压几乎看不到相移，这说明变压器副边与原边之间的匝数比越大，补偿效果越好。图6是负载阻抗分别等于0．001Ω和1Ω时的仿真波形。可以看到图6（a）中负载侧电压的幅值不到100V，而图6（b）的电压幅值很正常，显然负载阻抗越大补偿效果越好。图7中，当N＝1，L＝100μH，C＝100μF,负载为容性，等于0.10013μF时，负载侧电压仿真波形。这时候式（2）的分母为零，可以看到负载电压随时间的增加而不断增加。

系统此时是不稳定的，即在负载为容性时，系统存在一个不稳定点，故设计时应当远离这个不稳定点。图8为N＝1，L＝1mH，C＝10mF时，负载侧电压的仿真波形，这时候LC滤波器的谐振频率和电网电压的频率相同，可以看到此时负载侧电压幅值接近800V，在这种状态下，负载难以正常工作。图9为补偿器参数选择合理时，基波参考电压和负载侧电压，可以看到波形几乎完全相同。这就是说只要参数选择合理，串联型电能质量补偿器是可以发挥出补偿效果的。
5　结论

（1）负载、滤波电感和电容越小、被补偿的电压、变压器副与原边的匝数比N越大、补偿的效果越好；
（2）当负载为容性时，系统与补偿器之间有一个固有的不稳定点，设计时必须避开这个不稳定点；
（3）滤波电容和电感的谐振频率不能等于电网电压频率的整数倍。
参考文献：
［1］Burke J J,et al. Power qualitytwo different perspectives［J］IEEE Transaction on Power Delivery, 1990, 5(3): 1501-1513.
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［8］Kamran F ,et al. A novel online UPS with universal filtering capabilities［J］. IEEE Transaction on Power Electronics, 1998,13(3): 410-418.
［9］Aredes M ,et al. An universal active power line conditioner［J］.IEEEtransaction on Power Delivery, 1998, 13(2): 545-551.

作者简介：

赵剑锋(1972-)，博士生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用；
蒋平(1954)，副教授，研究方向为FACTS 和Custom Power；
唐国庆(1937-)，教授，博士生导师，研究方向为电力系统运行和电力电子技术在电力系统中的的应用；
李乃湖(1960-)，教授，研究方向为电力电子技术的应用。


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