摘要：建立了基于電壓型逆變器的串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器與系統(tǒng)相互作用的模型；在此模型的基礎(chǔ)上，研究了系統(tǒng)和補(bǔ)償器之間的相互影響，得出了結(jié)論；并用Matlab和Pspice進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。所得結(jié)論可為串聯(lián)型補(bǔ)償器參數(shù)確定提供理論依據(jù)。結(jié)論也適用于包含串聯(lián)部分的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、統(tǒng)一有源線路調(diào)節(jié)器以及統(tǒng)一潮流控制器。
關(guān)鍵詞：串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器；電壓源逆變器；統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器；統(tǒng)一有源線路調(diào)節(jié)器；統(tǒng)一潮流控制器
1　引言
　　隨著電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的日益增加，電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。一方面，電網(wǎng)電壓存在著各種干擾，如電壓升高、降落、瞬變、諧波等，會(huì)對(duì)許多電能質(zhì)量敏感的負(fù)荷產(chǎn)生不利影響。這些負(fù)荷包括計(jì)算機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)、整流裝置、通信設(shè)備等。電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的不利影響涉及到許多工業(yè)領(lǐng)域，如造紙、紡織、食品、汽車(chē)、半導(dǎo)體制造業(yè)等。有資料表明，由于電源電壓質(zhì)量問(wèn)題在美國(guó)工業(yè)造成的經(jīng)濟(jì)損失每年超過(guò)200億美元。另一方面，由于全球范圍內(nèi)電力市場(chǎng)的開(kāi)放，電力公司按質(zhì)論價(jià)供電就提到日程上來(lái)了。因此，電能質(zhì)量問(wèn)題已引起了全世界的專家學(xué)者的關(guān)注^［1，2］。
　　國(guó)外對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究開(kāi)展得較早，得到了一系列解決該問(wèn)題的器件，而且基本上都有了相應(yīng)的產(chǎn)品。在這些器件中，按與系統(tǒng)的連接來(lái)分，可以分為并聯(lián)型、串聯(lián)型以及串并聯(lián)型。并聯(lián)型器件可以解決電流諧波、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題^［3，4］。串聯(lián)型器件可以解決電壓不平衡、諧波、短時(shí)電壓升高或降落、電流諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題^［5，6］。串并聯(lián)型的器件統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）^［7］，它將串聯(lián)型與并聯(lián)型能解決的電能質(zhì)量問(wèn)題集于一體，甚至能起到UPS^［8］的功能，而統(tǒng)一有源線路調(diào)節(jié)器（UAPLC）^［9］還可以將UPQC和統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）的功能包括在內(nèi)，因而串并聯(lián)型器件是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的一種很有發(fā)展前途的器件。
　　在上述器件中，各國(guó)學(xué)者對(duì)并聯(lián)型器件研究得較早、較多。但是，并聯(lián)型器件并不能解決電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，與之互補(bǔ)的串聯(lián)型器件可以解決一些并聯(lián)型器件難以解決的電能質(zhì)量問(wèn)題。近年來(lái)，利用串聯(lián)或串并聯(lián)型器件解決電能質(zhì)量問(wèn)題的研究形成了熱點(diǎn)。但是，這些文獻(xiàn)中對(duì)補(bǔ)償原理、策略的研究較多，而沒(méi)有考慮系統(tǒng)和補(bǔ)償器參數(shù)之間的相互影響。然而，串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器與系統(tǒng)是一個(gè)相互耦合的整體，它們之間的相互影響在參數(shù)不利的情況下是不能忽略的。
    基于以上原因，本文提出了串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器與系統(tǒng)相互作用的模型；對(duì)系統(tǒng)和補(bǔ)償器之間的相互影響進(jìn)行了討論；并對(duì)所得的結(jié)論用仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。所得結(jié)論可為串聯(lián)型補(bǔ)償器參數(shù)的確定提供依據(jù)，且適用于包含串聯(lián)部分的UPQC、UPFC和UAPLC。

2　串聯(lián)型補(bǔ)償器的工作原理

    串聯(lián)型電能補(bǔ)償器的主電路如圖1所示，由串聯(lián)變壓器、LC濾波器、電壓型逆變器和直流電容。其中，直流電容的電壓可以通過(guò)整流橋、PWM整流器或通過(guò)蓄電池經(jīng)升壓電路對(duì)其供電。補(bǔ)償器工作原理為：利用傳感器、檢測(cè)電路檢測(cè)出電壓或電流量；通過(guò)控制電路產(chǎn)生由補(bǔ)償策略確定的補(bǔ)償信號(hào)；然后經(jīng)過(guò)PWM電路形成PWM信號(hào)；再由驅(qū)動(dòng)電路去控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)；后由LC濾波器濾除高次諧波，從而在串聯(lián)變壓器上產(chǎn)生與補(bǔ)償指令相同的補(bǔ)償電壓來(lái)抵消電源電壓中的各種畸變量，以提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。
            

3　補(bǔ)償器與系統(tǒng)相互作用的模型與分析

    根據(jù)原理分析可得串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器與系統(tǒng)相互作用的原、副邊基波等效模型（圖2）。假設(shè)電網(wǎng)電壓的頻率為W，基波分量（包含所需補(bǔ)償?shù)幕ǚ至浚閁_f，所需補(bǔ)償?shù)幕ǚ至繛閁_f^*,負(fù)載基波阻抗，電流分別為Z_lf和L_if串聯(lián)變壓器原、副邊的變比為1：N，則變壓器原、副邊實(shí)際的補(bǔ)償電壓分別為U_cf和NU_cf，濾波電感及電容分別為L(zhǎng)和C，逆變器A，B兩點(diǎn)間的基波電壓為NU_f^*.
                

　　由式（2）可知，補(bǔ)償電壓U_cf要受電網(wǎng)電壓、頻率、負(fù)載阻抗、串聯(lián)變壓器變比、濾波電容及電感的影響。分析式（2）可得

   （1）濾波電感L在滿足電流脈動(dòng)的情況下應(yīng)當(dāng)盡量小，這樣電網(wǎng)電壓U_f對(duì)實(shí)際補(bǔ)償電壓U_cf的影響就越小；
   （2）串聯(lián)變壓器變比N在滿足補(bǔ)償范圍的情況下必須盡量大；
   （3）負(fù)載阻抗Z_Lf越大，補(bǔ)償效果越好，就是說(shuō)負(fù)載越小補(bǔ)償效果越好；
   （4）濾波電容和電感的諧振頻率不能等于電網(wǎng)的頻率，即必須滿足ω² LC≠1，因?yàn)楫?dāng)濾波電容和電感的諧振頻率等于電網(wǎng)頻率時(shí)，實(shí)際補(bǔ)償電壓U_cf將遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離給定的電壓Uf*；
   （5）濾波電容和電感的諧振頻率必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的頻率，即W²LC<1只有這樣才能使實(shí)際補(bǔ)償電壓U_cf與補(bǔ)償給定電壓Uf*基本相同；
   （6）式（2）的分母不能等于零，即ZLf≠也就是說(shuō)，當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)存在一
的整數(shù)倍。
    因此，在設(shè)計(jì)串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器時(shí)，必須全面了解系統(tǒng)參數(shù)，這樣才能進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，達(dá)到的補(bǔ)償效果。反之，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4　仿真結(jié)果

    為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，本文基于原副邊等效模型，首先用Matlab進(jìn)行了參數(shù)變化對(duì)實(shí)際補(bǔ)償電壓影響的仿真，然后，用Pspice進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)頻率50Hz、基波電壓Uf＝342.1 sin314t（V），補(bǔ)償給定電壓U*f＝31.1sin314t（V）、阻性負(fù)載Z_Lf＝1Ω，濾波電容C＝100μF。圖3、4為實(shí)際補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償給定電壓之間的幅值之比與相角之差隨變壓器變比N和濾波電感L變化的情況。根據(jù)補(bǔ)償原理，在理想的情況
下變壓器原邊產(chǎn)生的實(shí)際補(bǔ)償電壓U_cf應(yīng)當(dāng)與所需補(bǔ)償?shù)碾妷篣*f相同。然而，從圖3可以看到，隨著N的增加，補(bǔ)償電壓的幅值之比由一個(gè)值逐漸趨向于1，相角之差由小變大又由大趨向于0，這就說(shuō)明了N越大補(bǔ)償電壓與補(bǔ)償給定電壓之間的誤差就越小，補(bǔ)償效果就越好；同時(shí)也說(shuō)明了變壓器的變比一定要仔細(xì)選取，如果N選則不當(dāng)，可能使補(bǔ)償電壓有很大的相移，這時(shí)補(bǔ)償器可能會(huì)起反作用。由式（2）可知，負(fù)載阻抗Z_Lf與N對(duì)補(bǔ)償電壓的影響是一致的，所以，負(fù)載阻抗越大補(bǔ)償效果也越好。由圖4看到，隨著濾波電感L的增加補(bǔ)償電壓與補(bǔ)償給定電壓之間的幅值比漸漸增加，而且相角之差逐漸減小，所以在可能的情況下應(yīng)當(dāng)使濾波電感L的值盡可能的小。
    圖5～9是用Pspice仿真得到的波形。為了在變壓器原邊產(chǎn)生和給定補(bǔ)償電壓U＊f＝31.1sin314t一致的補(bǔ)償電壓，就必須選取合理的參數(shù)，否則不能達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч踔習(xí)鸱醋饔谩D5為L(zhǎng)＝100μH，C＝100μF，Z_Lf＝R＝1Ω，N分別為1和10的負(fù)載側(cè)電壓，當(dāng)N＝1時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓有明顯的相移，而N＝10時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓幾乎看不到相移，這說(shuō)明變壓器副邊與原邊之間的匝數(shù)比越大，補(bǔ)償效果越好。圖6是負(fù)載阻抗分別等于0．001Ω和1Ω時(shí)的仿真波形。可以看到圖6（a）中負(fù)載側(cè)電壓的幅值不到100V，而圖6（b）的電壓幅值很正常，顯然負(fù)載阻抗越大補(bǔ)償效果越好。圖7中，當(dāng)N＝1，L＝100μH，C＝100μF,負(fù)載為容性，等于0.10013μF時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓仿真波形。這時(shí)候式（2）的分母為零，可以看到負(fù)載電壓隨時(shí)間的增加而不斷增加。
                   

  系統(tǒng)此時(shí)是不穩(wěn)定的，即在負(fù)載為容性時(shí)，系統(tǒng)存在一個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離這個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)。圖8為N＝1，L＝1mH，C＝10mF時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓的仿真波形，這時(shí)候LC濾波器的諧振頻率和電網(wǎng)電壓的頻率相同，可以看到此時(shí)負(fù)載側(cè)電壓幅值接近800V，在這種狀態(tài)下，負(fù)載難以正常工作。圖9為補(bǔ)償器參數(shù)選擇合理時(shí)，基波參考電壓和負(fù)載側(cè)電壓，可以看到波形幾乎相同。這就是說(shuō)只要參數(shù)選擇合理，串聯(lián)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器是可以發(fā)揮出補(bǔ)償效果的。
              

5　結(jié)論

　　    （1）負(fù)載、濾波電感和電容越小、被補(bǔ)償?shù)碾妷骸⒆儔浩鞲迸c原邊的匝數(shù)比N越大、補(bǔ)償?shù)男Ч胶茫?br/>   （2）當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)，系統(tǒng)與補(bǔ)償器之間有一個(gè)固有的不穩(wěn)定點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)必須避開(kāi)這個(gè)不穩(wěn)定點(diǎn)；
   （3）濾波電容和電感的諧振頻率不能等于電網(wǎng)電壓頻率的整數(shù)倍。
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作者簡(jiǎn)介：

趙劍鋒(1972-)，博士生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；
蔣平(1954)，副教授，研究方向?yàn)镕ACTS 和Custom Power；
唐國(guó)慶(1937-)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行和電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的的應(yīng)用；
李乃湖(1960-)，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)的應(yīng)用。