统一电能质量调节器检测与控制技术研究

摘要

统一电能质量调节器（UPQC）是用户电力中一机多用、具有综合电能质量调节能力的设备，它既可以改善电网输入电流的品质，也可以改善负载侧电压的品质，是最能解决多种电能质量问题的有效设备之一。目前，UPQC还未能广泛进入工业应用领域，其相关的检测和控制技术还有待进一步完善和提高。本文针对 UPQC 信号检测、控制模型和控制方法等方面存在的问题展开深入研究，并提出了新的检测与控制方法。这些工作对于丰富 UPQC 的检测与控制的基础理论，对于推动 UPQC 向大规模工业应用，均具有重要意义。UPQC 的电压电流信号中除包含正序基波分量外，还可能存在负序和零序基波分量以及其它谐波成分。目前普遍采用基于瞬时无功功率理论的 dq0变换方法提取正序基波分量，并由此实施对原始信号中非基波分量的补偿。dq0 变换方法计算量较大，硬件实施较复杂，且不适用于单相检测场合。针对此问题，本文在分析三角函数提取基波电压电流成分有关信息的基础上，提出了一种检测 UPQC 电压电流信号的新方法。该方法利用待检测信号与正弦和余弦参考信号的少量乘除法运算，快速获得待检测信号中的基波电压和基波电流表达式，为高效补偿待检测信号中的非基波分量奠定了基础。

同时，该方法能够动态实时跟踪系统频率和正序基波成分幅值与初相位的变化，提高了方法对系统运行工况变化的适应性。某些电力设备，在将其模型由 abc 坐标系变换到 dq 坐标系后，仍然存在d、q 轴间的交叉耦合，无法实施完全解耦控制。UPQC 的 dq 坐标模型也不例外。针对此问题，本文提出了一种实现完全解耦的新方法：在原模型由 abc坐标系变换到 dq 坐标系的基础上，再增加一次由 dq 至 αβ 间的变换，就可使得再变换后的模型，其各轴分量间具有完全解耦的特性。利用此新方法，建立了 UPQC 的完全解耦模型。完全解耦后的模型，为在一定控制模式和控制方式下实现 UPQC 的解耦控制或控制系统的解耦设计提供了便利，有助于提高系统控制或系统设计性能。根据 UPQC 串并联部分在系统控制目标上的不同分工，可以将 UPQC 的控制模式划分为串压并流模式和串流并压模式，两种模式都可以分别采用开环方式和闭环方式进行控制。本文分别从两种控制模式和两种控制方式入手，哈尔滨工业大学工学博士学位论文提出了相应的控制策略，给出了不同控制策略下给定参考量、检测量等的计算与检测方法。

其中，对开环控制，相关参数的计算充分利用了 UPQC 的解耦模型；对闭环控制，由于控制目标是通过特定的偏差信号进行自动调整，可以不依赖于 UPQC 串并联部分的具体数学模型，但可以利用解耦模型对闭环控制系统的参数进行设计。仿真与实验结果表明：无论哪种控制模式，按照本文提出的控制策略，都可以实现 UPQC 的控制目标，且对相同的控制方式，两种控制模式的性能相近。UPQC直流电容电压的控制，常采用PI控制器。PI控制器由于受到设计参数数量的限制，其控制性能可能难以达到比较理想的程度。由于分数阶PIλDμ控制器在传统PID控制器的基础上增加了调节参数的个数，提高了控制器设计与控制规律优化的空间。鉴于此，本文将分数阶PIλDμ控制器引入UPQC直流电容电压的控制，设计的分数阶PIλDμ控制器经仿真分析表明：分数阶PIλDμ控制器与传统PI控制器相比，有助于提高UPQC直流电容电压的动态控制性能。本文研究工作得到了国家自然科学基金项目(项目编号：50467002)的资助。

1.1 课题研究的目的和意义

1.1.1 研究背景随着我国电力工业持续快速发展，电力系统的规模不断扩大，输电线路传输功率与电压等级在不断提高，同时电力系统的元件成员也在不断增加。其中，以电力电子技术为基础的各种装置和设备不断提出并逐渐应用于系统之中。电力电子装置的应用可以节约能源，提高电能的利用率，增加系统调控的灵活性；但另一方面，由于电力电子设备使用了像晶闸管等具有非线性半导体开关器件，使得其具有不可避免的缺点：这些非线性设备和负载使得大量的谐波电流注入电网，其中的一些设备需要系统提高大量无功功率，并可能引起三相不平衡和零序电流等。同时，随着现代科学技术的发展，许多敏感性负载，如各种复杂的、精密实验仪器和生产过程的自动化控制设备等，对于电网电能质量的要求非常高。所以，在电力系统中，就存在着如下两方面的矛盾。一方面，伴随着系统异常情况的瞬时供电中断、电压跌落等动态电能质量问题，会给用户造成巨大的经济损失。其中，以电力电子、计算机为代表的信息产业和高新技术产业中的很多电子设备，精密过程控制器、通讯设备等，对电能质量非常敏感，电能质量问题可能导致数据错误甚至丢失；控制达不到预计效果，影响产品质量，甚至可能出现设备的损坏和事故的发生。

另一方面，大量负荷也成为电能质量下降的主要原因。非线性元件和非线性负荷越来越多的应用于电力系统的用户端，其产生的无功及谐波电流大量向中、高压配电系统渗透，长期得不到治理，增加了系统的损耗；不对称负荷加剧了电压的不平衡度；快速冲击负荷(轧钢机、焊机、大型冲床等)从电网吸收无功，同时产生电压波动和闪变，降低电动机的有效输出，使产品成品率降低，缩短设备使用寿命。此外，由这些负荷造成的扰动也使遥控误动、电缆过热、变压器中涡流损耗增加、保护误动、电表测量错误等。- 1 –

第 1 章 绪论

国际大电网会议 36 学术委员会（电力系统电磁兼容）也把电能质量控制列入到电磁兼容的范畴[5]。因此，电能质量已被提高到了一个新的认识高度。

1.1.2 研究意义UPQC 在电力系统中的应用研究的必要性主要表现在以下几个方面：（1）用户对于电能的要求。科学技术及社会的不断进步与发展，尤其是以信息技术为先导的知识经济时代的来到，使许多的生产设备(如数控机床、医疗器械、高精度仪器和计算机控制系统等)要求电网提供绿色的电力，而且许多生产过程的自动化和智能化，使得这些越来越复杂、先进的现代生产过程对于谐波、动态过电压、电压凹陷、短时停电等问题非常敏感，不良的电能质量问题可能引起工业生产过程非计划的停产或设备故障，导致用户的生产成本增加，产品质量下降，造成巨大的经济损失。（2）电力系统自身的要求。在电力系统规模扩大的同时，出现了许多特殊性的负荷，特别是冲击性、非线性负荷，如冶金、化工、矿山等行业大量使用的晶闸管整流电源和电弧炉；工业生产中的变频调速装置；电气化铁道中的电力机车；高压直流输电中的换流站等。这些性质的负荷都可称为谐波源，它们从电网吸收或注入谐波电流，可以导致电网的功率因数降低、电网电压波形畸变、电压波动及三相电压不平衡等问题。（3）新型能源的分布式发电设备（如风能发电、太阳能发电和再生资源发电）的并网及利用等问题。上述新型能源由于其自身特点不能与电力网络直接连接，而电力电子设备（主要是逆变单元）则是首选方案。该特点可以增大 UPQC 在电力系统中的应用范围。综上所述，任何一种电能质量问题都可能对用户造成很大的负面影响。UPQC 作为能解决多种电能问题的设备，研究其对电力系统的作用，具有重要理论意义和实用价值。考虑到社会发展的背景和用户的迫切需求，为更好地提高 UPQC 的功能，本文重点研究“统一电能质量控制器检测与控制方法”。该课题的深入研究，不但有助于紧跟国际同类问题的研究步伐，而且具有重要的理论意义和实用价值。实现电能质量的综合治理，改善供用电环境，既符合电力市场发展的要求，可为电力用户提供纯净、可靠、稳定的绿色电源，也可以为供用电部门带来可观的增值效益。

1.2 电能质量的基本内容理想的供电系统中，电能应以单一恒定的频率和稳定的电压为用户提供电力，而且希望负荷为电阻性负载，即功率因数为 1，以提高电能的利用率。但是由于系统规划不恰当、调控手段不完善、负荷变化随机性以及其它不可预见的各种故障等原因，理想的供电状态在实际当中并不存在。因此就提出了电能质量的概念[10]。早期的电能质量标准只包含频率、电压和可靠性（不断电）三个方面[11]。通过电力研究者的不断努力，电能质量制定的标准从以电力企业自身需要出发转为以电力用户“所感受到的”影响为依据、从可靠性和供电质量两个方面来考虑。制定的内容，除了常规的各项稳态及部分动态质量标准外，还新增了若干动态质量标准。国内外有关电能质量控制的研究已掀起高潮，其内容包括所适应的功率理论的扩展，电能质量评价指标体系的建立，新的电能质量分析方法的提出以及基于用户电力技术