毕业论文(设计)--电能质量控制器的串联变流器设计与实现论文.doc

分类号_ 密级_U D C _硕士学位论文电能质量控制器串联变换器的设计与实现学位申请人： 唐 军学科专业： 电力电子与电力传动指导教师： 杨荫福 教授 李 勋 博士 论文答辩日期 学位授予日期 答辩委员会主席 评阅人 2A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the RequirementsFor the Degree of Master of EngineeringDesign and Realization of the Series Converter of UPQCCandidate:Jun TangMajor:Power Electronics & Electrical DriveSupervisor:Prof. Yinfu Yang Dr. Xun Li Huazhong University of Science and TechnologyWuhan, Hubei P.R. China 430074April, 2006独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律效果由本人承担。 学位论文作者签名：唐军 日期： 2006年 4月 21 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。不保密。 本论文属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：唐军 指导教师签名： 日期：2006 年4月20日 78摘要随着现代科技和工业技术的发展，电能质量成为电力系统、电力用户、电力设备生产商等各个方面共同关心的问题。基于电力电子技术面向配电系统的FACTS技术（DFACTS）用户电力技术（CUSPOW）成为解决电能质量问题有效手段。本文主要内容是关于三相四线制电能质量控制器（UPQC）系统的串联变流器的研究，进行了以下研究工作。首先，根据电能质量控制器系统的功率电路及功能要求，分析了其工作原理，并且选择三相四线制的UPQC系统作为研究对象。 其次，分别在静止ABC及空间旋转dq0坐标系下建立了电能质量控制器的串联变流器的数学模型，指出三相四线制的串联变流器在三相坐标系下的独立性以及dq0坐标系下0轴独立于dq轴的特性。讨论了串联变流器在理想电网电压下的控制及非理想电网电压下的控制问题。为抑制电网电压不平衡及谐波的影响，提出了两种有效的控制策略：三相ABC独立控制、基于SFR的dq0轴控制。介绍了一种基于MATLAB SIMULINK仿真环境的电路模型仿真技术，并通过仿真验证以上控制方案的有效性。最后，给出10kVA三相四线制UPQC串联变流器实验装置的硬件电路设计和控制系统设计，分别对串联变流器单独运行和串联变流器在UPQC系统中运行的各种工况下的运行进行了实验研究。验证了统一电能质量调节器的串联变流器改善电网侧电能质量有效性。关键词：统一电能质量调节器(UPQC) 串联变流器 ABC 独立控制 dq0轴控制Abstract With the development of morden science and industy ,power system 、customer、power facility producer are all concerned with the power quality problem .DFACTS system ,which is based on the technology of power electronics for power distribution area has become an effective measure to solve power quality problem. The series converter of a three phase four wire UPQC system is studied in this thesis ,the main content of this paper as listed below. Firstly, based on the power circuit and system performance of the series converter of UPQC,the operation principle of the system is analyzed. Then ,according the demand of this paper , three phase four wire UPQC system is chosed as the study object. Secondly,the mathematical models of series converter of UPQC are established in ABC frame and dq0 frame.The models show that each phase of the three-phase four-wire series converter is individual in ABC frame and 0 axis is independent of dq axis in synchronous frame. The control strategies for series converter are discussed with ideal or non-ideal input voltage. For suppressing the influences of non-ideal input voltage, three effective control methods are introduced. The first is three-phase ABC individual control, the second is dq0 axis control, the third is the harmonic of input voltage forward feedback control. Based on MATLAB SIMULINK environment, a circuit modeling simulating method is introduced. Finally, Finally, a 10kVA power circuit of the series converter of the three-phase four-wire UPQC and its coordinated control system based on DSP is designed . A large number of experimental results are obtained when the series converter operate by itself and in the UPQC system,the results prove that the series converter can effectively improve the current quality of power system .Keywords: three phase four wire unified power quality conditioner(UPQC) Series converterthree-phase ABC individual control dq0 axis control目 录摘要.IABSTRACT.II1 绪论1.1电力电子技术在电力系统中的应用.11.2 电能质量控制. .31.3 用于电能质量控制的用户电力技术.31.4 本课题研究的必要性和研究内容.82统一电能质量控制器（UPQC）的工作原理2.1 UPQC系统主电路.92.2 UPQC系统的工作原理.102.3 UPQC系统的等效电路模型.132.4 UPQC系统的控制方案.153串联变流器的控制和仿真3.1串联变流器的数学模型.17 3.2理想电网电压下串联变流器的控制.223.3非理想电网电压下串联变流器的控制.283.4锁相环.32 3.5串联变流器控制仿真建模和仿真分析.334 串联变流器设计及其控制方案的实现4.1串联变流器主电路的设计.454.2串联变流器控制系统硬件电路的设计.504.3串联变流器控制系统软件的设计.565 实验结果和全文总结5.1单独工作的串联变流器实验结果分析.615.2串联变流器在UPQC系统中实验验证分析.645.3 全文总结.725.4 今后工作展望.73致谢.74参考文献.75附录1攻读硕士学位期间公开发表论文.781 绪 论1.1 电力电子技术在电力系统中的应用电力电子技术是使用电力半导体器件及电子技术对电能进行变换和控制的技术【1】。它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标【2】，是一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多学科的交叉学科。由于电力电子技术不仅可以对电能使用形式进行灵活多样的变换，还可以对电压、电流、频率、相位、和波形等基本参数做出精确的控制和高效的处理，使其本身成为一门高新技术，同时又是其它高技术发展的技术基础。电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。近年来电力开关器件和计算机技术的快速发展，使已有研究成果的技术和经济可行性不断得到改善。电力电子设备和系统逐步应用于电力系统的控制，大幅度提高了电力系统的稳定水平，产生巨大的经济和社会效益。现代电力电子技术在电力系统中的应用贯穿发电、输电、配电和用电全过程。1.1.1 在发电环节中的应用电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的。主要应用形式有：（1）大型发电机的静止励磁控制。（2）水力、风力发电机的变速恒频励磁。（3）发电厂风机水泵的变频调速。（4）太阳能发电控制系统。1.1.2 在输电环节中的应用电力电子技术在输电环节中最典型的应用是直流输电（HVDC）技术和柔性交流输电（FACTS）技术。（1）直流输电（HVDC）技术直流输电具有输电容量大、稳定性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统的联网，高压直流输电拥有独特的优势。目前，全球已建成的直流输电工程超过60 项。近年来，直流输电技术又有新的发展，轻型直流输电采用IGBT等可关断电力电子器件组成换流器，应用脉宽调制技术进行无源逆变，解决了用直流输电向无交流电源的负荷点送电的问题。同时大幅度简化设备，降低造价。世界上第一个采用IGBT构成电压源换流器的轻型直流输电工业性试验工程于1997 年投入运行。（2） 柔性交流输电（FACTS）技术N.H.Hingorani于1986年提出的FACTS 技术的概念，是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水平。FACTS技术一方面是现代电力电子开关与电力系统传统的阻抗控制元件、功角控制元件以及电压控制元件（如串补电容、并联电容、并联电抗、移相器、电气制动电阻等）相结合的产物，另一方面又将电子技术引入电力系统，形成了以变流器为核心的新型控制设备（如静止同步补偿器(STATCOM)）,从而使电力系统中影响潮流分布的三个参数：电压、线路阻抗及功率角可以按系统要求迅速调整。1.1.3 在配电和用电环节中的应用【3】在配电和用电环节中，配电环节解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量，用电环节在保证各种负荷的电力用户自身用电安全可靠的条件下不产生对电网的干扰，这就是电能质量控制技术。电源技术集中体现了电力电子技术在用电环节中的应用，现在随着电力开关器件性能的不断提升，各种形式的直流、交流电源给各种电力用户带来了巨大的方便。为了改善电力电子装置对电网的干扰，功率因数校正技术得到广泛应用，电源技术不断向高频化、模块化、数字化及软开关方向发展，电磁兼容性能也不断提高。 随着配电系统中非线性、冲击性和不平衡负荷的不断增加,电能质量问题日益严重;另外,现代工业、商业和居民用户的用电设备对电能质量更加敏感,对供电质量要求更高。因此，迫切要求提高电能质量，协调供电和用电的关系。电能质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用， 即用户电力（ CustomPower）技术或称DFACTS 技术，是在FACTS 各项成熟技术的基础上发展起来的，是现在最有前景的电能质量控制新技术。1.2 电能质量控制技术电能质量控制的研究具有巨大的经济和社会效益，它对于减少用电设备的故障，从而保证生产和生活的正常进行；对于减小电网内部因电能质量问题造成的损耗，从而提高电能的使用效率；对于供电企业树立强烈的竞争意识，从而有力地促进电力市场的孕育与形成；对于开辟和带动电力电子产业的发展，从而推动整个电力产业的革新与进步都具有极其重要的意义【3】【6】。有关电能质量的控制技术可以分成两大应用技术及其领域，一是面向输电系统的柔性交流输电技术（FACTS），二是面向配电系统的用户电力技术（CUSPOW）。两者的技术基础都是电力电子技术，各自的控制器在结构和作用上也基本相同，其差别是额定电气值的不同，只是针对不同的需要分别应用于不同的领域【7】【8】。本文分析的电能质量控制技术是面向配电系统的用户电力技术（CUSPOW）。它用于解决配电系统中出现的各种电能质量问题，如消除电压的波动、跌落、上升、闪变、不对称、电能的中断、谐波及无功等，协调供电和用电之间的关系，使得电力用户获得满意的供电品质，保证电力用户的供电可靠性。1.3 用于电能质量控制的用户电力技术1【5】【6】【8】【9】随着高科技产业的大力发展和工业化水平的不断提高，导致能源需求不断增加。一方面使电力系统的容量和范围不断的扩大，发电、输电、配电系统的控制更加复杂；另一方面各种冲击性、非线性、不平衡的负载和对电能质量敏感的电力用户在不断增加；要求提高电力生产的质量和供电的电能质量。在配电系统中用户电力技术了可以为用户提供高质量、可靠的电能同时协调电网和用户之间的关系使电网不受负载的干扰。用户电力技术主要包括串并联补偿的电能质量控制技术、电力系统固态开关技术和超导储能及其能量变换技术。本文主要分析几种典型的串并联补偿的电能质量控制技术。1.3.1 串联补偿型电能质量控制器（1）动态电压恢复器（DVR）动态电压恢复器DVR（Dynamic Voltage Restorer）的电路结构如图1.1所示，DVR仅在电网电压发生突变、偏离额定正弦电压波形瞬时值时，变换器才输出一定数值和波形的非周期补偿电压，串联加入电网后使负载端电压近似为额定正弦波。在任意瞬间，当电网电压较正常正弦波电压瞬时值偏高时，补偿电压为负值使负载电压降低为正常瞬时值，反之当电网电压较正常正弦波电压瞬时值偏低时，则补偿电压为正值使负载电压增大到正常瞬时值。DVR的引用可以有效的消除电网中由于电压瞬时跌落、闪变、振荡等引起的事故，提高电网的供电质量。为了增强对重要负载补偿电压的支持能力，可将带升压回路的电池组并联在电容器上，电池组的容量应保证对电压突变的补偿作用时间和补偿功率，通常所需作用时间从几十毫秒到几秒钟。（2）串联型有源电力滤波器串联有源电力滤波器（Series Active Filter）由可控的电压源变流器组成，通过与电网串联的变压器而与电网串联连接，其电路结构如图1.2所示。一般而言，交流发电机的空载电压是较好的正弦波，如果负载是线性的，负载端的电压也将保持正弦，如果负载是非线性的，由于谐波电流的影响，将使得负载端电压非正弦。为此，串联有源电力滤波器通过串联变压器PT串联注入一个与负载端的谐波电压大小相等、方向相反的补偿电压，从而使得接在A1、B1、C1端的其他负载的电压是正弦波，避免了谐波电压的危害。由于A1、B1、C1端的电压经补偿后为正弦，而电网电压也为正弦，因此电网输入电流也就随之正弦化。这意味着对于谐波电流，串联有源电力滤波器在电网侧具有无穷大的阻抗，因此没有谐波电流经负载流入电网，或经电网流入负载。而对于基波成分，则等效为零阻抗。串联有源电力滤波器由于通过串联变压器与电网相互作用，因此要求在电网输电线路发生短路故障时具有可靠的保护。此外从控制策略角度看，电网电压的补偿是间接性的，而不是直接性的。1.3.2 并联补偿型电能质量控制器（1） 并联型有源电力滤波器典型的并联型有源电力滤波器（Shunt Active Filter）由一个可控的电压源变流器组成。如图1.3所示，变流器与负载并联地接在电网上，直流端包含一个电容，输出端为滤波电感。负载电流中除了正弦基波电流外，还含有丰富的谐波电流，这里、分别为基波有功、无功电流。使变流器输出一个与负载谐波电流大小相等的补偿电流()，于是电网电流图1.4 先进的静止VAR发生器（ASVG），电力系统中发电机G、变压器PT及线路均只流过负载基波电流。若还要求补偿负载电流中的无功电流，则只要令补偿器输出的电流即可，如此可以实现电网功率因数为1。从负载侧看，并联有源电力滤波器相当一个变化的阻抗，对于谐波频率来说其阻抗为零或相当的低，而对于基波频率，其阻抗则无穷大。虽然并联有源电力滤波器可以实现对负载谐波电流和无功电流的完全补偿，但也存在以下缺点：一方面由于负载直接连接到电网，因此依然存在电网的电能质量问题，如：电压畸变、跌落或上升、瞬变和不平衡等。另一方面当同时补偿负载无功和谐波电流时，系统PWM变流器的容量要求很大，相对LC无源滤波器而言造价高。（2） 静止同步补偿器先进的静止VAR发生器（ASVG）：属于PWM开关型无功功率发生器，其电路结构基于三相全桥电路组成的电压型逆变器，如图1.4所示。对开关器件进行实时的PWM控制，使得逆变器输出电压与交流电网电压同相，那么逆变器输出的电流将与电网电压相差，也即逆变器只输出无功功率。由于采用PWM控制，ASVG可以向电网提供实时连续的感性和容性无功功率，可使得电网功率因数为任意指令值，电流波形接近正弦，由于同时能调控电网电压，它在提高电力系统暂态稳定性、阻尼系统振荡等方面，其性能远优于晶闸管为基础的SVC，它是电网无功功率补偿技术的发展方向。用它可以取代早期采用旋转式同步发电机输出无功功率的“旋转式同步补偿机”，因此称为静止同步补偿器（STATCOM）。1.3.3统一电能质量调节器UPQC【5】【6】统一电能质量调节器UPQC（Unified Power Quality Conditioner）结合了串联和并联两个有源电力滤波器，不同的是两个变流器直流公共端并接有蓄电池，其电路结构如图1.5所示。变流器I和变流器II都是双向的PWM变流器，即可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。变流器I经串联变压器PT1输出补偿电压，向电网注入交流功率，同时变流器I也可以输出谐波补偿电压。当变流器II工作在整流状态对蓄电池进行充电时，也可以同时向电网输出滞后的或超前的无功功率，还可以输出谐波补偿电流。当电网掉电时，蓄电池对变流器II供电，变流器II工作在逆变状态，向负载提供工作电压，确保负载的不间断供电（UPS），保证了重要用户的供电可靠性。UPQC有两类应用场合，一类是应用于配电系统和工业电力系统之间的通用补偿器，要求的容量较大。另一类是相对容量较小，特别应用于对电力系统电能质量要求高的电力用户。不管那种场合，UPQC可以有效的满足电力用户的电能质量要求，即可消除电网谐波电压、基波偏差、不平衡，保持负载端电压的额定和正弦，还可以消除负载产生的无功、谐波电流，使得电网输入电流为正弦，功率因数为1，实现负载和电网之间完全的扰动隔离。因此统一电能质量调节器是面向配电网（电力用户）的最优的电能质量调节器。1.4 本课题研究的必要性和主要研究内容1.4.1 本课题研究的必要性由于采用单一的串联或并联的电能质量控制器，虽然可以改善电力系统的某些运行特性和供电质量，但其电路结构要么和电网并联，要么和电网串联，其功能相应的较为单一，且不能全面满足当今电力用户对电能质量的全面高要求。为实现电力用户电能质量的完全改善和最优化，选择统一电能质量调节器（UPQC）是一种理想的解决方案。本文选择统一电能质量调节器的串联变流器作为研究对象，是因为UPQC的电路基础是串并联的双四象限PWM变流器，适用于多种新型电能质量补偿器、控制器、调节器，另外有源电力滤波器APF的理论研究特别是并联型APF的理论研究较深入，但是串联型APF则研究得不深入，投入实际应用的也很少，所以串联变流器是本文的重点。1.4.2主要研究内容本文除了绪论以外主要包括以下内容：首先分析了统一电能质量调节器的工作原理、系统的等效电路、系统的控制方案。然后本文建立了电能质量控制器的串联变流器的数学模型，讨论了串联变流器在理想电网电压和非理想电网电压下的控制方案，详细分析了串联变流器的仿真模型的建立，并对串联变流器各种控制方案进行了仿真分析。最后对10KVA三相四线UPQC实验装置的串联变流器主电路的设计进行了论述，对以TI公司DSP芯片TMS320LF2407A DSP为核心控制系统电路作了仔细的分析，并对控制系统软件设计进行分析。通过对实验结果的分析证明电能质量控制器串联变流器可以有效的改善电网侧电能质量。2 统一电能质量调节器UPQC的工作原理统一电能质量调节器UPQC是具有综合电能质量调节能力的电力电子装置，电路结构比单一电能质量调节器复杂，为了对其实现有效控制并达到预期目标，首先要对其工作原理进行分析和研究。因此本章首先对三相四线制下的UPQC功率电路进行了描述，说明了UPQC的功能，阐述了UPQC的工作原理和控制方案，然后分析了UPQC系统的系统的等效电路，最后讨论了不同主电路拓扑结构对系统的影响，通过上述的分析，可以对UPQC系统有一个清晰的认识。2.1 UPQC系统主电路【10】【13】图1.5给出了UPQC简单的示意图，为建立对UPQC系统的感性认识，本节详细地描述了三相四线制UPQC系统的功率电路。如图2.1所示，UPQC系统由以下各部分组成：（1）交流电网：三相四线制，额定电压220V，频率50Hz，电压波动范围，可能包含谐波电压，也可能三相不对称。（2）串联变压器Ts：该变压器可以是三相耦合的三相变压器，也可以是三个独立的单相变压器，它串接在交流电网和负载之间，故称为串联变压器。图2-1所示串联变压器Ts为三相耦合变压器，采用星型接法。（3）串联变流器VSC1：该变流器经输入电感L1、串联变压器Ts串联接入电网，称为串联变流器，由三相全控半桥电路组成，采用高频PWM控制技术，具有双向四象限工作特性。（4）并联变流器VSC2：该变流器经输出滤波电感L2、滤波电容C2后并接在负载端，称为并联变流器，同样由三相全控半桥电路组成，采用高频PWM控制技术，具有双向四象限工作特性。（5）直流母线电容和 ：串联连接，并接在串联变流器VSC1和并联变流器VSC2的公共直流端。（6）直流母线电池组和：串联连接，并接在变流器的公共直流端，作为交流电网掉电时的备用电源，保证负载的不间断供电需求。（7）输入静态开关S1和旁路静态开关S2：由两个反并联的晶闸管组成。（8）负载：对于UPQC系统，可以适合各种负载特性，诸如线性、非线性、不平衡等。需要注意系统的中性点N连接到电网输入中线、串联变压器中线、电池组中点、直流母线电容中点及并联变流器滤波电容的中点。2.2 UPQC系统工作原理【14】【16】2.2.1 系统功能图2.1所示的统一电能质量调节器，安装在交流电网和电力用户之间，可以获得如下的补偿效果：对于交流电网侧，使得在负载不平衡、非线性的情况下，交流电网输入电流平衡、正弦且与交流电网电压同相，电网输入功率因数为1，电网仅向负载输送有功功率。对于负载侧，使得在电网电压畸变、不对称、非额定的情况下，负载端电压始终保持对称、额定正弦且与电网基波电压同相。当需要时，可以通过串联变流器或并联变流器对直流母线端的电池组进行充电控制。当发生交流电网掉电时，直流母线端的电池组放电，经并联变流器向负载不间断的供电，具有UPS的功能。当电网恢复供电后，系统重新切回到电网供电状态。通过对UPQC两个变流器进行实时、适式的控制，可以实现上述综合的电能质量调节，满足电力用户对于电网电能质量越来越高的要求。2.2.2 系统工作原理分析图2.2 UPQC单相电路原理图图2.2给出了UPQC的单相电路原理图，区别于图2.1的功率电路，直流母线端的电池组和电容等效为单个电池组和单个电容，此外电路中忽略了线路阻抗，串联变压器Ts视为一个理想的变压器。交流电网输入电压包含谐波分量，其基波分量记为，。负载电流具有非线性特性，由基波有功电流、基波无功电流和谐波电流三部分组成，。对两个变流器进行实时、适式的控制，可以实现前述各项电能质量调节功能。采用直接控制策略，串联变流器和并联变流器分别进行独立的控制，从而使得整个UPQC系统是一个单输入单输出（SISO）的系统，这样的控制策略可避免多输入多输出（MIMO）系统在控制上的复杂性，利于各个变流器选择最优的控制策略来实现最优的控制效果。本文中串联变流器受控为基波正弦电流源，其输出电流为正弦波，经串联变压器Ts的线性放大作用，因此电网输入电流受控为正弦。若控制使得与电网输入电压同相，则电网输入功率因数为1，使电网仅向负载输出有功功率,而无功功率，显然此时串联变流器只是处理有功功率，而无功功率。控制并联变流器为额定正弦电压源，可使它输出至负载的电压为正弦波额定电压且与电网输入电压基波同相，从而保证了在电网输入电压有谐波、非额定、不对称情况下负载端对电压的要求。由于电网输入电流在串联变流器的控制下为正弦波，因此迫使并联变流器向负载输出电流，其中补偿负载无功电流、补偿负载谐波电流，而负载的有功电流则由交流电网（）和并联变流器（）共同提供，也即并联变流器输出用于补偿负载无功功率的无功功率外，还输出部分有功功率。而由于并联变流器受控为额定基波正弦电压源，负载电压总是维持额定正弦波不变，因此迫使串联变流器经串联变压器输出的电压由两部分组成，其中为谐波补偿电压，它与交流电源中的谐波电压大小相等，但方向相反； 为基波电压补偿量，用于补偿电源电压的基波与负载电压额定值的偏差，所以串联变流器提供的补偿电压既抵消了电源电压中的谐波，又补偿基波电压，使负载电压成为与电网基波电压同相的正弦波额定电压。正是由于串联变流器和并联变流器的共同作用，使得在负载非线性、电网输入电压高于或低于额定值且含有谐波电压时，负载电压补偿到与电网输入电压同相的额定正弦电压，同时交流电网仅输入基波有功电流，电网输入功率因数为1。正常时交流电网与UPQC共同对负载供电，称为Standby工作模式，此时输入静态开关S1导通，其两个并联晶闸管的导通信号是按输入电压的正负半周分别加上的。一旦交流电网停电，并联变流器从电池组获取电能，无间隙的继续不间断对负载供电，称为Backup工作模式，此时由于电网输入电压与输入电流同相，无相位差，输入静态开关S1可立即关断，防止并联变流器的输出电流向电网倒灌。当电网恢复正常后，系统可以重新切回到Standby工作模式。当发生输出过载或者变流器故障时，控制信号触发旁路静态开关S2导通，系统转入旁路工作模式。2.3 等效电路模型本节讨论UPQC系统的等效电路模型，通过定义系统在基波和谐波下的等效电路，使得对系统的静态工作特性分析简单化。该等效电路模型的获得基于以下必要的假设：（1）并联变流器采用高频PWM控制技术，于负载端提供平衡的、额定的正弦波电压，总谐波畸变率THD值低，并且与电网输入电压同相。（2）串联变流器采用高频PWM控制技术，使得电网输入电流为平衡的正弦波电流，总谐波畸变率THD值低，并且电网输入功率因数为1。图2.3 UPQC基波及谐波单相等效电路模型(a) 基波等效电路模型(b) 谐波等效电路模型（3）变流器的PWM开关频率足够高，开关频率谐波易于为低通滤波器滤除，从而使得低频至开关频率的谐波减小到可以忽略的程度，负载电压和电网输入电流中的谐波成分足以小到满足电能质量标准的要求。（4）串联变压器变比为1，使得串联变流器输入电流也就代表了电网的输入电流，串联变压器原边电压也即串联变流器输入电压。基于上述假设，串联变流器和并联变流器可以分别用静止的电流源和电压源来表示，如图2.3给出了基波及谐波下UPQC的单相等效电路，图中串联变流器和并联变流器分别用基波和谐波下独立的电流源和电压源来代替。图2.3(a)，电网输入电压作为参考向量，记为；由于并联变流器受控为基波正弦电压源，输出与电网输入电压同相的负载电压，因此负载电压记为；而串联变流器受控为基波正弦电流源，因此仅从电网吸收基波有功电流且和电网输入电压同相，记为；负载电流滞后负载电压一个角度，记为；负载吸收的有功功率记为，无功功率记为；并联变流器输出电流记为；串联变流器输出电压记为；考虑串联变压器漏抗，其压降记为。显然交流电网只提供有功功率，用于负载有功消耗和系统损耗，而无功功率，负载的无功功率需求完全由并联变流器提供。图2.3(b)给出了UPQC谐波下的等效电路，由于串联变流器作为一个基波正弦电流源运行，电网输入电流中的谐波成分，因此串联变流器对谐波电流而言具有无穷大阻抗。电网输入谐波电压，由于并联变流器作为基波正弦电压源运行，负载电压中的谐波成分，且，因此电网输入谐波电压，即串联变流器对于电网谐波电压而言具有零阻抗，串联变流器完全吸收了电网输入电压的谐波。而负载谐波电流，由于，显然，即并联变流器对于负载谐波电流而言具有零阻抗，并联变流器完全抑制了负载的谐波电流。由于理想的控制使得电网输入电流及负载电压中无谐波成分，因此系统不从电网吸收谐波功率，也无负载谐波功率消耗。实际的控制效果并不可能完全消除谐波的影响，但相对基波成分而言，由谐波成分引起的谐波功率分量可以忽略不计，因此谐波频率下UPQC的工作特性研究是很简单的，它主要用来分析变流器的视在功率和kVA容量。基于此考虑，本文所指UPQC系统静态工作特性的分析主要基于基波下的等效电路。2.4 统一电能质量调节器的控制方案对于统一电能质量调节器UPQC，每个变流器要么作为电流源控制，要么作为电压源控制，按控制方案分，统一电能质量调节器有如此两类基本的控制方案。图2.4 UPQC间接控制策略框图2.4.1 间接控制方案 【17】【20】所谓间接控制方案，是指串联变流器作为非正弦电压源运行，并联变流器作为非正弦电流源运行。如图2.4所示，检测电网电压的畸变和基波偏差，作为电压指令，对串联变流器进行控制，使得串联变流器通过串联变压器输出一个与电网电压畸变和基波偏差相抵消的补偿电压，从而保证负载电压是一个额定的正弦电压。检测负载的无功和谐波电流，作为电流指令，对并联变流器进行控制，使得并联变流器输出与负载无功和谐波电流大小相等的无功和谐波，从而实现对负载无功和谐波电流的补偿，使得电网输入电流为正弦波电流，功率因素为1。采用间接控制策略，需要检测电网电压及负载电流的扰动畸变等信息，由于是通过消除扰动来获得补偿效果，因此从电网端看，对于负载电压的调节和输入功率因数的校正是间接的。此外，当交流电网掉电或恢复供电时，并联变流器需要从间接控制策略转为直接控制策略（或反之），存在工作模式的一个切换，这对于控制来说是不利的。2.4.2 直接控制方案【21】【25】如图2.5所示，直接控制方案指串联变流器受控为正弦电流源，而并联变流器受控为正弦电压源。并联变流器作为正弦电压源运行，将输出平衡、额定幅值的正弦电压于负载端，由于电压源对于谐波来说具有很小的阻抗，因此负载的谐波和电网的谐波电流都流入并联变流器支路。对于负载无功和不平衡，串联变流器作为正弦电流源运行，使得电网输入电流为正弦且功率因素为1，由于电流源对于谐波电压具有很大的阻抗，因此电网的谐波电压被阻断而不影响负载端电压。总之在直接控制方案下，串联变流器隔离了电网与负载端的电压扰动，而并联变流器隔离了负载无功功率、负载谐波电流和不平衡进入电网。采用直接控制策略，还有一个好处就是在电网掉电或恢复供电时，不存在工作模式的切换，因为并联变流器始终受控为正弦电压源。3 电能质量控制器的串联变流器的控制和