電能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PAGEPAGE74摘 要隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量成為電力系統(tǒng)、電力用戶、電力設(shè)備生產(chǎn)商等各個(gè)方面共同關(guān)心的問(wèn)題?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)面向配電系統(tǒng)的FACTS技術(shù)（DFACTS）——用戶電力技術(shù)（CUSPOW）成為解決電能質(zhì)量問(wèn)題有效手段。本文主要內(nèi)容是關(guān)于三相四線制電能質(zhì)量控制器（UPQC）系統(tǒng)的串聯(lián)變流器的研究，進(jìn)行了以下研究工作。首先，根據(jù)電能質(zhì)量控制器系統(tǒng)的功率電路及功能要求，分析了其工作原理，并且選擇三相四線制的UPQC系統(tǒng)作為研究對(duì)象。其次，分別在靜止ABC及空間旋轉(zhuǎn)dq0坐標(biāo)系下建立了電能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型，指出三相四線制的串聯(lián)變流器在三相坐標(biāo)系下的獨(dú)立性以及dq0坐標(biāo)系下0軸獨(dú)立于dq軸的特性。討論了串聯(lián)變流器在理想電網(wǎng)電壓下的控制及非理想電網(wǎng)電壓下的控制問(wèn)題。為抑制電網(wǎng)電壓不平衡及諧波的影響，提出了兩種有效的控制策略：三相ABC獨(dú)立控制、基于SFR的dq0軸控制。介紹了一種基于MATLABSIMULINK仿真環(huán)境的電路模型仿真技術(shù)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證以上控制方案的有效性。最后，給出10kVA三相四線制UPQC串聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)裝置的硬件電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別對(duì)串聯(lián)變流器單獨(dú)運(yùn)行和串聯(lián)變流器在UPQC系統(tǒng)中運(yùn)行的各種工況下的運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。驗(yàn)證了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的串聯(lián)變流器改善電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量有效性。關(guān)鍵詞：統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)串聯(lián)變流器ABC獨(dú)立控制dq0軸控制AbstractWiththedevelopmentofmordenscienceandindusty,powersystem、customer、powerfacilityproducerareallconcernedwiththepowerqualityproblem.DFACTSsystem,whichisbasedonthetechnologyofpowerelectronicsforpowerdistributionareahasbecomeaneffectivemeasuretosolvepowerqualityproblem.TheseriesconverterofathreephasefourwireUPQCsystemisstudiedinthisthesis,themaincontentofthispaperaslistedbelow.Firstly,basedonthepowercircuitandsystemperformanceoftheseriesconverterofUPQC,theoperationprincipleofthesystemisanalyzed.Then,accordingthedemandofthispaper,threephasefourwireUPQCsystemischosedasthestudyobject.Secondly,themathematicalmodelsofseriesconverterofUPQCareestablishedinABCframeanddq0frame.Themodelsshowthateachphaseofthethree-phasefour-wireseriesconverterisindividualinABCframeand0axisisindependentofdqaxisinsynchronousframe.Thecontrolstrategiesforseriesconverterarediscussedwithidealornon-idealinputvoltage.Forsuppressingtheinfluencesofnon-idealinputvoltage,threeeffectivecontrolmethodsareintroduced.Thefirstisthree-phaseABCindividualcontrol,thesecondisdq0axiscontrol,thethirdistheharmonicofinputvoltageforwardfeedbackcontrol.BasedonMATLABSIMULINKenvironment,acircuitmodelingsimulatingmethodisintroduced.Finally,Finally,a10kVApowercircuitoftheseriesconverterofthethree-phasefour-wireUPQCanditscoordinatedcontrolsystembasedonDSPisdesigned.AlargenumberofexperimentalresultsareobtainedwhentheseriesconverteroperatebyitselfandintheUPQCsystem,theresultsprovethattheseriesconvertercaneffectivelyimprovethecurrentqualityofpowersystem.Keywords:threephasefourwireunifiedpowerqualityconditioner(UPQC)Seriesconverterthree-phaseABCindividualcontroldq0axiscontrol目錄摘要………………….…...=1\*ROMANIABSTRACT……………..=3\*ROMANII1緒論1.1電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用…….11.2電能質(zhì)量控制……………….…………………..…..31.3用于電能質(zhì)量控制的用戶電力技術(shù)…………….….…31.4本課題研究的必要性和研究?jī)?nèi)容……82統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC）的工作原理2.1UPQC系統(tǒng)主電路………………….……92.2UPQC系統(tǒng)的工作原理………………….102.3UPQC系統(tǒng)的等效電路模型……...…………..…….…..132.4UPQC系統(tǒng)的控制方案….……………….153串聯(lián)變流器的控制和仿真3.1串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型………………..173.2理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制…….……………223.3非理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制………………...283.4鎖相環(huán)…….…………..323.5串聯(lián)變流器控制仿真建模和仿真分析….………………334串聯(lián)變流器設(shè)計(jì)及其控制方案的實(shí)現(xiàn)4.1串聯(lián)變流器主電路的設(shè)計(jì)……………..454.2串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)………………..504.3串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)………………….….565實(shí)驗(yàn)結(jié)果和全文總結(jié)5.1單獨(dú)工作的串聯(lián)變流器實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析…………….….615.2串聯(lián)變流器在UPQC系統(tǒng)中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析……….….645.3全文總結(jié)……….….….725.4今后工作展望………………….….….73致謝………………………..74參考文獻(xiàn)…………………..75附錄1攻讀碩士學(xué)位期間公開(kāi)發(fā)表論文……..………………781緒論1.1電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)是使用電力半導(dǎo)體器件及電子技術(shù)對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)【1】。它以實(shí)現(xiàn)“高效率用電和高品質(zhì)用電”為目標(biāo)【2】，是一門綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等許多學(xué)科的交叉學(xué)科。由于電力電子技術(shù)不僅可以對(duì)電能使用形式進(jìn)行靈活多樣的變換，還可以對(duì)電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參數(shù)做出精確的控制和高效的處理，使其本身成為一門高新技術(shù)，同時(shí)又是其它高技術(shù)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)是電力電子技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。近年來(lái)電力開(kāi)關(guān)器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使已有研究成果的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性不斷得到改善。電力電子設(shè)備和系統(tǒng)逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)的控制，大幅度提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用貫穿發(fā)電、輸電、配電和用電全過(guò)程。1.1.1在發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)涉及發(fā)電機(jī)組的多種設(shè)備，電力電子技術(shù)的應(yīng)用以改善這些設(shè)備的運(yùn)行特性為主要目的。主要應(yīng)用形式有：（1）大型發(fā)電機(jī)的靜止勵(lì)磁控制。（2）水力、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變速恒頻勵(lì)磁。（3）發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速。（4）太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)。1.1.2在輸電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)在輸電環(huán)節(jié)中最典型的應(yīng)用是直流輸電（HVDC）技術(shù)和柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)。（1）直流輸電（HVDC）技術(shù)直流輸電具有輸電容量大、穩(wěn)定性好、控制調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于遠(yuǎn)距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，高壓直流輸電擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，全球已建成的直流輸電工程超過(guò)60項(xiàng)。近年來(lái)，直流輸電技術(shù)又有新的發(fā)展，輕型直流輸電采用IGBT等可關(guān)斷電力電子器件組成換流器，應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行無(wú)源逆變，解決了用直流輸電向無(wú)交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電的問(wèn)題。同時(shí)大幅度簡(jiǎn)化設(shè)備，降低造價(jià)。世界上第一個(gè)采用IGBT構(gòu)成電壓源換流器的輕型直流輸電工業(yè)性試驗(yàn)工程于1997年投入運(yùn)行。（2）柔性交流輸電（FACTS）技術(shù)N.H.Hingorani于1986年提出的FACTS技術(shù)的概念，是一項(xiàng)基于電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)交流輸電系統(tǒng)的阻抗、電壓及相位實(shí)施靈活快速調(diào)節(jié)的輸電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。FACTS技術(shù)一方面是現(xiàn)代電力電子開(kāi)關(guān)與電力系統(tǒng)傳統(tǒng)的阻抗控制元件、功角控制元件以及電壓控制元件（如串補(bǔ)電容、并聯(lián)電容、并聯(lián)電抗、移相器、電氣制動(dòng)電阻等）相結(jié)合的產(chǎn)物，另一方面又將電子技術(shù)引入電力系統(tǒng)，形成了以變流器為核心的新型控制設(shè)備（如靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)）,從而使電力系統(tǒng)中影響潮流分布的三個(gè)參數(shù)：電壓、線路阻抗及功率角可以按系統(tǒng)要求迅速調(diào)整。1.1.3在配電和用電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用【3】在配電和用電環(huán)節(jié)中，配電環(huán)節(jié)解決的問(wèn)題是如何加強(qiáng)供電可靠性和提高電能質(zhì)量，用電環(huán)節(jié)在保證各種負(fù)荷的電力用戶自身用電安全可靠的條件下不產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的干擾，這就是電能質(zhì)量控制技術(shù)。電源技術(shù)集中體現(xiàn)了電力電子技術(shù)在用電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，現(xiàn)在隨著電力開(kāi)關(guān)器件性能的不斷提升，各種形式的直流、交流電源給各種電力用戶帶來(lái)了巨大的方便。為了改善電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)的干擾，功率因數(shù)校正技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，電源技術(shù)不斷向高頻化、模塊化、數(shù)字化及軟開(kāi)關(guān)方向發(fā)展，電磁兼容性能也不斷提高。隨著配電系統(tǒng)中非線性、沖擊性和不平衡負(fù)荷的不斷增加,電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重;另外,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶的用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量更加敏感,對(duì)供電質(zhì)量要求更高。因此，迫切要求提高電能質(zhì)量，協(xié)調(diào)供電和用電的關(guān)系。電能質(zhì)量控制既要滿足對(duì)電壓、頻率、諧波和不對(duì)稱度的要求，還要抑制各種瞬態(tài)的波動(dòng)和干擾。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，即用戶電力（CustomPower）技術(shù)或稱DFACTS技術(shù)，是在FACTS各項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是現(xiàn)在最有前景的電能質(zhì)量控制新技術(shù)。1.2電能質(zhì)量控制技術(shù)電能質(zhì)量控制的研究具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，它對(duì)于減少用電設(shè)備的故障，從而保證生產(chǎn)和生活的正常進(jìn)行；對(duì)于減小電網(wǎng)內(nèi)部因電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損耗，從而提高電能的使用效率；對(duì)于供電企業(yè)樹(shù)立強(qiáng)烈的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，從而有力地促進(jìn)電力市場(chǎng)的孕育與形成；對(duì)于開(kāi)辟和帶動(dòng)電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而推動(dòng)整個(gè)電力產(chǎn)業(yè)的革新與進(jìn)步都具有極其重要的意義【3】－【6】。有關(guān)電能質(zhì)量的控制技術(shù)可以分成兩大應(yīng)用技術(shù)及其領(lǐng)域，一是面向輸電系統(tǒng)的柔性交流輸電技術(shù)（FACTS），二是面向配電系統(tǒng)的用戶電力技術(shù)（CUSPOW）。兩者的技術(shù)基礎(chǔ)都是電力電子技術(shù)，各自的控制器在結(jié)構(gòu)和作用上也基本相同，其差別是額定電氣值的不同，只是針對(duì)不同的需要分別應(yīng)用于不同的領(lǐng)域【7】【8】。本文分析的電能質(zhì)量控制技術(shù)是面向配電系統(tǒng)的用戶電力技術(shù)（CUSPOW）。它用于解決配電系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種電能質(zhì)量問(wèn)題，如消除電壓的波動(dòng)、跌落、上升、閃變、不對(duì)稱、電能的中斷、諧波及無(wú)功等，協(xié)調(diào)供電和用電之間的關(guān)系，使得電力用戶獲得滿意的供電品質(zhì)，保證電力用戶的供電可靠性。1.3用于電能質(zhì)量控制的用戶電力技術(shù)[1]【5】【6】【8】【9】隨著高科技產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展和工業(yè)化水平的不斷提高，導(dǎo)致能源需求不斷增加。一方面使電力系統(tǒng)的容量和范圍不斷的擴(kuò)大，發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)的控制更加復(fù)雜；另一方面各種沖擊性、非線性、不平衡的負(fù)載和對(duì)電能質(zhì)量敏感的電力用戶在不斷增加；要求提高電力生產(chǎn)的質(zhì)量和供電的電能質(zhì)量。在配電系統(tǒng)中用戶電力技術(shù)了可以為用戶提供高質(zhì)量、可靠的電能同時(shí)協(xié)調(diào)電網(wǎng)和用戶之間的關(guān)系使電網(wǎng)不受負(fù)載的干擾。用戶電力技術(shù)主要包括串并聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾娔苜|(zhì)量控制技術(shù)、電力系統(tǒng)固態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)和超導(dǎo)儲(chǔ)能及其能量變換技術(shù)。本文主要分析幾種典型的串并聯(lián)補(bǔ)償?shù)碾娔苜|(zhì)量控制技術(shù)。1.3.1串聯(lián)補(bǔ)償型電能質(zhì)量控制器（1）動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器DVR（DynamicVoltageRestorer）的電路結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，DVR僅在電網(wǎng)電壓發(fā)生突變、偏離額定正弦電壓波形瞬時(shí)值時(shí)，變換器才輸出一定數(shù)值和波形的非周期補(bǔ)償電壓，串聯(lián)加入電網(wǎng)后使負(fù)載端電壓近似為額定正弦波。在任意瞬間，當(dāng)電網(wǎng)電壓較正常正弦波電壓瞬時(shí)值偏高時(shí)，補(bǔ)償電壓為負(fù)值使負(fù)載電壓降低為正常瞬時(shí)值，反之當(dāng)電網(wǎng)電壓較正常正弦波電壓瞬時(shí)值偏低時(shí)，則補(bǔ)償電壓為正值使負(fù)載電壓增大到正常瞬時(shí)值。DVR的引用可以有效的消除電網(wǎng)中由于電壓瞬時(shí)跌落、閃變、振蕩等引起的事故，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為了增強(qiáng)對(duì)重要負(fù)載補(bǔ)償電壓的支持能力，可將帶升壓回路的電池組并聯(lián)在電容器上，電池組的容量應(yīng)保證對(duì)電壓突變的補(bǔ)償作用時(shí)間和補(bǔ)償功率，通常所需作用時(shí)間從幾十毫秒到幾秒鐘。（2）串聯(lián)型有源電力濾波器串聯(lián)有源電力濾波器（SeriesActiveFilter）由可控的電壓源變流器組成，通過(guò)與電網(wǎng)串聯(lián)的變壓器而與電網(wǎng)串聯(lián)連接，其電路結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。一般而言，交流發(fā)電機(jī)的空載電壓是較好的正弦波，如果負(fù)載是線性的，負(fù)載端的電壓也將保持正弦，如果負(fù)載是非線性的，由于諧波電流的影響，將使得負(fù)載端電壓非正弦。為此，串聯(lián)有源電力濾波器通過(guò)串聯(lián)變壓器PT串聯(lián)注入一個(gè)與負(fù)載端的諧波電壓大小相等、方向相反的補(bǔ)償電壓，從而使得接在A1、B1、C1端的其他負(fù)載的電壓是正弦波，避免了諧波電壓的危害。由于A1、B1、C1端的電壓經(jīng)補(bǔ)償后為正弦，而電網(wǎng)電壓也為正弦，因此電網(wǎng)輸入電流也就隨之正弦化。這意味著對(duì)于諧波電流，串聯(lián)有源電力濾波器在電網(wǎng)側(cè)具有無(wú)窮大的阻抗，因此沒(méi)有諧波電流經(jīng)負(fù)載流入電網(wǎng)，或經(jīng)電網(wǎng)流入負(fù)載。而對(duì)于基波成分，則等效為零阻抗。串聯(lián)有源電力濾波器由于通過(guò)串聯(lián)變壓器與電網(wǎng)相互作用，因此要求在電網(wǎng)輸電線路發(fā)生短路故障時(shí)具有可靠的保護(hù)。此外從控制策略角度看，電網(wǎng)電壓的補(bǔ)償是間接性的，而不是直接性的。1.3.2并聯(lián)補(bǔ)償型電能質(zhì)量控制器（1）并聯(lián)型有源電力濾波器 典型的并聯(lián)型有源電力濾波器（ShuntActiveFilter）由一個(gè)可控的電壓源變流器組成。如圖1.3所示，變流器與負(fù)載并聯(lián)地接在電網(wǎng)上，直流端包含一個(gè)電容，輸出端為濾波電感。負(fù)載電流中除了正弦基波電流外，還含有豐富的諧波電流，，這里、分別為基波有功、無(wú)功電流。使變流器輸出一個(gè)與負(fù)載諧波電流大小相等的補(bǔ)償電流()，于是電網(wǎng)電流圖1.4先進(jìn)的靜止VAR發(fā)生器（ASVG），電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)G、變壓器PT及線路均只流過(guò)負(fù)載基波電流。若還要求補(bǔ)償負(fù)載電流中的無(wú)功電流，則只要令補(bǔ)償器輸出的電流即可，如此可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)為1。從負(fù)載側(cè)看，并聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)一個(gè)變化的阻抗，對(duì)于諧波頻率來(lái)說(shuō)其阻抗為零或相當(dāng)?shù)牡?，而?duì)于基波頻率，其阻抗則無(wú)窮大。圖1.4先進(jìn)的靜止VAR發(fā)生器（ASVG）雖然并聯(lián)有源電力濾波器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載諧波電流和無(wú)功電流的完全補(bǔ)償，但也存在以下缺點(diǎn)：一方面由于負(fù)載直接連接到電網(wǎng)，因此依然存在電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題，如：電壓畸變、跌落或上升、瞬變和不平衡等。另一方面當(dāng)同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功和諧波電流時(shí)，系統(tǒng)PWM變流器的容量要求很大，相對(duì)LC無(wú)源濾波器而言造價(jià)高。（2）靜止同步補(bǔ)償器先進(jìn)的靜止VAR發(fā)生器（ASVG）：屬于PWM開(kāi)關(guān)型無(wú)功功率發(fā)生器，其電路結(jié)構(gòu)基于三相全橋電路組成的電壓型逆變器，如圖1.4所示。對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)的PWM控制，使得逆變器輸出電壓與交流電網(wǎng)電壓同相，那么逆變器輸出的電流將與電網(wǎng)電壓相差，也即逆變器只輸出無(wú)功功率。由于采用PWM控制，ASVG可以向電網(wǎng)提供實(shí)時(shí)連續(xù)的感性和容性無(wú)功功率，可使得電網(wǎng)功率因數(shù)為任意指令值，電流波形接近正弦，由于同時(shí)能調(diào)控電網(wǎng)電壓，它在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性、阻尼系統(tǒng)振蕩等方面，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于晶閘管為基礎(chǔ)的SVC，它是電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。用它可以取代早期采用旋轉(zhuǎn)式同步發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率的“旋轉(zhuǎn)式同步補(bǔ)償機(jī)”，因此稱為靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）。1.3.3統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC【5】【6】統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC（UnifiedPowerQualityConditioner）結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)兩個(gè)有源電力濾波器，不同的是兩個(gè)變流器直流公共端并接有蓄電池，其電路結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。變流器I和變流器II都是雙向的PWM變流器，即可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)。變流器I經(jīng)串聯(lián)變壓器PT1輸出補(bǔ)償電壓，向電網(wǎng)注入交流功率，同時(shí)變流器I也可以輸出諧波補(bǔ)償電壓。當(dāng)變流器II工作在整流狀態(tài)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)，也可以同時(shí)向電網(wǎng)輸出滯后的或超前的無(wú)功功率，還可以輸出諧波補(bǔ)償電流。當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，蓄電池對(duì)變流器II供電，變流器II工作在逆變狀態(tài)，向負(fù)載提供工作電壓，確保負(fù)載的不間斷供電（UPS），保證了重要用戶的供電可靠性。UPQC有兩類應(yīng)用場(chǎng)合，一類是應(yīng)用于配電系統(tǒng)和工業(yè)電力系統(tǒng)之間的通用補(bǔ)償器，要求的容量較大。另一類是相對(duì)容量較小，特別應(yīng)用于對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量要求高的電力用戶。不管那種場(chǎng)合，UPQC可以有效的滿足電力用戶的電能質(zhì)量要求，即可消除電網(wǎng)諧波電壓、基波偏差、不平衡，保持負(fù)載端電壓的額定和正弦，還可以消除負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功、諧波電流，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦，功率因數(shù)為1，實(shí)現(xiàn)負(fù)載和電網(wǎng)之間完全的擾動(dòng)隔離。因此統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是面向配電網(wǎng)（電力用戶）的最優(yōu)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。1.4本課題研究的必要性和主要研究?jī)?nèi)容1.4由于采用單一的串聯(lián)或并聯(lián)的電能質(zhì)量控制器，雖然可以改善電力系統(tǒng)的某些運(yùn)行特性和供電質(zhì)量，但其電路結(jié)構(gòu)要么和電網(wǎng)并聯(lián)，要么和電網(wǎng)串聯(lián)，其功能相應(yīng)的較為單一，且不能全面滿足當(dāng)今電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的全面高要求。為實(shí)現(xiàn)電力用戶電能質(zhì)量的完全改善和最優(yōu)化，選擇統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）是一種理想的解決方案。本文選擇統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的串聯(lián)變流器作為研究對(duì)象，是因?yàn)閁PQC的電路基礎(chǔ)是串并聯(lián)的雙四象限PWM變流器，適用于多種新型電能質(zhì)量補(bǔ)償器、控制器、調(diào)節(jié)器，另外有源電力濾波器APF的理論研究特別是并聯(lián)型APF的理論研究較深入，但是串聯(lián)型APF則研究得不深入，投入實(shí)際應(yīng)用的也很少，所以串聯(lián)變流器是本文的重點(diǎn)。1.4.2本文除了緒論以外主要包括以下內(nèi)容：首先分析了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的工作原理、系統(tǒng)的等效電路、系統(tǒng)的控制方案。然后本文建立了電能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型，討論了串聯(lián)變流器在理想電網(wǎng)電壓和非理想電網(wǎng)電壓下的控制方案，詳細(xì)分析了串聯(lián)變流器的仿真模型的建立，并對(duì)串聯(lián)變流器各種控制方案進(jìn)行了仿真分析。最后對(duì)10KVA三相四線UPQC實(shí)驗(yàn)裝置的串聯(lián)變流器主電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，對(duì)以TI公司DSP芯片TMS320LF2407ADSP為核心控制系統(tǒng)電路作了仔細(xì)的分析，并對(duì)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析證明電能質(zhì)量控制器串聯(lián)變流器可以有效的改善電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。2統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC的工作原理統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC是具有綜合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)能力的電力電子裝置，電路結(jié)構(gòu)比單一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器復(fù)雜，為了對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效控制并達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，首先要對(duì)其工作原理進(jìn)行分析和研究。因此本章首先對(duì)三相四線制下的UPQC功率電路進(jìn)行了描述，說(shuō)明了UPQC的功能，闡述了UPQC的工作原理和控制方案，然后分析了UPQC系統(tǒng)的系統(tǒng)的等效電路，最后討論了不同主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的影響，通過(guò)上述的分析，可以對(duì)UPQC系統(tǒng)有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。2.1UPQC系統(tǒng)主電路【10】－【13】圖1.5給出了UPQC簡(jiǎn)單的示意圖，為建立對(duì)UPQC系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，本節(jié)詳細(xì)地描述了三相四線制UPQC系統(tǒng)的功率電路。如圖2.1所示，UPQC系統(tǒng)由以下各部分組成：（1）交流電網(wǎng)：三相四線制，額定電壓220V，頻率50Hz，電壓波動(dòng)范圍，可能包含諧波電壓，也可能三相不對(duì)稱。（2）串聯(lián)變壓器Ts：該變壓器可以是三相耦合的三相變壓器，也可以是三個(gè)獨(dú)立的單相變壓器，它串接在交流電網(wǎng)和負(fù)載之間，故稱為串聯(lián)變壓器。圖2-1所示串聯(lián)變壓器Ts為三相耦合變壓器，采用星型接法。（3）串聯(lián)變流器VSC1：該變流器經(jīng)輸入電感L1、串聯(lián)變壓器Ts串聯(lián)接入電網(wǎng)，稱為串聯(lián)變流器，由三相全控半橋電路組成，采用高頻PWM控制技術(shù)，具有雙向四象限工作特性。（4）并聯(lián)變流器VSC2：該變流器經(jīng)輸出濾波電感L2、濾波電容C2后并接在負(fù)載端，稱為并聯(lián)變流器，同樣由三相全控半橋電路組成，采用高頻PWM控制技術(shù)，具有雙向四象限工作特性。（5）直流母線電容和：串聯(lián)連接，，并接在串聯(lián)變流器VSC1和并聯(lián)變流器VSC2的公共直流端。（6）直流母線電池組和：串聯(lián)連接，，并接在變流器的公共直流端，作為交流電網(wǎng)掉電時(shí)的備用電源，保證負(fù)載的不間斷供電需求。（7）輸入靜態(tài)開(kāi)關(guān)S1和旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)S2：由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管組成。（8）負(fù)載：對(duì)于UPQC系統(tǒng)，可以適合各種負(fù)載特性，諸如線性、非線性、不平衡等。需要注意系統(tǒng)的中性點(diǎn)N連接到電網(wǎng)輸入中線、串聯(lián)變壓器中線、電池組中點(diǎn)、直流母線電容中點(diǎn)及并聯(lián)變流器濾波電容的中點(diǎn)。2.2UPQC系統(tǒng)工作原理【14】－【16】2.2.1系統(tǒng)功能圖2.1所示的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，安裝在交流電網(wǎng)和電力用戶之間，可以獲得如下的補(bǔ)償效果：對(duì)于交流電網(wǎng)側(cè)，使得在負(fù)載不平衡、非線性的情況下，交流電網(wǎng)輸入電流平衡、正弦且與交流電網(wǎng)電壓同相，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1，電網(wǎng)僅向負(fù)載輸送有功功率。對(duì)于負(fù)載側(cè)，使得在電網(wǎng)電壓畸變、不對(duì)稱、非額定的情況下，負(fù)載端電壓始終保持對(duì)稱、額定正弦且與電網(wǎng)基波電壓同相。當(dāng)需要時(shí)，可以通過(guò)串聯(lián)變流器或并聯(lián)變流器對(duì)直流母線端的電池組進(jìn)行充電控制。當(dāng)發(fā)生交流電網(wǎng)掉電時(shí)，直流母線端的電池組放電，經(jīng)并聯(lián)變流器向負(fù)載不間斷的供電，具有UPS的功能。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)供電后，系統(tǒng)重新切回到電網(wǎng)供電狀態(tài)。通過(guò)對(duì)UPQC兩個(gè)變流器進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制，可以實(shí)現(xiàn)上述綜合的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，滿足電力用戶對(duì)于電網(wǎng)電能質(zhì)量越來(lái)越高的要求。2.2.2系統(tǒng)工作原理分析圖2.2UPQC單相電路原理圖圖2.2給出了UPQC的單相電路原理圖，區(qū)別于圖2.1的功率電路，直流母線端的電池組和電容等效為單個(gè)電池組和單個(gè)電容，此外電路中忽略了線路阻抗，串聯(lián)變壓器Ts視為一個(gè)理想的變壓器。交流電網(wǎng)輸入電壓包含諧波分量，其基波分量記為，。負(fù)載電流具有非線性特性，由基波有功電流、基波無(wú)功電流和諧波電流三部分組成，。圖2.2UPQC單相電路原理圖對(duì)兩個(gè)變流器進(jìn)行實(shí)時(shí)、適式的控制，可以實(shí)現(xiàn)前述各項(xiàng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能。采用直接控制策略，串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器分別進(jìn)行獨(dú)立的控制，從而使得整個(gè)UPQC系統(tǒng)是一個(gè)單輸入單輸出（SISO）的系統(tǒng)，這樣的控制策略可避免多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)在控制上的復(fù)雜性，利于各個(gè)變流器選擇最優(yōu)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。本文中串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，其輸出電流為正弦波，經(jīng)串聯(lián)變壓器Ts的線性放大作用，因此電網(wǎng)輸入電流受控為正弦。若控制使得與電網(wǎng)輸入電壓同相，則電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1，使電網(wǎng)僅向負(fù)載輸出有功功率,而無(wú)功功率，顯然此時(shí)串聯(lián)變流器只是處理有功功率，而無(wú)功功率?？刂撇⒙?lián)變流器為額定正弦電壓源，可使它輸出至負(fù)載的電壓為正弦波額定電壓且與電網(wǎng)輸入電壓基波同相，從而保證了在電網(wǎng)輸入電壓有諧波、非額定、不對(duì)稱情況下負(fù)載端對(duì)電壓的要求。由于電網(wǎng)輸入電流在串聯(lián)變流器的控制下為正弦波，因此迫使并聯(lián)變流器向負(fù)載輸出電流，其中補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功電流、補(bǔ)償負(fù)載諧波電流，而負(fù)載的有功電流則由交流電網(wǎng)（）和并聯(lián)變流器（）共同提供，，也即并聯(lián)變流器輸出用于補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功功率的無(wú)功功率外，還輸出部分有功功率。而由于并聯(lián)變流器受控為額定基波正弦電壓源，負(fù)載電壓總是維持額定正弦波不變，因此迫使串聯(lián)變流器經(jīng)串聯(lián)變壓器輸出的電壓由兩部分組成，，其中為諧波補(bǔ)償電壓，它與交流電源中的諧波電壓大小相等，，但方向相反；為基波電壓補(bǔ)償量，用于補(bǔ)償電源電壓的基波與負(fù)載電壓額定值的偏差，所以串聯(lián)變流器提供的補(bǔ)償電壓既抵消了電源電壓中的諧波，又補(bǔ)償基波電壓，使負(fù)載電壓成為與電網(wǎng)基波電壓同相的正弦波額定電壓。正是由于串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器的共同作用，使得在負(fù)載非線性、電網(wǎng)輸入電壓高于或低于額定值且含有諧波電壓時(shí)，負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)脚c電網(wǎng)輸入電壓同相的額定正弦電壓，同時(shí)交流電網(wǎng)僅輸入基波有功電流，電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1。正常時(shí)交流電網(wǎng)與UPQC共同對(duì)負(fù)載供電，稱為Standby工作模式，此時(shí)輸入靜態(tài)開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，其兩個(gè)并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通信號(hào)是按輸入電壓的正負(fù)半周分別加上的。一旦交流電網(wǎng)停電，并聯(lián)變流器從電池組獲取電能，無(wú)間隙的繼續(xù)不間斷對(duì)負(fù)載供電，稱為Backup工作模式，此時(shí)由于電網(wǎng)輸入電壓與輸入電流同相，無(wú)相位差，輸入靜態(tài)開(kāi)關(guān)S1可立即關(guān)斷，防止并聯(lián)變流器的輸出電流向電網(wǎng)倒灌。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常后，系統(tǒng)可以重新切回到Standby工作模式。當(dāng)發(fā)生輸出過(guò)載或者變流器故障時(shí)，控制信號(hào)觸發(fā)旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入旁路工作模式。2.3等效電路模型本節(jié)討論UPQC系統(tǒng)的等效電路模型，通過(guò)定義系統(tǒng)在基波和諧波下的等效電路，使得對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性分析簡(jiǎn)單化。該等效電路模型的獲得基于以下必要的假設(shè)：（1）并聯(lián)變流器采用高頻PWM控制技術(shù)，于負(fù)載端提供平衡的、額定的正弦波電壓，總諧波畸變率THD值低，并且與電網(wǎng)輸入電壓同相。（2）串聯(lián)變流器采用高頻PWM控制技術(shù)，使得電網(wǎng)輸入電流為平衡的正弦波電流，總諧波畸變率THD值低，并且電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1。圖2.3UPQC基波及諧波單相等效電路模型圖2.3UPQC基波及諧波單相等效電路模型(a)基波等效電路模型(b)諧波等效電路模型（4）串聯(lián)變壓器變比為1，使得串聯(lián)變流器輸入電流也就代表了電網(wǎng)的輸入電流，串聯(lián)變壓器原邊電壓也即串聯(lián)變流器輸入電壓?；谏鲜黾僭O(shè)，串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器可以分別用靜止的電流源和電壓源來(lái)表示，如圖2.3給出了基波及諧波下UPQC的單相等效電路，圖中串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器分別用基波和諧波下獨(dú)立的電流源和電壓源來(lái)代替。圖2.3(a)，電網(wǎng)輸入電壓作為參考向量，記為；由于并聯(lián)變流器受控為基波正弦電壓源，輸出與電網(wǎng)輸入電壓同相的負(fù)載電壓，因此負(fù)載電壓記為；而串聯(lián)變流器受控為基波正弦電流源，因此僅從電網(wǎng)吸收基波有功電流且和電網(wǎng)輸入電壓同相，記為；負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)角度，記為；負(fù)載吸收的有功功率記為，無(wú)功功率記為；并聯(lián)變流器輸出電流記為；串聯(lián)變流器輸出電壓記為；考慮串聯(lián)變壓器漏抗，其壓降記為。顯然交流電網(wǎng)只提供有功功率，用于負(fù)載有功消耗和系統(tǒng)損耗，而無(wú)功功率，負(fù)載的無(wú)功功率需求完全由并聯(lián)變流器提供。圖2.3(b)給出了UPQC諧波下的等效電路，由于串聯(lián)變流器作為一個(gè)基波正弦電流源運(yùn)行，電網(wǎng)輸入電流中的諧波成分，因此串聯(lián)變流器對(duì)諧波電流而言具有無(wú)窮大阻抗。電網(wǎng)輸入諧波電壓，由于并聯(lián)變流器作為基波正弦電壓源運(yùn)行，負(fù)載電壓中的諧波成分，且，因此電網(wǎng)輸入諧波電壓，即串聯(lián)變流器對(duì)于電網(wǎng)諧波電壓而言具有零阻抗，串聯(lián)變流器完全吸收了電網(wǎng)輸入電壓的諧波。而負(fù)載諧波電流，由于，顯然，即并聯(lián)變流器對(duì)于負(fù)載諧波電流而言具有零阻抗，并聯(lián)變流器完全抑制了負(fù)載的諧波電流。由于理想的控制使得電網(wǎng)輸入電流及負(fù)載電壓中無(wú)諧波成分，因此系統(tǒng)不從電網(wǎng)吸收諧波功率，也無(wú)負(fù)載諧波功率消耗。實(shí)際的控制效果并不可能完全消除諧波的影響，但相對(duì)基波成分而言，由諧波成分引起的諧波功率分量可以忽略不計(jì)，因此諧波頻率下UPQC的工作特性研究是很簡(jiǎn)單的，它主要用來(lái)分析變流器的視在功率和kVA容量?；诖丝紤]，本文所指UPQC系統(tǒng)靜態(tài)工作特性的分析主要基于基波下的等效電路。2.4統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制方案對(duì)于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC，每個(gè)變流器要么作為電流源控制，要么作為電壓源控制，按控制方案分，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器有如此兩類基本的控制方案。圖2.4UPQC間接控制策略框圖2.4.1圖2.4UPQC間接控制策略框圖 所謂間接控制方案，是指串聯(lián)變流器作為非正弦電壓源運(yùn)行，并聯(lián)變流器作為非正弦電流源運(yùn)行。如圖2.4所示，檢測(cè)電網(wǎng)電壓的畸變和基波偏差，作為電壓指令，對(duì)串聯(lián)變流器進(jìn)行控制，使得串聯(lián)變流器通過(guò)串聯(lián)變壓器輸出一個(gè)與電網(wǎng)電壓畸變和基波偏差相抵消的補(bǔ)償電壓，從而保證負(fù)載電壓是一個(gè)額定的正弦電壓。檢測(cè)負(fù)載的無(wú)功和諧波電流，作為電流指令，對(duì)并聯(lián)變流器進(jìn)行控制，使得并聯(lián)變流器輸出與負(fù)載無(wú)功和諧波電流大小相等的無(wú)功和諧波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載無(wú)功和諧波電流的補(bǔ)償，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦波電流，功率因素為1。采用間接控制策略，需要檢測(cè)電網(wǎng)電壓及負(fù)載電流的擾動(dòng)畸變等信息，由于是通過(guò)消除擾動(dòng)來(lái)獲得補(bǔ)償效果，因此從電網(wǎng)端看，對(duì)于負(fù)載電壓的調(diào)節(jié)和輸入功率因數(shù)的校正是間接的。此外，當(dāng)交流電網(wǎng)掉電或恢復(fù)供電時(shí)，并聯(lián)變流器需要從間接控制策略轉(zhuǎn)為直接控制策略（或反之），存在工作模式的一個(gè)切換，這對(duì)于控制來(lái)說(shuō)是不利的。2.4.2直接控制方案【21】－【25】如圖2.5所示，直接控制方案指串聯(lián)變流器受控為正弦電流源，而并聯(lián)變流器受控為正弦電壓源。并聯(lián)變流器作為正弦電壓源運(yùn)行，將輸出平衡、額定幅值的正弦電壓于負(fù)載端，由于電壓源對(duì)于諧波來(lái)說(shuō)具有很小的阻抗，因此負(fù)載的諧波和電網(wǎng)的諧波電流都流入并聯(lián)變流器支路。對(duì)于負(fù)載無(wú)功和不平衡，串聯(lián)變流器作為正弦電流源運(yùn)行，使得電網(wǎng)輸入電流為正弦且功率因素為1，由于電流源對(duì)于諧波電壓具有很大的阻抗，因此電網(wǎng)的諧波電壓被阻斷而不影響負(fù)載端電壓?？傊谥苯涌刂品桨赶?，串聯(lián)變流器隔離了電網(wǎng)與負(fù)載端的電壓擾動(dòng)，而并聯(lián)變流器隔離了負(fù)載無(wú)功功率、負(fù)載諧波電流和不平衡進(jìn)入電網(wǎng)。采用直接控制策略，還有一個(gè)好處就是在電網(wǎng)掉電或恢復(fù)供電時(shí)，不存在工作模式的切換，因?yàn)椴⒙?lián)變流器始終受控為正弦電壓源。3電能質(zhì)量控制器的串聯(lián)變流器的控制和仿真在三相四線UPQC系統(tǒng)中串聯(lián)變流器作為基波正弦電流源運(yùn)行，因此串聯(lián)變流器實(shí)際上是三相四線制的PWM整流器，通過(guò)控制串聯(lián)變流器三相輸入電感電流為平衡的正弦電流，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸入電流也為平衡的正弦電流，且與電網(wǎng)輸入交流電壓同相，也即實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸入功率因數(shù)為1。因此串聯(lián)變流器的控制關(guān)鍵是如何維持變流器的輸入電流為期望的正弦電流。由于UPQC要補(bǔ)償電網(wǎng)輸入電壓的基波偏差、諧波及不對(duì)稱，因此串聯(lián)變流器的輸入電壓也存在諧波及不對(duì)稱，因此在這種條件下，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變流器輸入電流的正弦和平衡與一般的PWM整流器是不同的。因此，本章首先建立了串聯(lián)變流器的不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型?；跀?shù)學(xué)模型分別給出了在理想和非理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制策略及控制器的設(shè)計(jì)。詳細(xì)分析串聯(lián)變換器matlab仿真模型的建立的方法。通過(guò)仿真比較了不同控制策略特點(diǎn)。3.1串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型【26】－【35】圖3.1串聯(lián)變流器功率電路為實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)變流器的預(yù)期控制，首先要建立串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)UPQC的功率電路如圖2.1，如圖3.1示出了串聯(lián)變流器的功率電路，圖中圖3.1串聯(lián)變流器功率電路為建立串聯(lián)變流器的模型，假設(shè)：三相全橋電路中各開(kāi)關(guān)器件為理想的開(kāi)關(guān)器件;三相輸入電感是對(duì)稱的，也即其值及電感電阻大小相等;串聯(lián)變壓器視為理想的變壓器，忽略漏感，因此交流電網(wǎng)與負(fù)載電壓間的電壓差可以線性的折算到串聯(lián)變壓器的付方，也即作為串聯(lián)變流器的輸入。而且電網(wǎng)的輸入電流和變流器的輸入電流也是一種線性的關(guān)系；直流端電壓由于并接有電池組，因此為一恒定的電壓源特性(1)基于三相靜止ABC坐標(biāo)系模型定義串聯(lián)變流器開(kāi)關(guān)函數(shù)如下： 顯然有：（3-1）由圖3.1，串聯(lián)變流器橋端輸出電壓用開(kāi)關(guān)函數(shù)可以表示為：（3-2）（3-3）（3-4）由于忽略了電網(wǎng)線路電感及串聯(lián)變壓器漏感，因此串聯(lián)變壓器變流器側(cè)（付方）電壓為：（3-5）（3-6）（3-7）由KVL定律，對(duì)串聯(lián)變流器輸入交流側(cè)可以得到以下描述方程，式中考慮了電感的電阻： （3-8） （3-9） （3-10）由KCL定律，串聯(lián)變流器直流側(cè)方程為： （3-11） （3-12）式中，、分別為兩電池組及的等效內(nèi)阻。若令，并且考慮電容兩端電壓均分，電池組對(duì)稱，即，，，則綜合式（3-1）～（3-12）可以得到串聯(lián)變流器在靜止ABC坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型： （3-13） （3-14） （3-15） （3-16） 由式（3-13）～（3-15）可見(jiàn)，對(duì)于本文所示的三相四線制串聯(lián)變流器電路，相當(dāng)于三個(gè)獨(dú)立的半橋電路的組合，這樣的電路結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相輸入電流的獨(dú)立控制，也利于消除三相電流的不平衡。(2)基于空間旋轉(zhuǎn)dqo坐標(biāo)系模型上述模型中，假設(shè)三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱，三相負(fù)載電壓在并聯(lián)變流器的控制作用下對(duì)稱且與電網(wǎng)電壓同相，如下表示：，（3-17），（3-18），（3-19）由式（3-5）～（3-7）及（3-17）～（3-19）可得：（3-20）（3-21）（3-22）即串聯(lián)變流器的輸入電壓是對(duì)稱的三相正弦電壓。根據(jù)變換的定義，并遵循變換前后功率不變的原則，可以得到從ABC坐標(biāo)系變換到dqo坐標(biāo)系的變換矩陣如下： （3-23）其反變換矩陣為： （3-24）圖3.2dqo坐標(biāo)系與ABC坐標(biāo)系圖3.2表明了兩相空間旋轉(zhuǎn)dqo坐標(biāo)系與三相ABC坐標(biāo)系之間的關(guān)系，其中，為軸與軸之間的夾角。軸定義于電網(wǎng)電壓矢量方向，軸定義于其垂直方向，且超前于軸。在以后的論述中，如果沒(méi)有特殊標(biāo)注與說(shuō)明，軸都按照如圖3-2所示的定義。利用變換矩陣及反變換矩陣，根據(jù)式（3-13）～（3-16）可得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下系統(tǒng)模型為：圖3.2dqo坐標(biāo)系與ABC坐標(biāo)系 （3-25） （3-26） （3-27） （3-28） 寫成矩陣表達(dá)式如下：（3-29）其中式（3-29）考慮了o軸分量、、，在電網(wǎng)電壓對(duì)稱，輸入電流平衡的情況下，有，，若控制，則式（3-29）可以簡(jiǎn)化為：（3-30）3.2理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制理想電網(wǎng)電壓是指三相輸入電壓平衡且正弦，電網(wǎng)電壓是一定的,所以控制輸入電流的快速有效控制就控制了能量流動(dòng)的速度和大小.這時(shí)串聯(lián)變流器實(shí)際可以忽略0軸的影響而視為三相三線制PWM整流器，采用dq軸交叉解耦控制技術(shù),可以獲得理想的變流器輸入電流控制效果。3.2.1串聯(lián)變流器的d,q軸電流解耦控制【32】【36】－【38】由式（3-30）表示的串聯(lián)變流器數(shù)學(xué)模型得串聯(lián)變流器輸入電流滿足下式：（3-31）（3-32）式中、為變流器輸入電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量，同理、為變流器輸入電壓的d、q分量，、則為控制量，有、?？梢?jiàn)串聯(lián)變流器橋端輸入d、q軸電流除受控制量、的影響外，還受耦合電壓、和串聯(lián)變流器輸入電壓、的擾動(dòng)影響。現(xiàn)假設(shè)變流器輸出的控制電壓矢量中包含三個(gè)分量：（3-33）（3-34）其中，；，將式（3-33）和（3-34）分別代入（3-31）和（3-32）得：（3-35）（3-36）在式（3-35）和（3-36）表示的dq電流子系統(tǒng)中，dq軸電流是獨(dú)立控制的，而且控制對(duì)象也很簡(jiǎn)單，相當(dāng)于對(duì)一個(gè)一階對(duì)象的控制。之所以能形成這種簡(jiǎn)潔形式其主要原因是引入了電流狀態(tài)反饋解耦（、），而引入了電網(wǎng)擾動(dòng)電壓（、）作前饋補(bǔ)償也使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有進(jìn)一步提高。圖3.3理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)框圖圖3.3給出了解耦后的串聯(lián)變流器輸入電流控制系統(tǒng)。檢測(cè)三相A、B、C系統(tǒng)的負(fù)載電流、負(fù)載電壓和電網(wǎng)輸入電壓，經(jīng)坐標(biāo)變換和低通濾波LPF后得到與基波對(duì)應(yīng)的直流分量，利用UPQC系統(tǒng)功率平衡原理求出，若考慮系統(tǒng)中的功率損耗，則需在中附加一增量，其由外環(huán)直流母線電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。由于不希望電網(wǎng)電流中包含無(wú)功分量，因此q軸電流控制指令。電流調(diào)節(jié)器、的輸出結(jié)合解耦電壓反饋和輸入電壓前饋合成控制量、，由此控制量對(duì)串聯(lián)變流器實(shí)行實(shí)時(shí)的SVPWM或SPWM控制，使變流器輸入電流跟蹤，則可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)變流器作為基波正弦電流源運(yùn)行的功能，從而也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)輸入電流的控制。控制系統(tǒng)中引入解耦電壓反饋和輸入電壓前饋，可以消除它們對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)影響。圖3.3理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器控制系統(tǒng)框圖3.2.2串聯(lián)變流器電流指令的計(jì)算如圖3.3所示，電流計(jì)算模塊產(chǎn)生的電流指令反映了變流器輸入電流的大小，并且只包含基波有功分量，變流器輸入功率因數(shù)為1。忽略系統(tǒng)功耗，且電池組不充電也不放電，變流器輸入的有功功率應(yīng)等于直流側(cè)負(fù)載吸收的有功功率：（3－37）式中為直流側(cè)負(fù)載電流。顯然在輸入電壓平衡正弦的情況下，有為直流量，，又要求串聯(lián)變流器三相輸入電流正弦、平衡且與輸入電壓同相，即，因此式（3－37）可以表示為：（3－38）由式（3－38）就可以獲得變流器的輸入電流指令、，即：（3－39）（3－40）3.2.3串聯(lián)變流器的電流和電壓控制器的設(shè)計(jì)圖3.4系統(tǒng)解耦后傳遞函數(shù)框圖一般希望電流控制具有較好的動(dòng)靜態(tài)特性，且又希望控制器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟，因此電流調(diào)節(jié)器、采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。一般在設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，認(rèn)為直流電壓的變化對(duì)交流電流無(wú)影響，或者說(shuō)相對(duì)于電流變化而言直流電壓變化比較慢，可以認(rèn)為在電流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中直流電壓基本不變。通過(guò)設(shè)定電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)為電流環(huán)的3～5倍以上，并且直流端并接電池組，可以保證直流電壓近似恒定?；谝陨险J(rèn)定，三相串聯(lián)變流器系統(tǒng)經(jīng)交叉解耦后可d軸和q軸成為兩個(gè)獨(dú)立的單閉環(huán)系統(tǒng)，因此d、q軸可以分別獨(dú)立設(shè)計(jì)控制器。圖3.4給出了d軸系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖。圖3.4系統(tǒng)解耦后傳遞函數(shù)框圖圖中考慮了采樣環(huán)節(jié)sys1及保持環(huán)節(jié)sys3，sys2為PI調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)對(duì)象為sys4，有，。采樣環(huán)節(jié)與保持環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)（對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)周期）都很小，可視為小慣性環(huán)節(jié),可以把它們合并等效成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將調(diào)節(jié)器中的零點(diǎn)與對(duì)象中的主導(dǎo)極點(diǎn)對(duì)消，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成典型Ⅰ形系統(tǒng)，然后根據(jù)要求選取阻尼比，從而確定調(diào)節(jié)器參數(shù)。（1）電流環(huán)參數(shù)選擇如下： （3-41）對(duì)象中的主導(dǎo)極點(diǎn)與PI調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消后，并將系統(tǒng)降階，系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為： （3-42）一般取阻尼比，可以求出： （3-43）在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，，，，可以得到調(diào)節(jié)器參數(shù)為，。由圖3.4，可以得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)及輸出動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度傳遞函數(shù)： （3-44）（3-45）式（3-44）、（3-45）的頻率響應(yīng)分別如圖3.5、圖3.6所示，由圖3.5可見(jiàn)，在系統(tǒng)基波頻率處（），系統(tǒng)的幅值增益為0dB，而相角為，系統(tǒng)帶寬約為3550（565Hz），這說(shuō)明在PI調(diào)節(jié)器作用下，系統(tǒng)電流控制穩(wěn)定，不存在幅值誤差。而圖3.6可見(jiàn)，基波頻率處的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度為47.9dB，相當(dāng)于串聯(lián)變流器基波等效輸入阻抗為228.5，是變流器交流側(cè)電抗的121倍，說(shuō)明串聯(lián)變流器被控制為一個(gè)電流源在運(yùn)行。圖3.5閉環(huán)頻率響應(yīng)特性圖3.6動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度頻率響應(yīng)特性 （2）對(duì)于電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，由于考慮有電池組的接入，并且其作用僅僅是提供系統(tǒng)功耗所需要的附加電流指令，因此電壓調(diào)節(jié)器對(duì)于直流電壓控制的穩(wěn)態(tài)精度、響應(yīng)時(shí)間的要求不是太高，而且串聯(lián)變流器的控制關(guān)鍵是內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)，因此往往要求電流調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時(shí)間比電壓調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時(shí)間快3～5倍。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，電流環(huán)的截止頻率為圖3.5閉環(huán)頻率響應(yīng)特性圖3.6動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度頻率響應(yīng)特性在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器中本文雖然給出了電流調(diào)節(jié)器與電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法，但它們不是唯一的。如我國(guó)學(xué)者陳伯時(shí)曾經(jīng)提出與“三階最優(yōu)整定法”類似的“振蕩指標(biāo)法”，而且在性能上略優(yōu)于“三階最優(yōu)整定法”。需要指出的是調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)定是一個(gè)多次反復(fù)調(diào)試的過(guò)程，任何一種方法都只能起指導(dǎo)作用。所以，在實(shí)際調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定中，往往是根據(jù)一種算法先估算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)大小，然后經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)，反復(fù)地調(diào)節(jié)參數(shù)，使性能良好。3.3非理想電網(wǎng)電壓下串聯(lián)變流器的控制在第二章分析了UPQC的兩個(gè)變流器要么作為電流源控制，要么作為電壓源控制。當(dāng)串聯(lián)變換器作非正弦電壓源運(yùn)行,并聯(lián)變流器作為非正弦電流源運(yùn)行時(shí),UPQC采用間接控制.當(dāng)串聯(lián)變換器作正旋電流源運(yùn)行,并聯(lián)變流器作為正弦電壓源運(yùn)行時(shí),UPQC采用間接控制.另外,在輸入電壓不平衡、非正弦的情況下，如果依然采用理想電網(wǎng)電壓下的dq軸控制策略，將使串聯(lián)變流器輸入電流不平衡、輸入電流與輸入電壓間存在相移、輸入電流諧波加重等惡劣現(xiàn)象，因此必須采取措施來(lái)抑制它們的影響，本節(jié)基于這樣的思路,分析串聯(lián)變流器的間接和直接控制方案.3.3.1非理想電網(wǎng)電壓對(duì)串聯(lián)變流器的影響上節(jié)所討論的串聯(lián)變流器電流控制是基于電網(wǎng)輸入電壓是理想的三相正弦對(duì)稱電壓而言的，因此采用dq坐標(biāo)下的控制策略可以獲得較為理想的控制效果。而實(shí)際電網(wǎng)電壓往往不是理想的,對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的調(diào)查表明，通常電網(wǎng)電壓或多或少存在相位與幅值不平衡，此外，大量非線性負(fù)載的存在也使得電網(wǎng)電壓不是完全的純正弦，或多或少的存在波形的畸變，使得電網(wǎng)電壓諧波嚴(yán)重.非理想電網(wǎng)電壓是相對(duì)理想電網(wǎng)電壓而言的，對(duì)于三相電網(wǎng)系統(tǒng)，理想的電網(wǎng)電壓是三相對(duì)稱的、無(wú)波形畸變的額定正弦電壓。超出一定范圍的電壓偏差或波形畸變或不對(duì)稱，都會(huì)危害電力用戶以及電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這里討論的非理想電網(wǎng)電壓，主要指電網(wǎng)電壓的波形畸變及三相不對(duì)稱。波形畸變的根本原因是所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系造成的，這種非線性關(guān)系，使得注入電網(wǎng)的電流為非正弦的諧波電流，在系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生相應(yīng)的諧波壓降，形成了系統(tǒng)內(nèi)部的諧波電壓，使得原有的正弦電壓波形產(chǎn)生了畸變。如果串聯(lián)變流器輸入電壓的不對(duì)稱，其影響就是在直流輸出電壓中產(chǎn)生諸如2、4、8、10、14等不期望的諧波，特別是2次諧波使得直流輸出電壓紋波嚴(yán)重，反過(guò)來(lái)，直流輸出電壓紋波影響到串聯(lián)變流器橋端輸入電壓，使橋端輸入電壓中包含3、5、9等次的諧波，從而增加了輸入電流的總諧波畸變率。如果電網(wǎng)電壓含有大量k次諧波,就會(huì)使串聯(lián)變流器的直流輸出電壓中包含及次諧波，由此變流器輸入電流中包含次的諧波，也即輸入電壓的諧波完全傳遞到了三相輸入電流，從而增加了輸入電流的總畸變率，增加了輸入電流正弦性的控制難度。3.3.2串聯(lián)變流器的間接控制【39】圖3.7串聯(lián)變流器間接控制系統(tǒng)框圖 串聯(lián)變流器的間接控制方案，是指串聯(lián)變流器作為非正弦電壓源運(yùn)行,檢測(cè)電網(wǎng)電壓的畸變和基波偏差，作為電壓指令，對(duì)串聯(lián)變流器進(jìn)行控制，使得串聯(lián)變流器通過(guò)串聯(lián)變壓器輸出一個(gè)與電網(wǎng)電壓畸變和基波偏差相抵消的補(bǔ)償電壓，從而保證負(fù)載電壓是一個(gè)額定的正弦電壓。采用間接控制策略，需要檢測(cè)電網(wǎng)電壓及負(fù)載電流的擾動(dòng)畸變等信息，由于是通過(guò)消除擾動(dòng)來(lái)獲得補(bǔ)償效果，因此從電網(wǎng)端看，對(duì)于負(fù)載電壓的調(diào)節(jié)和輸入功率因數(shù)的校正是間接的.在圖圖3.7串聯(lián)變流器間接控制系統(tǒng)框圖3.3.3串聯(lián)變流器的直接控制為了使UPQC系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗擾動(dòng)能力,必須實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電流并引入電流反饋,直接控制變流器的輸入電感電流.在各種不同的直接電流控制方式中,電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)由于控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,特性優(yōu)良而應(yīng)用最為普遍.下面將分析兩種直接控制方案.（1）基于SRF的dq+o軸控制【40】【41】 電網(wǎng)輸入電壓的不平衡，直接導(dǎo)致了三相電網(wǎng)輸入電流的不平衡，對(duì)于三相四線結(jié)構(gòu)的串聯(lián)變流器而言，零序電流比負(fù)序電流要突出，因此必須引入o軸控制，以消除零序電流，從而在最大程度上實(shí)現(xiàn)三相輸入電流的平衡。 由串聯(lián)變流器的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式（3-29）可得： （3-46） 令o軸控制量為，忽略電感電阻，則有：圖3.8串聯(lián)變流器dq+o軸控制系統(tǒng)框圖 圖3.8串聯(lián)變流器dq+o軸控制系統(tǒng)框圖 若電流控制器采用PI控制，則o軸電壓控制指令為： （3-48） 由此可以構(gòu)成圖3.8所示的基于SRF的dq+o軸控制系統(tǒng)框圖，不同于圖3.3的是，此處加了o軸電流控制，顯然。（2）基于SRF的三相ABC獨(dú)立控制【42】－【47】 由前述串聯(lián)變流器數(shù)學(xué)模型可知，三相四線結(jié)構(gòu)的串聯(lián)變流器相當(dāng)三個(gè)獨(dú)立的半橋電路的組合，因此可以采用三相ABC分別進(jìn)行獨(dú)立控制。圖3-9基于SRF的三相ABC獨(dú)立控制系統(tǒng)框圖根據(jù)串聯(lián)變流器三相ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，圖3.9給出了基于SRF的三相ABC獨(dú)立控制系統(tǒng)框圖。圖中電流指令的計(jì)算與式（3－39）類似，都是基于直流側(cè)負(fù)載僅從電網(wǎng)吸收有功功率。由于電網(wǎng)電壓非理想，含有諧波和且不平衡，所以不僅僅為基波直流量，還有諧波分量，、也不為零，需要重新計(jì)算輸入電壓的大小，因此電流指令前饋的表達(dá)式如下所示：圖3-9基于SRF的三相ABC獨(dú)立控制系統(tǒng)框圖（3-49）式中為母線直流電壓的平均值，為變流器輸入電壓的基波幅值，、、分別為、、經(jīng)低通濾波后的直流量。由于輸入電壓及母線直流電壓經(jīng)過(guò)了低通濾波作用，消除了輸入電壓諧波、不平衡、及母線直流電壓文波的影響，因此根據(jù)式（3-49）計(jì)算得出的電流指令經(jīng)dq0到ABC變換后，就得到代表電網(wǎng)輸入有功功率的三相平衡正弦交流電流指令、、。加入電壓前饋、、，用于消除輸入電壓擾動(dòng)的影響。3.4鎖相環(huán)圖3.3中，PLL為鎖相環(huán)，其作用是對(duì)電網(wǎng)輸入A相電壓進(jìn)行相位檢測(cè)，產(chǎn)生兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)和，用于實(shí)現(xiàn)ABC到dq的坐標(biāo)變換。由于坐標(biāo)變換、空間矢量SVPWM調(diào)節(jié)都是建立在電網(wǎng)輸入電壓相位檢測(cè)的基礎(chǔ)上，因此鎖相環(huán)的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，要求鎖相環(huán)不僅具有良好的跟蹤性能，而且還要有很強(qiáng)的抗干擾能力，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓存在擾動(dòng)、不平衡、諧波、頻率變化等非理想狀況。傳統(tǒng)的鎖相環(huán)是由硬件電路實(shí)現(xiàn)的,隨著微處理器運(yùn)算速度的提高,用軟件實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)成為一種趨勢(shì)。與前者相比，后者容易與整體控制方法相配合，具有更高的精度和可靠性。本文采用了一種數(shù)字化的鎖相技術(shù)，它是用數(shù)字信號(hào)處理器DSP實(shí)現(xiàn)的，由于DSP內(nèi)部包含有捕獲口和計(jì)數(shù)時(shí)基，因此可以很方便地檢測(cè)出電網(wǎng)輸入電壓和逆變器輸出電壓信號(hào)之間的相位差，如圖3.10所示。圖中的為DSP的內(nèi)部計(jì)數(shù)器，讓它跟隨電網(wǎng)輸入電壓信號(hào)同步計(jì)數(shù)，在每一個(gè)基波周期當(dāng)中可以分別讀取電網(wǎng)信號(hào)與逆變器輸出電壓信號(hào)在半個(gè)周期時(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值（圖中分別對(duì)應(yīng)于點(diǎn)與點(diǎn)）和，則實(shí)際上就可以表示市電電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差，得到相位差之后，就可以很方便地設(shè)計(jì)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓的相位跟蹤市電的相位。圖3.10市電和變流器輸出電流之間相位差的檢測(cè)系統(tǒng)中鎖相環(huán)的基本控制框圖如圖3.11所示，由圖可見(jiàn)，鎖相環(huán)采用了一般的控制器，其中為固有周期，即相當(dāng)于控制器輸出為零時(shí)的逆變器周期，圖中控制器的輸出直接去調(diào)節(jié)逆變器的周期，但由于頻率是周期的倒數(shù)，因此也相當(dāng)于間接地調(diào)節(jié)了頻率。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)，即逆變器的輸出電壓相位可以完全跟蹤上市電的相位。圖3.10市電和變流器輸出電流之間相位差的檢測(cè)圖3.圖3.11鎖相環(huán)控制框圖3.5串聯(lián)變換器系統(tǒng)仿真建模和仿真分析計(jì)算機(jī)仿真是現(xiàn)代科學(xué)研究的一個(gè)重要手段,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于電力電子技術(shù)為電力電子電路及其控制系統(tǒng)提供了經(jīng)濟(jì)、有效、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法.通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真,可以建立一個(gè)模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,根據(jù)以建立的數(shù)學(xué)模型構(gòu)造仿真模型,通過(guò)仿真對(duì)系統(tǒng)各個(gè)方面的性能進(jìn)行預(yù)測(cè),從而減少開(kāi)發(fā)過(guò)程中的盲目性和復(fù)雜性,縮短設(shè)計(jì)周期.另外,通過(guò)仿真進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和分析,避免了損壞電力電子開(kāi)關(guān)器件和裝置的危險(xiǎn),能有效的降低裝置的開(kāi)放成本.3.5．1電力電子電路仿真的基本方法在電力電子電路的仿真中，目前還沒(méi)有一種仿真軟件和方法可以完全替代所有的試驗(yàn)，不同的方法和軟件有不同的特點(diǎn)和針對(duì)性，因此必須對(duì)各種方法的特點(diǎn)有所了解，認(rèn)識(shí)各種建模仿真方法的性質(zhì)和局限性，并對(duì)這些局限性對(duì)仿真結(jié)果可信度的影響有深入了解，實(shí)際應(yīng)用中比較有代表性的方法有以下兩種：=1\*GB3①系統(tǒng)級(jí)仿真，忽略微高頻分量對(duì)系統(tǒng)影響所建模型為基礎(chǔ)的仿真=2\*GB3②元件級(jí)仿真，盡可能考慮每個(gè)元件所有特性所建模型為基礎(chǔ)的仿真圖3.12電力電子電路仿真過(guò)程圖需要指出的是，目前仿真軟件的發(fā)展是非常迅速的，過(guò)去側(cè)重于一個(gè)方面性能的軟件，都在想辦法彌補(bǔ)其不足，使其功能更強(qiáng)大，使用面更寬。但是仿真的基本思想都是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽象建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型和仿真軟件的功能和特點(diǎn)建立仿真模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得出仿真結(jié)果來(lái)分析和印證系統(tǒng)并為實(shí)驗(yàn)做指導(dǎo)。而電力電子仿真的基本過(guò)程如圖3圖3.12電力電子電路仿真過(guò)程圖3.5．2電力電子開(kāi)關(guān)的仿真模型處理方法由于電力電子電路中開(kāi)關(guān)元件是非線性時(shí)變?cè)?，使得電力電子電路難以直接用線性時(shí)不變方程直接描述，從而給仿真帶來(lái)很多麻煩。另外，雖然電力電子電路仿真可以借用很多專用仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但不同仿真軟件特點(diǎn)不一樣，能夠應(yīng)用的仿真模型也不一樣，仿真前要仔細(xì)分析仿真的目的，從而有針對(duì)性的建立模型和選擇仿真軟件。所以在電力電子仿真模型中針對(duì)仿真目的的不同，電力電子開(kāi)關(guān)模型處理的方法各不一樣，主要有以下幾種方法：方法1、如果用一組可變參數(shù)的電阻電容甚至電感組的網(wǎng)絡(luò)來(lái)精確模擬電力電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程（上升、下降時(shí)間，通態(tài)壓降，關(guān)斷漏電流），就可對(duì)電力電子電路運(yùn)行時(shí)μs級(jí)以下的瞬態(tài)特性進(jìn)行仿真，Pspice軟件甚至可以自動(dòng)形成此元件模型，此種仿真就是元件級(jí)仿真。元件級(jí)仿真的優(yōu)點(diǎn)是能反映電路運(yùn)行中的細(xì)節(jié)問(wèn)題，但運(yùn)行速度慢，軟件運(yùn)算的收斂性容易出問(wèn)題。方法2、如果用一個(gè)較小的電阻作為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的模型，用一個(gè)較大的電阻作為開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)的模型，對(duì)電力電子電路的仿真就會(huì)簡(jiǎn)化很多。這樣的處理使電力電子電路仿真中對(duì)μs級(jí)以下瞬態(tài)過(guò)程的分析就不夠精確，但對(duì)ms級(jí)瞬態(tài)過(guò)程的分析還是足夠精確的，如果不需要分析開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)過(guò)程的損耗、開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的尖峰等問(wèn)題，就可以用這種開(kāi)關(guān)模型簡(jiǎn)化仿真過(guò)程，減少運(yùn)算量。圖3.13電力電子開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化示意圖方法3、對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行描述的常規(guī)方法是建立起狀態(tài)方程，對(duì)于一個(gè)包括開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)同樣方法也是適用的。每一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)將對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的拓?fù)洌匆粋€(gè)線性的時(shí)不變系統(tǒng),因此可以根據(jù)狀態(tài)分別建立相應(yīng)的線性狀態(tài)方程。將一個(gè)非線性的時(shí)變系統(tǒng)變成了一系列在時(shí)間序列上分段線性化的線性時(shí)不變系統(tǒng)，利用線性系統(tǒng)的求解方法進(jìn)行求解。即如圖3－13所示，將一個(gè)有圖3.13電力電子開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化示意圖（3－50）其中Tkj表示第K個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的第j個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)刻。狀態(tài)變量X為動(dòng)態(tài)元件如電容上的電壓和電感中的電流，如前所述由于狀態(tài)是連續(xù)的，所以第j個(gè)狀態(tài)的終值將成為第j+1個(gè)狀態(tài)初值。得出了上面的幾組狀態(tài)方程之后，就可通過(guò)迭代的方法逐點(diǎn)求解電路的狀態(tài)，其中每個(gè)狀態(tài)的最后一個(gè)解就是下一個(gè)狀態(tài)的初始值。采用上述方法進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，實(shí)際上是假定開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程是瞬時(shí)完成的，其使用范圍也是只能反映ms級(jí)的瞬態(tài)過(guò)程，一般也不能用于分析開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)特性及由此引起的問(wèn)題。方法4、如果能將開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的系統(tǒng)變化用狀態(tài)方程的輸入量變化來(lái)表示，如式（3－51）所示，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)下面的狀態(tài)方程中A,B,C,D都不會(huì)發(fā)生變（3－51）化，只有發(fā)生變化，則仿真中只需在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候改變，其他時(shí)候狀態(tài)方程中把看成是常數(shù)就可求解。此方法雖然與方法2、3假定了開(kāi)關(guān)過(guò)程是瞬時(shí)完成，從而難以用于分析開(kāi)關(guān)器件的瞬態(tài)特性，但是分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性和大信號(hào)特性時(shí)的常用方法，比方法2，3要簡(jiǎn)潔，使用面廣，對(duì)建模水平的要求也高一些。方法5、前面所用方法雖然可以解決物理對(duì)象到仿真模型的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，但是這些處理方法都無(wú)法給出系統(tǒng)的解析模型，從而使電力電子電路的一些控制特性的分析和仿真變得困難，如果要得到含電力電子開(kāi)關(guān)的電力電子電路的近似解析模型，就可使用狀態(tài)空間平均方法，當(dāng)狀態(tài)空間平均模型是非線性和時(shí)變的時(shí)，用交流小信號(hào)線性模型和直流模型替代他。3.5．3主電路的仿真模型的建立MATLAB環(huán)境是1980年由美國(guó)的CleveMoler博士在教授大學(xué)線性代數(shù)時(shí)開(kāi)始構(gòu)思并開(kāi)發(fā)的。1992年Moler博士與一批軟件專家一齊成立了專門的公司對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，推出了交互式模型輸入與仿真環(huán)境（SIMULINK),SIMULINK一種動(dòng)態(tài)的仿真工具，具有其它仿真軟件所沒(méi)有的多種優(yōu)點(diǎn)。由于MATLAB提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，很多專家在自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域編了一些特殊的工具箱，更加推動(dòng)了MATLAB應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。使用MATLAB進(jìn)行電力電子電路的仿真可滿足大部分的目標(biāo)要求，且簡(jiǎn)單、方便，電力電子方面的工具箱功能強(qiáng)大，可以提供各種電力電子開(kāi)關(guān)模型，省去了電力電子電路建模中的很多麻煩，因此已經(jīng)成為電力電子電路仿真的重要工具。另外，在Simulink中,對(duì)系統(tǒng)的建模和仿真是非常容易的,仿真過(guò)程是交互的,可以隨意更改系統(tǒng)參數(shù),以便全面了解參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響.本文將基于Simulink仿真環(huán)境并利用MATLABPowerSystemBlockset建立串聯(lián)變換器的仿真模型。在Simulink仿真環(huán)境下PowerSystemBlockset提供了電力電子系統(tǒng)所需的電力電子元件，對(duì)這些元件設(shè)定合適的參數(shù)，然后利用電力系統(tǒng)仿真模型庫(kù)中的其他模型可以建立模擬實(shí)際系統(tǒng)的功率電路的電路模型?；谝陨纤枷虢⒌拇?lián)變換器主電路仿真模型由電網(wǎng)電壓模塊、電壓檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、PWM整流模塊和直流環(huán)節(jié)組成。其框圖如圖3.14所示：其中子系統(tǒng)AC1是電網(wǎng)電壓模塊，其內(nèi)部電路如圖3-16所示，利用SimpowerSystem中的ElectricalSources中電壓源元件，對(duì)電壓源進(jìn)行設(shè)定可以模擬實(shí)際系統(tǒng)的基波、諧波電壓的幅值、相位以及頻率等，通過(guò)合適的連接就構(gòu)成了電網(wǎng)電壓模型。圖3.14串聯(lián)變流器主電路仿真電路圖子系統(tǒng)i2measure1s是電流檢測(cè)模塊，vc3是電壓檢測(cè)模塊，圖3.16是利用SimpowerSystem中的Measurements中的電壓、電流測(cè)量模塊構(gòu)成的電壓、電流檢測(cè)模塊內(nèi)部電路，相當(dāng)于實(shí)際電路中的電壓、電流霍爾元件，電壓、電流檢測(cè)模塊為控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)的電壓、電流信息，反饋給控制系統(tǒng)以便采取適宜的控制。子系統(tǒng)series1是三橋臂六IGBT模塊，可以設(shè)定模塊的連接方式、緩沖電路、開(kāi)關(guān)頻率等以便模擬實(shí)際電力開(kāi)關(guān)器件。子系統(tǒng)dcloop1內(nèi)部電路如圖圖3.14串聯(lián)變流器主電路仿真電路圖圖3.圖3.17直流側(cè)電池、電容仿真模型圖3.15電網(wǎng)電壓模塊仿真模型a、電壓檢測(cè)模塊b、電流檢測(cè)模塊圖3.16電壓、電流檢測(cè)模塊仿真模型3.5．4控制電路的仿真模型的建立對(duì)于三相四線制UPQC系統(tǒng)，當(dāng)分析電路不同工作狀態(tài)或檢測(cè)的電路信息發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也隨之改變。所以這里僅以基于SRF的dq+o軸控制的控制方案說(shuō)明仿真模型的建立方法?？刂齐娐返姆抡婺Ｐ褪腔谕獠繖z測(cè)信號(hào)的處理、控制算法建立的。如圖3.18所示把檢測(cè)到的電壓，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)三相ABC-dq0變換，離散化后獲得系統(tǒng)所需的控制量。而控制器則根據(jù)這些電壓電流信息來(lái)構(gòu)圖3.19仿真模型圖3.18串聯(lián)變流器控制電路仿真模型成相應(yīng)的控制算法，可以利用SIMULINK中提供的基本模塊庫(kù)（諸如Continues庫(kù)、Discrete庫(kù)、Functions&Tables庫(kù)、Math庫(kù)、Nonlinear庫(kù)、Signals&Systems庫(kù)、Sinks庫(kù)、Sources庫(kù)、Subsystems庫(kù)等）實(shí)現(xiàn)算法，得到系統(tǒng)的dqo軸控制量，通過(guò)dq0-ABC變換獲得三相ABC系統(tǒng)下的控制量，經(jīng)過(guò)SPWM波形成模塊得到IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由式(3-23)和（3－24）利用Simulink中的模塊可以很容易得到和變換的仿真模型如圖2.19和圖2.20所示，模型中的函數(shù)根據(jù)式(3-23)和（3－24）分別定義。圖3.19仿真模型圖3.18串聯(lián)變流器控制電路仿真模型圖3.圖3.20仿真模型為了分析不同控制方案的特點(diǎn)，分別按照前面的方法建立串聯(lián)變流器的仿真模型，對(duì)串聯(lián)變流器在理想電網(wǎng)電壓及非理想電網(wǎng)電壓下各種控制策略工作特性進(jìn)行仿真研究。（1）基于dq軸控制策略下的仿真分析仿真采用圖3.3所示的dq軸控制策略，電壓環(huán)PI為、電流環(huán)PI為、三角載波幅值為1111，兩電池組電壓均恒為220V、內(nèi)阻均為，輸入電感為5.8mH，內(nèi)阻為，兩串聯(lián)直流電容均為，負(fù)載電阻為，開(kāi)關(guān)頻率為9KHz。=1\*GB3①當(dāng)電網(wǎng)電壓為理想的三相平衡正弦波：（3－52）圖3.21電網(wǎng)電壓平衡下串聯(lián)變流器dq軸控制仿真波形其仿真結(jié)果如圖3圖3.21電網(wǎng)電壓平衡下串聯(lián)變流器dq軸控制仿真波形由圖3.21(a)可見(jiàn)，此時(shí)采用dq軸控制策略可以實(shí)現(xiàn)變流器三相輸入電流的平衡，中線電流僅為很小的開(kāi)關(guān)紋波，且輸入電流與輸入電壓同相，變流器輸入功率因數(shù)為1。而圖3.21（b）顯示母線直流電壓不存在諧波分量波動(dòng)，B相輸入電流的頻譜中各次諧波分量均很小，其諧波總畸變率為0.73％，說(shuō)明了電流良好的正弦性。這表明在輸入電壓平衡正弦的情況下，采用dq軸控制策略就可以獲得理想的電流控制效果。=2\*GB3②當(dāng)變流器輸入的電網(wǎng)電壓與式（3－52）相同，但B相在串入一個(gè)3電阻后才作為變流器輸入時(shí)，仿真結(jié)果如圖3.22所示。由圖3.23(a)可見(jiàn)，B相輸入電壓幅值與A、C相不一致，分析知其負(fù)序及零序不平衡度達(dá)到8.3％。此時(shí)僅僅采用dq軸控制策略不能實(shí)現(xiàn)三相輸入電流的平衡，中線電流不再僅僅是開(kāi)關(guān)紋波，還包含有幅值為15A的基波，且B、C相輸入電流與輸入電壓存在一定的相移，變流器輸入功率因數(shù)不為1。圖3.22(b)顯示母線直流電壓較圖3.21(b)有較明顯的2次諧波分量波動(dòng)，B相輸入電流的頻譜中3次諧波含量豐富，其諧波總畸變率為5.4％。這充分說(shuō)明，變流器輸入電壓的不平衡會(huì)在直流母線電壓中產(chǎn)生2次諧波波動(dòng)，從而增大變流器輸入電流的3次諧波含量。圖3.22電網(wǎng)電壓不平衡下串聯(lián)變流器dq軸控制仿真波形=3\*GB3③變流器輸入電網(wǎng)電壓平衡但包含5次諧波成分，如下式所示：（3－53）上式中考慮了5％的5次諧波分量，其仿真結(jié)果如圖3.25所示，由圖3.23(a)可見(jiàn)，由于三相輸入電壓是對(duì)稱的，三相變流器輸入電流保持平衡，中線電流僅為很小的開(kāi)關(guān)紋波，且輸入電流與輸入電壓同相，變流器輸入功率因數(shù)為1。而圖3.23(b)顯示母線直流電壓中存在4次諧波分量波動(dòng)，使得輸入電流的正弦性受到影響，B相輸入電流的頻譜中5次諧波含量豐富，其總諧波畸變率為2.45％。這充分說(shuō)明輸入電壓中的諧波含量會(huì)反映到了輸入電流中的前述分析結(jié)論。圖3.23電網(wǎng)電壓平衡但含諧波時(shí)串聯(lián)變流器dq軸控制仿真波形 需要指出的是，圖3.22及圖3.23中，母線直流電壓的紋波波動(dòng)幅值是很小的，這主要是由仿真中電池組的