統一電能質量調節器檢測與控制技術研究

統一電能質量調節器（UPQC）是用戶電力中一機多用、具有綜合電能質量調節能力的設備，它既可以改善電網輸入電流的品質，也可以改善負載側電壓的品質，是最能解決多種電能質量問題的有效設備之一。目前，UPQC還未能廣泛進入工業應用領域，其相關的檢測和控制技術還有待進一步完善和提高。本文針對 UPQC 信號檢測、控制模型和控制方法等方面存在的問題展開深入研究，並提出了新的檢測與控制方法。這些工作對于豐富 UPQC 的檢測與控制的基礎理論，對于推動 UPQC 向大規模工業應用，均具有重要意義。UPQC 的電壓電流信號中除包含正序基波分量外，還可能存在負序和零序基波分量以及其它諧波成分。目前普遍采用基于瞬時無功功率理論的 dq0變換方法提取正序基波分量，並由此實施對原始信號中非基波分量的補償。dq0 變換方法計算量較大，硬件實施較複雜，且不適用于單相檢測場合。針對此問題，本文在分析三角函數提取基波電壓電流成分有關信息的基礎上，提出了一種檢測 UPQC 電壓電流信號的新方法。該方法利用待檢測信號與正弦和余弦參考信號的少量乘除法運算，快速獲得待檢測信號中的基波電壓和基波電流表達式，爲高效補償待檢測信號中的非基波分量奠定了基礎。

同時，該方法能夠動態實時跟蹤系統頻率和正序基波成分幅值與初相位的變化，提高了方法對系統運行工況變化的適應性。某些電力設備，在將其模型由 abc 坐標系變換到 dq 坐標系後，仍然存在d、q 軸間的交叉耦合，無法實施完全解耦控制。UPQC 的 dq 坐標模型也不例外。針對此問題，本文提出了一種實現完全解耦的新方法：在原模型由 abc坐標系變換到 dq 坐標系的基礎上，再增加一次由 dq 至 αβ 間的變換，就可使得再變換後的模型，其各軸分量間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。完全解耦後的模型，爲在一定控制模式和控制方式下實現 UPQC 的解耦控制或控制系統的解耦設計提供了便利，有助于提高系統控制或系統設計性能。根據 UPQC 串並聯部分在系統控制目標上的不同分工，可以將 UPQC 的控制模式劃分爲串壓並流模式和串流並壓模式，兩種模式都可以分別采用開環方式和閉環方式進行控制。本文分別從兩種控制模式和兩種控制方式入手，哈爾濱工業大學工學博士學位論文提出了相應的控制策略，給出了不同控制策略下給定參考量、檢測量等的計算與檢測方法。

其中，對開環控制，相關參數的計算充分利用了 UPQC 的解耦模型；對閉環控制，由于控制目標是通過特定的偏差信號進行自動調整，可以不依賴于 UPQC 串並聯部分的具體數學模型，但可以利用解耦模型對閉環控制系統的參數進行設計。仿真與實驗結果表明：無論哪種控制模式，按照本文提出的控制策略，都可以實現 UPQC 的控制目標，且對相同的控制方式，兩種控制模式的性能相近。UPQC直流電容電壓的控制，常采用PI控制器。PI控制器由于受到設計參數數量的限制，其控制性能可能難以達到比較理想的程度。由于分數階PIλDμ控制器在傳統PID控制器的基礎上增加了調節參數的個數，提高了控制器設計與控制規律優化的空間。鑒于此，本文將分數階PIλDμ控制器引入UPQC直流電容電壓的控制，設計的分數階PIλDμ控制器經仿真分析表明：分數階PIλDμ控制器與傳統PI控制器相比，有助于提高UPQC直流電容電壓的動態控制性能。本文研究工作得到了國家自然科學基金項目(項目編號：50467002)的資助。

1.1 課題研究的目的和意義

1.1.1 研究背景隨着我國電力工業持續快速發展，電力系統的規模不斷擴大，輸電線路傳輸功率與電壓等級在不斷提高，同時電力系統的元件成員也在不斷增加。其中，以電力電子技術爲基礎的各種裝置和設備不斷提出並逐漸應用于系統之中。電力電子裝置的應用可以節約能源，提高電能的利用率，增加系統調控的靈活性；但另一方面，由于電力電子設備使用了像晶閘管等具有非線性半導體開關器件，使得其具有不可避免的缺點：這些非線性設備和負載使得大量的諧波電流注入電網，其中的一些設備需要系統提高大量無功功率，並可能引起三相不平衡和零序電流等。同時，隨着現代科學技術的發展，許多敏感性負載，如各種複雜的、精密實驗儀器和生產過程的自動化控制設備等，對于電網電能質量的要求非常高。所以，在電力系統中，就存在着如下兩方面的矛盾。一方面，伴隨着系統異常情況的瞬時供電中斷、電壓跌落等動態電能質量問題，會給用戶造成巨大的經濟損失。其中，以電力電子、計算機爲代表的信息產業和高新技術產業中的很多電子設備，精密過程控制器、通訊設備等，對電能質量非常敏感，電能質量問題可能導致數據錯誤甚至丟失；控制達不到預計效果，影響现有產品質量，甚至可能出現設備的損壞和事故的發生。

另一方面，大量負荷也成爲電能質量下降的主要原因。非線性元件和非線性負荷越來越多的應用于電力系統的用戶端，其產生的無功及諧波電流大量向中、高壓配電系統滲透，長期得不到治理，增加了系