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统一电能质量控制器容量优化设计及控制

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为实现统一电能质量控制器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)容量在串并联单元之间的合理分配,提高UPQC补偿效率,给出了一种UPQC容量优化设计及控制方法.利用矢量图方法分析了UPQC稳态运行特性,建立了UPQC容量与电源电压暂降/骤升幅度、负载容量、负载功率因数和负载电压变化相角之间的关系模型,将其作为UPQC串并联单元容量选择的依据.根据补偿后负载电压相角可控的特点,采用神经网络对负载电压相角进行优化估计,降低UPQC实时补偿功率.仿真结果证明,所提方法能有效减小UPQC设计容量,优化动态补偿效果.

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第44卷第22期

V01．44 No．22

Nov．16．2016

电力系统保护与控羽

Protection and Control

System

DOI：l0．7667／PSPC

5208

统一电能质量控制器容量优化设计及控制

张新闻1，同向前2

(1．北方民族大学，宁夏银川750021；2．西安理工大学，陕西西安710048)

摘要：为实现统一电能质量控制器(UnifiedPowerQualityConditioner，UPQC)容量在串并联单元之间的合理分配，

提高UPQC补偿效率，给出了一种OPQC容量优化设计及控制方法。利用矢量图方法分析了UPQC稳态运行特性，

建立了OPQC容量与电源电压暂降／骤升幅度、负载容量、负载功率因数和负载电压变化相角之间的关系模型，将

其作为OPQC串并联单元容量选择的依据。根据补偿后负载电压相角可控的特点，采用神经网络对负载电压相角

进行优化估计，降低UPQC实时补偿功率。仿真结果证明，所提方法能有效减小UPQC设计容量，优化动态补偿

效果。

关键词：统一电能质量控制器；电压暂降／骤升；矢量图分析；神经网络；容量优化

conditioner

^unifiedpowerquality

andcontrol

Capacity optimization design

ZHANG

Xinwenl，TONG

Xiangqian2

(1．Beifang University ofNationality,Y'mchuan 750021，China；2．Xi’anUniversity ofTechnology，Xi’an 710048，China)

units of

unified

Abstract：Inorder to realize the rationaldistribution for the reactive

conditioner

between the series and

power

parallel

power quality

and control is

a(UPQC)and improve ^itscompensation ^efficiency,a^{new method that is}capacity optimization

characteristics

are

vector

the

promoted．The steady

^ofUPQC

analyzed by using

factor

diagram，and

relationship

model

and variation of load

among capacity,voltage sag／swell amplitude，load capacity,load power

angel

voltage

online

compensation，the

after

which is controlled

to the load

angle

established．According

voltage phase

phase

^{estimation method based on neural network is}proposed，which ^{Can reduce the real—time}compensation power．At

last,the

circuit simulation result shows that the

the

method Can

reduce the

and

improve

effectively

vaQc design capacity

proposed

efficiency ofUPQC dynamic compensation．

This work is

the Scientific Research Fund ofState EthnicAffairs

Commission(No．14BFZ010)．

suppoaed by

Key^{words：unified}powerquality conditioner；voltage sag／swell；vector analysis；neuralnetwork；capacity optimization

略也不尽相同[9-16J。根据其串联单元补偿电压相位大

引言

小，具体分为同相位控制，即有功控$1J(UPQC-p)19-11】，

现代配电系统中，广泛使用的电力变压器、交

串联补偿电压与电源电流同相位；垂直相位控制，

流电机等设备从电网吸收了大量无功功率，不断接

入电网的新能源发电装备使电压暂降、聚升等电能

质量问题发生更为频繁u’3J，OPQC作为一种综合性

31，串联补偿电压与电源电

即无功控制(UPQC．Q)¨ 2。1

5|，串联补

流正交；最小容量控$1J(UPQC—VA。i。)¨ 4。1

偿电压与电源电流有一定的相位差。以上方法中，

J，由于具有全面的电能质量

的电能质量控制装置14‘7

UPQC．P补偿电压幅值最小且补偿前后负载电压大

小和相位不变，但其串联单元向电网注入功率为与

电压暂变程度成JElL的有功功率【l6|，并联单元补偿

负载全部无功功率并保持直流环节电压稳定，无疑

增大了并联单元容量；ta'QC—Q补偿无有功需求，

但其补偿电压幅值与补偿前后负载电压相位变化最

大，这不仅会对相位变化敏感的负载产生影响，还

调节能力，被认为是最有发展前景的一种配电柔性

交流输电系统元件瞵j。

UPQC解决电压暂降、聚升这类问题时控制策

基金项目：国家民委科研基金项目(14BFZ010)；北方民族大

学科研项目(2014XBZ05)

万方数据

张新闻，等

统一电能质量控制器容量优化设计及控制

会出现无功过补偿的现象；UPQC．VA。i。方式介于

UPQC．P和UPQC—Q之间，但补偿电压最优相位计

算需要采用粒子群等迭代计算方法，耗时且有可能

“。。彳、B

无解[17】。此外，文献【18]提出最小有功功率控制方

法，其思想是uPQC串联补偿电压相位固定，没有

考虑负载无功功率的动态变化。本文通过矢量图分

“氰、。：必

、、心w∞

析法，对UPQC串并联单元设计容量进行了优化，

为实际应用中UPQC串并联单元容量选择提供理论

依据，提出的负载电压变化相位实时估计方法，有

效减小了UPQC动态补偿容量。

，

丘＼＼

、7

fa)电瓜

拓扑结构

UPQC电路拓扑结构比较丰富，文中采用的拓

扑结构如图l所示。UPQC串联单元和并联单元通过

直流电容器Ck结为一体。当电源电压us发生暂降／骤

升时，串联单元通过串联变压器吸收或释放一定功

率，维持负载电压uI．稳定，并联单元补偿负载无功，

维持电源侧单位功率因数运行。

纱‘

，L、、

■，

、、一

，D

(b1『n流

图2电压暂降参数矢量图

Vector

when _voltage

sag

Fig．2

diagram ^ofUPQC

图1统一电能质量控制器主回路拓扑结构

structure

Main

Fig．1

topology

^ofUPQC

矢量图分析

为简化问题分析，假设电源电压暂降／骤升前后

Os(6'。)～“

<?N

一

相位不变，工业负载一般呈阻感特性，设妒L为负载

功率因数角。当电源电压变为us。。，UPQC串联单

元工作，其补偿电压为Uc，并联单元补偿电流为iP，

负载电压与电流分别为UL。。与iL。。。以Us相位作参

考，图2与图3分别给出了电源电压暂降和骤升时

系统电气参数矢量图，图中虚实线段分别表示

、、N

■7

UPQC串联单元工作前后电压电流，J表示补偿后

负载电压相位变化大小，类似于同步发电机的功角。

经UPQC完全补偿后，可知

(1)

uL=uh=Us

u，L costpk=ULⅦ』L。costPL

为分析方便，定义电源电压暂降／骤升幅度系数

k，其表达式为

(2)

^T7一T

k=二L垫

f31

一

(b)f乜流

忽略UPQC损耗，电源向负载提供的有功功率

不变，即

图3电压聚升电压电流矢量图

Vector

diagram UPQC

when

swell

Fig．3

voltage

万方数据

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