使用UPQC提高电能质量综述

综述：利用UPQC提高电能质量

摘要：本文为一篇配电网中利用统一电能质量调节器（UPQC）提高电能质量的综述。介绍各种不同的宽泛的单相双线制和三相三线或四线制UPQC系统结构，及不同的补偿方法和领域的发展。基于UPQC独特的功能，应用或研究中的拓扑，很多学者已经对UPQC采用不同的命名。因此，形成了一个首字母清单，强调特定的UPQC的特定功能。本文列出12中首字母清单，分别为UPQC-D, UPQC-DG, UPQC-I, UPQC-L, UPQC-MC, UPQC-MD, UPQC-ML, UPQC-P, UPQCQ, UPQC-R, UPQC-S和UPQC-Vamin。

超过150篇文献严谨的研究了UPQC，并对这些首字母进行细分。

关键词：APF，谐波补偿，电能质量，无功补偿，统一电能质量调节器（UPQC），电压暂降和一致补偿

一、介绍

在可接受限值维持电能质量是一个挑战。【1-7】本文也讨论了低电能质量的不利影响。【1】【2】【5】【7】总之，低电能质量会增大功率损耗，会使设备运行不稳定，干扰旁边的通信线等等。电力电子的广泛使用已经用来承担电力系统中电压电流及无功电流增加所产生的谐波。APF已经广泛应用于电能质量的提高。【8】-【10】。APF已经有效的解决一些主要的电能质量问题。【8】-【10】介绍了APF 拓扑各方面的广泛研究。本文主要研究UPQC。UPQC使APF家族中的一员。本文为UPQC的综述。超过150篇文献【8】-【168】对其进行了分类。近五年，超过一半的UPQC的文献对使用UPQC提高配电网的电能质量有兴趣。这些文献把UPQC明显地分为两大类：1）UPQC具体结构【7】-【168】，2）对电压降落进行补偿的方法【143】-【168】。可以用一些有趣的拓扑来组成UPQC系统【1,9,23,39,40，78,88,108,147】。UPQC系统按以下分类：1）变换器类型（电压和电流源）；2）供电系统（单相双线制，三相三线和四线制）；3）最近研究的单相或三相新系统结构。此外，有一些字母缩略词，例如，UPQC-P, UPQC-Q, UPQC-L和UPQC-R，这些都被研究者典型的采纳。对于所考虑的研究方面，这些首字母缩略词在写一个宽泛的综述时非常有用。因此，本文主要制定一个针对不同的UPQC方面的首字母缩略词清单。照字母顺序排列，认为总共有12个首字母缩略词，UPQC-D, UPQCDG,UPQC-I, UPQC-L, UPQC-MC, UPQC-MD, UPQC-ML,UPQC-P, UPQC-Q, UPQC-R, UPQC-S, and UPQC-VAmin。除此之外，本文也讨论了最有效的用来控制UPQC的控制策略，方法和概念。

二、UPQC—当前发展状况

【8】-【10】有两种APF，叫做串联和并联APF。并联APF是最有潜力解决电流相关的问题，然而，串联APF最适合解决电压相关的问题。因为现代配电网系统要求提供更好的电压质量和电流消耗，APF的安装在实际安装启用中有很大的余地。然而，单独安装两个分离的装置来补偿电压电流相关的电能质量问题可能不是一个经济的解决方案。Moran【11】描述了一个系统结构，采用一个普通的DC 电抗器使串并联APF背靠背连接。这种拓扑是解决线电压调节器的问题。当背靠背变换系统结构真正被关注，Fujita和Akagi【14】在20Kva实验结果中证明这种拓扑的实际应用。，把它命名为UPQC，因此UPQC这个名字被大多数研究者使用[15], [18], [20]–[26], [28], [29], [31]–[67], [69]–[79],[81]–[145], [147]–[168]。背靠背变换器拓扑结构已经用在串并联变换器中【12】，统一APF【13】，普遍有源电力线性调节器【16】【27】，普遍电能质量调节系统【UPQS】[19],负载补偿

有源调节器【30】【57】，普通有源滤波器【146】等等。

结构上，UPQC和统一潮流控制器（UPFC）一样【5】。UPQC和UPFC都有两个电压源变换器（VSIs），连接一个能量存储元件。UPFC是服务于功率转换系统，而UPQC是服务于配电系统，同时执行串联和并联补偿。然而，UPFC只需要提供并联和串联补偿之间的平衡，因为电能转换系统通常运行在平衡且不失真的环境。另一方面，配电系统可能含有直流分量，畸变和电压电流的不平衡。因此，UPQC应运行在串联和并联补偿的环境下。

UPQC的主要目的是补偿电压电能质量问题，比如，电压降落，上升，不平衡，电压闪烁，谐波，以及负载电流电能质量问题，比如，谐波，不平衡，无功电流和中性线电流。图1展示了一个UPQC系统结构的单相表示。系统的关键部分如下：

1）两个变换器——一个连接负荷作为并联APF，另一个连接电源作为串联APF。2）并联耦合电感Lsh用来连接并联变换器与电网，并使电流波形平滑。有时用隔离变压器来对变换器和电网进行电气隔离。

3）普通的直流连接可由一个电容器或电感器组成。图1中，用一个电容实现直流连接，使两个变换器互相连接，也维持自己直流桥电压为一个常数。

4）LC滤波器作为无源低通滤波器，帮助去除高频开关纹波，并形成变换器输出电压。

5）串联绝缘变压器用来连接电网中的串联变换器。合适的匝数比经常被考虑用来降低串联变换器的额定电压和额定电流。

原则上，UPQC是一个串并联APF的综合，采用一个共同的自身的直流桥。UPQC 的并联变流器由电流控制，以至于UPQC产生一个电流，这个电流等于设定的基准电流值，受UPQC控制算法支配。此外，并联变流器在通过给定的直流桥电压实现UPQC系统要求的性能时起重要作用。为了消除由非线性负载产生的谐波，并联变流器应该加入一个由以下等式形成的电流：

（1）

其中分别表示并联变流器电流，参考电源电流和负荷电流。

同样，UPQC串联变换器为电压控制，它产生一个电压，实现一个正弦非失真，及在负荷终端获得所需电压。UPQC串联变换器的基本操作可以由下式表示：（2）

其中分别代表串联变流器注入电压，负荷参考电压和实际电压。在电压下降的情况下，vsr将表示负荷参考电压和减少的电源电压之差，例如，由串联变换器注入电压维持负荷终端电压为基准值。在所有涉及UPQC的文献中，并联变流器作为受控电流源运行，串联变流器作为受控电压源运行，而在【112】中，串并联变流器的运行方式互换了。

【12，18,22,52,74,97,104,106,143,151,156】讨论了UPQC系统模型。Abc三相系统转到同步dq0坐标系。系统代表状态空间公式化【12，22,52,74,106,151】。可以看出系统在状态和输出是非线性的【73】。【18】中，使用开关函数来实现UPQC数学模型。【97】和【154】展示了UPQC系统的小信号模型。Rong et al.【104】显示，UPQC系统可以被模仿为一个典型的开关线性系统。然而，为了实现这个模型，首先应转换这个模型为等效离散系统模型，然后通过状态重构和线性化等效为一个线性等效离散系统模型。此外，设计输出反馈周期变换控制器来稳定闭环系统。

[52], [74], [104],和[154]的作者具体讨论了UPQC系统的模型。

直流母线电压的控制在获得理想的UPQC性能中起重要作用。在系统动态情况下，