使用upqc提高电能质量综述剖析.docx

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UPQCUPQC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APF2）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，例如，负荷突然改变，电压降落时，直流反馈控制器应该尽可能快的响应，最小延时和较低的超调量来恢复直流母线电压到设定参考值简单实施了基于直流母线电压控制器的PI调节，在[12]–[14], [16]–[20], [22], [23], [26]–[33], [36],[38], [40], [42], [46]–[48], [50], [54], [56], [60], [61], [64],[67], [68], [75]–[77], [81]–[84], [88]–[90], [92], [94], [95],[100], [103]–[105], [108], [109], [111]–[114], [116], [117],[119], [122], [124], [126]–[128], [130]–[135], [137]–[139],[143], [145]–[155], [157]–[164], [167], [168]中应用广泛。

为了克服基于PI控制方法的慢响应速度，研究者已经研究了一些可行的方法，例如，基于模糊控制的PI控制器【15】【16】，模糊PID控制器【101】，基于神经网络控制器【65】【136】，具有积分作用的线性二次型控制器【74】，最优化控制器【80】，PIλDμ控制器【91】，统一直流电压补偿器【97】等等三、UPQC分类这个部分给出了UPQC的分类图2为UPQC分类的插图UPQC按两类进行划分：1)基于物理结构，2）对电压降落补偿的方法前一类把电压降落补偿视为UPQC的重要功能A、物理结构UPQC可以基于物理结构进行划分，用来处理所研究系统的电能质量问题归因于这些分类的关键参数为：1）所使用的储能装置类型；2）相数；3）串并联变换器的位置本节讨论了最近研究的UPQC新拓扑及系统结构1）基于变换器拓扑的分类：在UPQC中，穿并联变换器共用一条直流母线并联变换器负责调节自身的直流母线为设定参考值UPQC可能发展为使用一个PWM电流源变换器（CSI）【9】-【11】，【115】，共用一个储能电感Ldc组成直流母线使用与IGBT串联的电压隔离二极管来实现这个拓扑，图3为一个基于CSI的UPQC系统结构的单线表示法。

在UPQC中，给定电感的直流电流，平均输入功率等于平均输出功率与功率损耗之和基于CSI的UPQC拓扑由于高损耗，高成本而不被使用，不能用在多电平结构中第二种拓扑为UPQC的最典型的变换器拓扑，由PWM VSI组成，共用一个直流储能电容Cdc图1为基于VSI的UPQC系统结构的单线表示法几乎所有的UPQC系统结构都采用基于VSI的拓扑【12】，【114】-【168】相对CSI来说，VSI提供的优点包括重量轻，不需要隔离二极管，成本低，多电平运行的能力及灵活的综合治理2）基于供电系统的分类：电力系统的交流负荷或设备可以分为单相和三相，由单相双线和三相三线或四线制电源供电为了缓解这些系统中的电能质量问题，可以用不同的UPQC结构，并基于供电系统的类型进行分类除了一个额外的三相系统中的电压不平衡补偿，与电压相关的电能质量问题和单相和三相系统相似对一个单项系统，负载无功电流和电流谐波是主要的因素在三相三线（3P3W）系统中，需要考虑除无功和谐波电流之外的电流不平衡此外，三相四线制系统需要一个额外的中性线电流补偿回路图4位普遍采用的UPQC系统结构，补偿单相双线制供电系统中的电能质量问题，供电系统由两个H桥变换器组成（总共有8个半导体开关管）【11,23,37,40,41,53,55,64,76,79,86,104,107,145,146,150,155,156,163】。

图4展示了基于VSI的单相双线制UPQC拓扑11】中，基于CSI的拓扑也可以由单相双线制UPQC实现Nasiri和Emadi介绍了两种额外的减小单相UPQC零件的外形【40】，叫做三桥臂单相UPQC（总共6个半导体开关管），如图5所示，图6为半桥单相UPQC（共4个开关管）这些拓扑可用于低成本和低功率情况下在三桥臂拓扑中，串联变换器由开关S1和S2组成，然而，开关管S3和S4位并联变换器第三桥臂（S5和S6）对串并联变换器都相同每个串并联变换器组成半桥拓扑的一个桥臂减少的开关器件可能影响UPQC的补偿效果基于UPQC系统的半桥拓扑可在[57], [83], [106], [150], [156]中找到Zhang et al.【93】考虑用一个双向两桥臂DC/DC隔。