PAGEPAGE77摘 要隨著現代科技和工業技術的發展，電能質量成為電力系統、電力用戶、電力設備生產商等各個方面共同關心的問題。基于電力電子技術面向配電系統的FACTS技術（DFACTS）——用戶電力技術（CUSPOW）成為解決電能質量問題有效手段。本文主要內容是關于三相四線制電能質量控制器（UPQC）系統的串聯變流器的研究，進行了以下研究工作。首先，根據電能質量控制器系統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系統作為研究對象。其次，分別在靜止ABC及空間旋轉dq0坐標系下建立了電能質量控制器的串聯變流器的數學模型，指出三相四線制的串聯變流器在三相坐標系下的獨立性以及dq0坐標系下0軸獨立于dq軸的特性。討論了串聯變流器在理想電網電壓下的控制及非理想電網電壓下的控制問題。為抑制電網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獨立控制、基于SFR的dq0軸控制。介紹了一種基于MATLABSIMULINK仿真環境的電路模型仿真技術，并通過仿真驗證以上控制方案的有效性。最后，給出10kVA三相四線制UPQC串聯變流器實驗裝置的硬件電路設計和控制系統設計，分別對串聯變流器單獨運行和串聯變流器在UPQC系統中運行的各種工況下的運行進行了實驗研究。驗證了統一電能質量調節器的串聯變流器改善電網側電能質量有效性。關鍵詞：統一電能質量調節器(UPQC)串聯變流器ABC獨立控制dq0軸控制AbstractPAGEPAGE77Withthedevelopmentofmordenscienceandindusty,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-phaseABCindividualcontroldq0axiscontrolPAGEPAGE77目錄摘要………………….…...=1\*ROMANIABSTRACT……………..=3\*ROMANII1緒論1.1電力電子技術在電力系統中的應用…….11.2電能質量控制……………….…………………..…..31.3用于電能質量控制的用戶電力技術…………….….…31.4本課題研究的必要性和研究內容……82統一電能質量控制器（UPQC）的工作原理2.1UPQC系統主電路………………….……92.2UPQC系統的工作原理………………….102.3UPQC系統的等效電路模型……...…………..…….…..132.4UPQC系統的控制方案….……………….153串聯變流器的控制和仿真3.1串聯變流器的數學模型………………..173.2理想電網電壓下串聯變流器的控制…….……………223.3非理想電網電壓下串聯變流器的控制………………...283.4鎖相環…….…………..323.5串聯變流器控制仿真建模和仿真分析….………………334串聯變流器設計及其控制方案的實現4.1串聯變流器主電路的設計……………..454.2串聯變流器控制系統硬件電路的設計………………..504.3串聯變流器控制系統軟件的設計………………….….565實驗結果和全文總結5.1單獨工作的串聯變流器實驗結果分析…………….….615.2串聯變流器在UPQC系統中實驗驗證分析……….….64PAGEPAGE775.3全文總結……….….….725.4今后工作展望………………….….….73致謝………………………..74參考文獻…………………..75附錄1攻讀碩士學位期間公開發表論文……..………………78PAGEPAGE771緒論1.1電力電子技術在電力系統中的應用電力電子技術是使用電力半導體器件及電子技術對電能進行變換和控制的技術【1】。它以實現“高效率用電和高品質用電”為目標【2】，是一門綜合電力半導體器件、電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術等許多學科的交叉學科。由于電力電子技術不僅可以對電能使用形式進行靈活多樣的變換，還可以對電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參數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，同時又是其它高技術發展的技術基礎。電力系統是電力電子技術應用的一個重要領域。近年來電力開關器件和計算機技術的快速發展，使已有研究成果的技術和經濟可行性不斷得到改善。電力電子設備和系統逐步應用于電力系統的控制，大幅度提高了電力系統的穩定水平，產生巨大的經濟和社會效益。現代電力電子技術在電力系統中的應用貫穿發電、輸電、配電和用電全過程。1.1.1在發電環節中的應用電力系統的發電環節涉及發電機組的多種設備，電力電子技術的應用以改善這些設備的運行特性為主要目的。主要應用形式有：（1）大型發電機的靜止勵磁控制。（2）水力、風力發電機的變速恒頻勵磁。（3）發電廠風機水泵的變頻調速。（4）太陽能發電控制系統。1.1.2在輸電環節中的應用電力電子技術在輸電環節中最典型的應用是直流輸電（HVDC）技術和柔性交流輸電（FACTS）技術。（1）直流輸電（HVDC）技術PAGEPAGE77直流輸電具有輸電容量大、穩定性好、控制調節靈活等優點，對于遠距離輸電、海底電纜輸電及不同頻率系統的聯網，高壓直流輸電擁有獨特的優勢。目前，全球已建成的直流輸電工程超過60項。近年來，直流輸電技術又有新的發展，輕型直流輸電采用IGBT等可關斷電力電子器件組成換流器，應用脈寬調制技術進行無源逆變，解決了用直流輸電向無交流電源的負荷點送電的問題。同時大幅度簡化設備，降低造價。世界上第一個采用IGBT構成電壓源換流器的輕型直流輸電工業性試驗工程于1997年投入運行。（2）柔性交流輸電（FACTS）技術N.H.Hingorani于1986年提出的FACTS技術的概念，是一項基于電力電子技術與現代控制技術對交流輸電系統的阻抗、電壓及相位實施靈活快速調節的輸電技術，可實現對交流輸電功率潮流的靈活控制，大幅度提高電力系統的穩定水平。FACTS技術一方面是現代電力電子開關與電力系統傳統的阻抗控制元件、功角控制元件以及電壓控制元件（如串補電容、并聯電容、并聯電抗、移相器、電氣制動電阻等）相結合的產物，另一方面又將電子技術引入電力系統，形成了以變流器為核心的新型控制設備（如靜止同步補償器(STATCOM)）,從而使電力系統中影響潮流分布的三個參數：電壓、線路阻抗及功率角可以按系統要求迅速調整。1.1.3在配電和用電環節中的應用【3】在配電和用電環節中，配電環節解決的問題是如何加強供電可靠性和提高電能質量，用電環節在保證各種負荷的電力用戶自身用電安全可靠的條件下不產生對電網的干擾，這就是電能質量控制技術。電源技術集中體現了電力電子技術在用電環節中的應用，現在隨著電力開關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了巨大的方便。為了改善電力電子裝置對電網的干擾，功率因數校正技術得到廣泛應用，電源技術不斷向高頻化、模塊化、數字化及軟開關方向發展，電磁兼容性能也不斷提高。隨著配電系統中非線性、沖擊性和不平衡負荷的不斷增加,電能質量問題日益嚴重;另外,現代工業、商業和居民用戶的用電設備對電能質量更加敏感,對供電質量要求更高。因此，迫切要求提高電能質量，協調供電和用電的關系。PAGEPAGE77電能質量控制既要滿足對電壓、頻率、諧波和不對稱度的要求，還要抑制各種瞬態的波動和干擾。電力電子技術和現代控制技術在配電系統中的應用，即用戶電力（CustomPower）技術或稱DFACTS技術，是在FACTS各項成熟技術的基礎上發展起來的，是現在最有前景的電能質量控制新技術。1.2電能質量控制技術電能質量控制的研究具有巨大的經濟和社會效益，它對于減少用電設備的故障，從而保證生產和生活的正常進行；對于減小電網內部因電能質量問題造成的損耗，從而提高電能的使用效率；對于供電企業樹立強烈的競爭意識，從而有力地促進電力市場的孕育與形成；對于開辟和帶動電力電子產業的發展，從而推動整個電力產業的革新與進步都具有極其重要的意義【3】－【6】。有關電能質量的控制技術可以分成兩大應用技術及其領域，一是面向輸電系統的柔性交流輸電技術（FACTS），二是面向配電系統的用戶電力技術（CUSPOW）。兩者的技術基礎都是電力電子技術，各自的控制器在結構和作用上也基本相同，其差別是額定電氣值的不同，只是針對不同的需要分別應用于不同的領域【7】【8】。本文分析的電能質量控制技術是面向配電系統的用戶電力技術（CUSPOW）。它用于解決配電系統中出現的各種電能質量問題，如消除電壓的波動、跌落、上升、閃變、不對稱、電能的中斷、諧波及無功等，協調供電和用電之間的關系，使得電力用戶獲得滿意的供電品質，保證電力用戶的供電可靠性。1.3用于電能質量控制的用戶電力技術[1]【5】【6】【8】【9】隨著高科技產業的大力發展和工業化水平的不斷提高，導致能源需求不斷增加。一方面使電力系統的容量和范圍不斷的擴大，發電、輸電、配電系統的控制更加復雜；另一方面各種沖擊性、非線性、不平衡的負載和對電能質量敏感的電力用戶在不斷增加；要求提高電力生產的質量和供電的電能質量。在配電系統中用戶電力技術了可以為用戶提供高質量、可靠的電能同時協調電網和用戶之間的關系使電網不受負載的干擾。用戶電力技術主要包括串并聯補償PAGEPAGE77的電能質量控制技術、電力系統固態開關技術和超導儲能及其能量變換技術。本文主要分析幾種典型的串并聯補償的電能質量控制技術。1.3.1串聯補償型電能質量控制器（1）動態電壓恢復器（DVR）動態電壓恢復器DVR（DynamicVoltageRestorer）的電路結構如圖1.1所示，DVR僅在電網電壓發生突變、偏離額定正弦電壓波形瞬時值時，變換器才輸出一定數值和波形的非周期補償電壓，串聯加入電網后使負載端電壓近似為額定正弦波。在任意瞬間，當電網電壓較正常正弦波電壓瞬時值偏高時，補償電壓為負值使負載電壓降低為正常瞬時值，反之當電網電壓較正常正弦波電壓瞬時值偏低時，則補償電壓為正值使負載電壓增大到正常瞬時值。DVR的引用可以有效的消除電網中由于電壓瞬時跌落、閃變、振蕩等引起的事故，提高電網的供電質量。為了增強對重要負載補償電壓的支持能力，可將帶升壓回路的電池組并聯在電容器上，電池組的容量應保證對電壓突變的補償作用時間和補償功率，通常所需作用時間從幾十毫秒到幾秒鐘。（2）串聯型有源電力濾波器串聯有源電力濾波器（SeriesActiveFilter）PAGEPAGE77由可控的電壓源變流器組成，通過與電網串聯的變壓器而與電網串聯連接，其電路結構如圖1.2所示。一般而言，交流發電機的空載電壓是較好的正弦波，如果負載是線性的，負載端的電壓也將保持正弦，如果負載是非線性的，由于諧波電流的影響，將使得負載端電壓非正弦。為此，串聯有源電力濾波器通過串聯變壓器PT串聯注入一個與負載端的諧波電壓大小相等、方向相反的補償電壓，從而使得接在A1、B1、C1端的其他負載的電壓是正弦波，避免了諧波電壓的危害。由于A1、B1、C1端的電壓經補償后為正弦，而電網電壓也為正弦，因此電網輸入電流也就隨之正弦化。這意味著對于諧波電流，串聯有源電力濾波器在電網側具有無窮大的阻抗，因此沒有諧波電流經負載流入電網，或經電網流入負載。而對于基波成分，則等效為零阻抗。串聯有源電力濾波器由于通過串聯變壓器與電網相互作用，因此要求在電網輸電線路發生短路故障時具有可靠的保護。此外從控制策略角度看，電網電壓的補償是間接性的，而不是直接性的。1.3.2并聯補償型電能質量控制器（1）并聯型有源電力濾波器 典型的并聯型有源電力濾波器（ShuntActiveFilter）由一個可控的電壓源變流器組成。如圖1.3所示，變流器與負載并聯地接在電網上，直流端包含一個電容，輸出端為濾波電感。負載電流中除了正弦基波電流外，還含有豐富的諧波電流，PAGEPAGE77，這里、分別為基波有功、無功電流。使變流器輸出一個與負載諧波電流大小相等的補償電流()，于是電網電流圖1.4先進的靜止VAR發生器（ASVG），電力系統中發電機G、變壓器PT及線路均只流過負載基波電流。若還要求補償負載電流中的無功電流，則只要令補償器輸出的電流即可，如此可以實現電網功率因數為1。從負載側看，并聯有源電力濾波器相當一個變化的阻抗，對于諧波頻率來說其阻抗為零或相當的低，而對于基波頻率，其阻抗則無窮大。圖1.4先進的靜止VAR發生器（ASVG）雖然并聯有源電力濾波器可以實現對負載諧波電流和無功電流的完全補償，但也存在以下缺點：一方面由于負載直接連接到電網，因此依然存在電網的電能質量問題，如：電壓畸變、跌落或上升、瞬變和不平衡等。另一方面當同時補償負載無功和諧波電流時，系統PWM變流器的容量要求很大，相對LC無源濾波器而言造價高。（2）靜止同步補償器先進的靜止VAR發生器（ASVG）：屬于PWM開關型無功功率發生器，其電路結構基于三相全橋電路組成的電壓型逆變器，如圖1.4所示。對開關器件進行實時的PWM控制，使得逆變器輸出電壓與交流電網電壓同相，那么逆變器輸出的電流將與電網電壓相差，PAGEPAGE77也即逆變器只輸出無功功率。由于采用PWM控制，ASVG可以向電網提供實時連續的感性和容性無功功率，可使得電網功率因數為任意指令值，電流波形接近正弦，由于同時能調控電網電壓，它在提高電力系統暫態穩定性、阻尼系統振蕩等方面，其性能遠優于晶閘管為基礎的SVC，它是電網無功功率補償技術的發展方向。用它可以取代早期采用旋轉式同步發電機輸出無功功率的“旋轉式同步補償機”，因此稱為靜止同步補償器（STATCOM）。1.3.3統一電能質量調節器UPQC【5】【6】統一電能質量調節器UPQC（UnifiedPowerQualityConditioner）結合了串聯和并聯兩個有源電力濾波器，不同的是兩個變流器直流公共端并接有蓄電池，其電路結構如圖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，也可以工作在逆變狀態。變流器I經串聯變壓器PT1輸出補償電壓，向電網注入交流功率，同時變流器I也可以輸出諧波補償電壓。當變流器II工作在整流狀態對蓄電池進行充電時，也可以同時向電網輸出滯后的或超前的無功功率，還可以輸出諧波補償電流。當電網掉電時，蓄電池對變流器II供電，變流器II工作在逆變狀態，向負載提供工作電壓，確保負載的不間斷供電（UPS），保證了重要用戶的供電可靠性。PAGEPAGE77UPQC有兩類應用場合，一類是應用于配電系統和工業電力系統之間的通用補償器，要求的容量較大。另一類是相對容量較小，特別應用于對電力系統電能質量要求高的電力用戶。不管那種場合，UPQC可以有效的滿足電力用戶的電能質量要求，即可消除電網諧波電壓、基波偏差、不平衡，保持負載端電壓的額定和正弦，還可以消除負載產生的無功、諧波電流，使得電網輸入電流為正弦，功率因數為1，實現負載和電網之間完全的擾動隔離。因此統一電能質量調節器是面向配電網（電力用戶）的最優的電能質量調節器。1.4本課題研究的必要性和主要研究內容1.4由于采用單一的串聯或并聯的電能質量控制器，雖然可以改善電力系統的某些運行特性和供電質量，但其電路結構要么和電網并聯，要么和電網串聯，其功能相應的較為單一，且不能全面滿足當今電力用戶對電能質量的全面高要求。為實現電力用戶電能質量的完全改善和最優化，選擇統一電能質量調節器（UPQC）是一種理想的解決方案。本文選擇統一電能質量調節器的串聯變流器作為研究對象，是因為UPQC的電路基礎是串并聯的雙四象限PWM變流器，適用于多種新型電能質量補償器、控制器、調節器，另外有源電力濾波器APF的理論研究特別是并聯型APF的理論研究較深入，但是串聯型APF則研究得不深入，投入實際應用的也很少，所以串聯變流器是本文的重點。1.4.2本文除了緒論以外主要包括以下內容：首先分析了統一電能質量調節器的工作原理、系統的等效電路、系統的控制方案。然后本文建立了電能質量控制器的串聯變流器的數學模型，討論了串聯變流器在理想電網電壓和非理想電網電壓下的控制方案，詳細分析了串聯變流器的仿真模型的建立，并對串聯變流器各種控制方案進行了仿真分析。最后對10KVA三相四線UPQC實驗裝置的串聯變流器主電路的設計進行了論述，對以TI公司DSP芯片TMS320LF2407ADSP為核心控制系統電路作了仔細的分析，并對控制系統軟件設計進行分析。通過對實驗結果的分析證明電能質量控制器串聯變流器可以有效的改善電網側電能質量。PAGEPAGE772統一電能質量調節器UPQC的工作原理統一電能質量調節器UPQC是具有綜合電能質量調節能力的電力電子裝置，電路結構比單一電能質量調節器復雜，為了對其實現有效控制并達到預期目標，首先要對其工作原理進行分析和研究。因此本章首先對三相四線制下的UPQC功率電路進行了描述，說明了UPQC的功能，闡述了UPQC的工作原理和控制方案，然后分析了UPQC系統的系統的等效電路，最后討論了不同主電路拓撲結構對系統的影響，通過上述的分析，可以對UPQC系統有一個清晰的認識。2.1UPQC系統主電路【10】－【13】圖1.5給出了UPQC簡單的示意圖，為建立對UPQC系統的感性認識，本節詳細地描述了三相四線制UPQC系統的功率電路。如圖2.1所示，UPQC系統由以下各部分組成：（1）交流電網：三相四線制，額定電壓220V，頻率50Hz，電壓波動范圍PAGEPAGE77，可能包含諧波電壓，也可能三相不對稱。（2）串聯變壓器Ts：該變壓器可以是三相耦合的三相變壓器，也可以是三個獨立的單相變壓器，它串接在交流電網和負載之間，故稱為串聯變壓器。圖2-1所示串聯變壓器Ts為三相耦合變壓器，采用星型接法。（3）串聯變流器VSC1：該變流器經輸入電感L1、串聯變壓器Ts串聯接入電網，稱為串聯變流器，由三相全控半橋電路組成，采用高頻PWM控制技術，具有雙向四象限工作特性。（4）并聯變流器VSC2：該變流器經輸出濾波電感L2、濾波電容C2后并接在負載端，稱為并聯變流器，同樣由三相全控半橋電路組成，采用高頻PWM控制技術，具有雙向四象限工作特性。（5）直流母線電容和：串聯連接，，并接在串聯變流器VSC1和并聯變流器VSC2的公共直流端。（6）直流母線電池組和：串聯連接，，并接在變流器的公共直流端，作為交流電網掉電時的備用電源，保證負載的不間斷供電需求。（7）輸入靜態開關S1和旁路靜態開關S2：由兩個反并聯的晶閘管組成。（8）負載：對于UPQC系統，可以適合各種負載特性，諸如線性、非線性、不平衡等。需要注意系統的中性點N連接到電網輸入中線、串聯變壓器中線、電池組中點、直流母線電容中點及并聯變流器濾波電容的中點。2.2UPQC系統工作原理【14】－【16】2.2.1系統功能圖2.1所示的統一電能質量調節器，安裝在交流電網PAGEPAGE77和電力用戶之間，可以獲得如下的補償效果：對于交流電網側，使得在負載不平衡、非線性的情況下，交流電網輸入電流平衡、正弦且與交流電網電壓同相，電網輸入功率因數為1，電網僅向負載輸送有功功率。對于負載側，使得在電網電壓畸變、不對稱、非額定的情況下，負載端電壓始終保持對稱、額定正弦且與電網基波電壓同相。當需要時，可以通過串聯變流器或并聯變流器對直流母線端的電池組進行充電控制。當發生交流電網掉電時，直流母線端的電池組放電，經并聯變流器向負載不間斷的供電，具有UPS的功能。當電網恢復供電后，系統重新切回到電網供電狀態。通過對UPQC兩個變流器進行實時、適式的控制，可以實現上述綜合的電能質量調節，滿足電力用戶對于電網電能質量越來越高的要求。2.2.2系統工作原理分析圖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電池組和單個電容，此外電路中忽略了線路阻抗，串聯變壓器Ts視為一個理想的變壓器。交流電網輸入電壓包含諧波分量，其基波分量記為，。負載電流具有非線性特性，由基波有功電流、基波無功電流和諧波電流三部分組成，。圖2.2UPQC單相電路原理圖對兩個變流器進行實時、適式的控制，可以實現前述各項電能質量調節功能。采用直接控制策略，串聯變流器和并聯變流器分別進行獨立的控制，從而使得整個UPQC系統是一個單輸入單輸出（SISO）的系統，這樣的控制策略可PAGEPAGE77避免多輸入多輸出（MIMO）系統在控制上的復雜性，利于各個變流器選擇最優的控制策略來實現最優的控制效果。本文中串聯變流器受控為基波正弦電流源，其輸出電流為正弦波，經串聯變壓器Ts的線性放大作用，因此電網輸入電流受控為正弦。若控制使得與電網輸入電壓同相，則電網輸入功率因數為1，使電網僅向負載輸出有功功率,而無功功率，顯然此時串聯變流器只是處理有功功率，而無功功率。控制并聯變流器為額定正弦電壓源，可使它輸出至負載的電壓為正弦波額定電壓且與電網輸入電壓基波同相，從而保證了在電網輸入電壓有諧波、非額定、不對稱情況下負載端對電壓的要求。由于電網輸入電流在串聯變流器的控制下為正弦波，因此迫使并聯變流器向負載輸出電流，其中補償負載無功電流、補償負載諧波電流，而負載的有功電流則由交流電網（）和并聯變流器（）共同提供，，也即并聯變流器輸出用于補償負載無功功率的無功功率外，還輸出部分有功功率。而由于并聯變流器受控為額定基波正弦電壓源，負載電壓總是維持額定正弦波不變，因此迫使串聯變流器經串聯變壓器輸出的電壓由兩部分組成，，其中為諧波補償電壓，它與交流電源中的諧波電壓大小相等，，但方向相反；為基波電壓補償量，用于補償電源電壓的基波與負載電壓額定值的偏差，所以串聯變流器提供的補償電壓既抵消了電源電壓中的諧波，又補償基波電壓，使負載電壓成為與電網基波電壓同相的正弦波額定電壓。正是由于串聯變流器和并聯變流器的共同作用，使得在負載非線性、電網輸入電壓高于或低于額定值且含有諧波電壓時，負載電壓補償到與電網輸入電壓同相的額定正弦電壓，同時交流電網僅輸入基波有功電流，電網輸入功率因數為1。PAGEPAGE77正常時交流電網與UPQC共同對負載供電，稱為Standby工作模式，此時輸入靜態開關S1導通，其兩個并聯晶閘管的導通信號是按輸入電壓的正負半周分別加上的。一旦交流電網停電，并聯變流器從電池組獲取電能，無間隙的繼續不間斷對負載供電，稱為Backup工作模式，此時由于電網輸入電壓與輸入電流同相，無相位差，輸入靜態開關S1可立即關斷，防止并聯變流器的輸出電流向電網倒灌。當電網恢復正常后，系統可以重新切回到Standby工作模式。當發生輸出過載或者變流器故障時，控制信號觸發旁路靜態開關S2導通，系統轉入旁路工作模式。2.3等效電路模型本節討論UPQC系統的等效電路模型，通過定義系統在基波和諧波下的等效電路，使得對系統的靜態工作特性分析簡單化。該等效電路模型的獲得基于以下必要的假設：（1）并聯變流器采用高頻PWM控制技術，于負載端提供平衡的、額定的正弦波電壓，總諧波畸變率THD值低，并且與電網輸入電壓同相。（2）串聯變流器采用高頻PWM控制技術，使得電網輸入電流為平衡的正弦波電流，總諧波畸變率THD值低，并且電網輸入功率因數為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PAGEPAGE77（4）串聯變壓器變比為1，使得串聯變流器輸入電流也就代表了電網的輸入電流，串聯變壓器原邊電壓也即串聯變流器輸入電壓。基于上述假設，串聯變流器和并聯變流器可以分別用靜止的電流源和電壓源來表示，如圖2.3給出了基波及諧波下UPQC的單相等效電路，圖中串聯變流器和并聯變流器分別用基波和諧波下獨立的電流源和電壓源來代替。圖2.3(a)，電網輸入電壓作為參考向量，記為；由于并聯變流器受控為基波正弦電壓源，輸出與電網輸入電壓同相的負載電壓，因此負載電壓記為；而串聯變流器受控為基波正弦電流源，因此僅從電網吸收基波有功電流且和電網輸入電壓同相，記為；負載電流滯后負載電壓一個角度，記為；負載吸收的有功功率記為，無功功率記為；并聯變流器輸出電流記為；串聯變流器輸出電壓記為；考慮串聯變壓器漏抗，其壓降記為。顯然交流電網只提供有功功率，用于負載有功消耗和系統損耗，而無功功率，負載的無功功率需求完全由并聯變流器提供。圖2.3(b)給出了UPQC諧波下的等效電路，由于串聯變流器作為一個基波正弦電流源運行，電網輸入電流中的諧波成分，因此串聯變流器對諧波電流而言具有無窮大阻抗。電網輸入諧波電壓，由于并聯變流器作為基波正弦電壓源運行，負載電壓中的諧波成分，且，因此電網輸入諧波電壓，即串聯變流器對于電網諧波電壓而言具有零阻抗，串聯變流器完全吸收了電網輸入電壓的諧波。而負載諧波電流，由于，顯然，即并聯變流器對于負載諧波電流而言具有零阻抗，并聯變流器完全抑制了負載的諧波電流。由于理想的控制使得電網輸入電流及負載電壓中無諧波成分，因此系統不從電網吸收諧波功率，也無負載諧波功率消耗。PAGEPAGE77實際的控制效果并不可能完全消除諧波的影響，但相對基波成分而言，由諧波成分引起的諧波功率分量可以忽略不計，因此諧波頻率下UPQC的工作特性研究是很簡單的，它主要用來分析變流器的視在功率和kVA容量。基于此考慮，本文所指UPQC系統靜態工作特性的分析主要基于基波下的等效電路。2.4統一電能質量調節器的控制方案對于統一電能質量調節器UPQC，每個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，統一電能質量調節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，是指串聯變流器作為非正弦電壓源運行，并聯變流器作為非正弦電流源運行。如圖2.4所示，檢測電網電壓的畸變和基波偏差，作為電壓指令，對串聯變流器進行控制，使得串聯變流器通過串聯變壓器輸出一個與電網電壓畸變和基波偏差相抵消的補償電壓，從而保證負載電壓是一個額定的正弦電壓。檢PAGEPAGE77測負載的無功和諧波電流，作為電流指令，對并聯變流器進行控制，使得并聯變流器輸出與負載無功和諧波電流大小相等的無功和諧波，從而實現對負載無功和諧波電流的補償，使得電網輸入電流為正弦波電流，功率因素為1。采用間接控制策略，需要檢測電網電壓及負載電流的擾動畸變等信息，由于是通過消除擾動來獲得補償效果，因此從電網端看，對于負載電壓的調節和輸入功率因數的校正是間接的。此外，當交流電網掉電或恢復供電時，并聯變流器需要從間接控制策略轉為直接控制策略（或反之），存在工作模式的一個切換，這對于控制來說是不利的。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變流器受控為正弦電流源，而并聯變流器受控為正弦電壓源。并聯變流器作為正弦電壓源運行，將輸出平衡、額定幅值的正弦電壓于負載端，由于電壓源對于諧波來說具有很小的阻抗，因此負載的諧波和電網的諧波電流都流入并聯變流器支路。對于負載無功和不平衡，串聯變流器作為正弦電流源運行，使得電網輸入電流為正弦且功率因素為1，由于電流源對于諧波電壓具有很大的阻抗，因此電網的諧波電壓被阻斷而不影響負載端電壓。總之在直接控制方案下，串聯變流器隔離了電網與負載端的電壓擾動，而并聯變流器隔離了負載無功功率、負載諧波電流和不平衡進入電網。采用直接控制策略，還有一個好處就是在電網掉電或恢復供電時，不存在工作模式的切換，因為并聯變流器始終受控為正弦電壓源。PAGEPAGE773電能質量控制器的串聯變流器的控制和仿真在三相四線UPQC系統中串聯變流器作為基波正弦電流源運行，因此串聯變流器實際上是三相四線制的PWM整流器，通過控制串聯變流器三相輸入電感電流為平衡的正弦電流，從而實現電網輸入電流也為平衡的正弦電流，且與電網輸入交流電壓同相，也即實現電網輸入功率因數為1。因此串聯變流器的控制關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要補償電網輸入電壓的基波偏差、諧波及不對稱，因此串聯變流器的輸入電壓也存在諧波及不對稱，因此在這種條件下，實現串聯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變流器的不同坐標系下的數學模型。基于數學模型分別給出了在理想和非理想電網電壓下串聯變流器的控制策略及控制器的設計。詳細分析串聯變換器matlab仿真模型的建立的方法。通過仿真比較了不同控制策略特點。3.1串聯變流器的數學模型【26】－【35】圖3.1串聯變流器功率電路為實現對串聯變流器的預期控制，首先要建立串聯變流器的數學模型。根據UPQC的功率電路如圖2.1，如圖3.圖3.1串聯變流器功率電路PAGEPAGE77串聯變流器的功率電路，圖中為串聯變壓器變比。為建立串聯變流器的模型，假設：三相全橋電路中各開關器件為理想的開關器件;三相輸入電感是對稱的，也即其值及電感電阻大小相等;串聯變壓器視為理想的變壓器，忽略漏感，因此交流電網與負載電壓間的電壓差可以線性的折算到串聯變壓器的付方，也即作為串聯變流器的輸入。而且電網的輸入電流和變流器的輸入電流也是一種線性的關系；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坐標系模型定義串聯變流器開關函數如下： 顯然有：（3-1）由圖3.1，串聯變流器橋端輸出電壓用開關函數可以表示為：（3-2）（3-3）（3-4）由于忽略了電網線路電感及串聯變壓器漏感，因此串聯變壓器變流器側（付方）電壓為：（3-5）（3-6）PAGEPAGE77（3-7）由KVL定律，對串聯變流器輸入交流側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，串聯變流器直流側方程為： （3-11） （3-12）式中，、分別為兩電池組及的等效內阻。若令，并且考慮電容兩端電壓均分，電池組對稱，即，，，則綜合式（3-1）～（3-12）可以得到串聯變流器在靜止ABC坐標下的數學模型： （3-13） （3-14）PAGEPAGE77 （3-15） （3-16） 由式（3-13）～（3-15）可見，對于本文所示的三相四線制串聯變流器電路，相當于三個獨立的半橋電路的組合，這樣的電路結構可以實現對三相輸入電流的獨立控制，也利于消除三相電流的不平衡。(2)基于空間旋轉dqo坐標系模型上述模型中，假設三相電網電壓對稱，三相負載電壓在并聯變流器的控制作用下對稱且與電網電壓同相，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）即串聯變流器的輸入電壓是對稱的三相正弦電壓。根據變換的定義，并遵循變換前后功率不變的原則，可以得到從ABC坐標系變換到dqo坐標系的變換矩陣如下： （3-23）PAGEPAGE77其反變換矩陣為： （3-24）圖3.2dqo坐標系與ABC坐標系圖3.2表明了兩相空間旋轉dqo坐標系與三相ABC坐標系之間的關系，其中，為軸與軸之間的夾角。軸定義于電網電壓矢量方向，軸定義于其垂直方向，且超前于軸。在以后的論述中，如果沒有特殊標注與說明，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，根據式（3-13）～（3-16）可得到同步旋轉坐標系下系統模型為：圖3.2dqo坐標系與ABC坐標系 （3-25） （3-26）PAGEPAGE77 （3-27） （3-28） 寫成矩陣表達式如下：（3-29）其中式（3-29）考慮了o軸分量、、，在電網電壓對稱，輸入電流平衡的情況下，有，，若控制，則式（3-29）可以簡化為：（3-30）3.2理想電網電壓下串聯變流器的控制理想電網電壓是指三相輸入電壓平衡且正弦，電網電壓是一定的,所以控制輸入電流的快速有效控制就控制了能量流動的速度和大小.這時串聯變流器實際可以忽略0PAGEPAGE77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,可以獲得理想的變流器輸入電流控制效果。3.2.1串聯變流器的d,q軸電流解耦控制【32】【36】－【38】由式（3-30）表示的串聯變流器數學模型得串聯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坐標系下的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、。可見串聯變流器橋端輸入d、q軸電流除受控制量、的影響外，還受耦合電壓、和串聯變流器輸入電壓、的擾動影響。現假設變流器輸出的控制電壓矢量中包含三個分量：（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電流子系統中，dq軸電流是獨立控制的，而且控制對象也很簡單，相當于對一個一階對象的控制。之所以能形成這種PAGEPAGE77簡潔形式其主要原因是引入了電流狀態反饋解耦（、），而引入了電網擾動電壓（、）作前饋補償也使系統的動態性能有進一步提高。圖3.3理想電網電壓下串聯變流器控制系統框圖圖3.3給出了解耦后的串聯變流器輸入電流控制系統。檢測三相A、B、C系統的負載電流、負載電壓和電網輸入電壓，經坐標變換和低通濾波LPF后得到與基波對應的直流分量，利用UPQC系統功率平衡原理求出，若考慮系統中的功率損耗，則需在中附加一增量，其由外環直流母線電壓調節器產生。由于不希望電網電流中包含無功分量，因此q軸電流控制指令。電流調節器、的輸出結合解耦電壓反饋和輸入電壓前饋合成控制量、，由此控制量對串聯變流器實行實時的SVPWM或SPWM控制，使變流器輸入電流跟蹤，則可實現串聯變流器作為基波正弦電流源運行的功能，從而也就實現了對電網輸入電流的控制。控制系統中引入解耦電壓反饋和輸入電壓前饋，可以消除它們對系統的擾動影響。圖3.3理想電網電壓下串聯變流器控制系統框圖3.2.2串聯變流器電流指令的計算如圖3.3所示，電流計算模塊產生的電流指令PAGEPAGE77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為1。忽略系統功耗，且電池組不充電也不放電，變流器輸入的有功功率應等于直流側負載吸收的有功功率：（3－37）式中為直流側負載電流。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串聯變流器的電流和電壓控制器的設計圖3.4系統解耦后傳遞函數框圖一般希望電流控制具有較好的動靜態特性，且又希望控制器的設計相對簡單成熟，因此電流調節器、采用PI調節器實現。一般在設計電流調節器參數時，認為直流電壓的變化對交流電流無影響，或者說相對于電流變化而言直流電壓變化比較慢，可以認為在電流的動態變化過程中直流電壓基本不變。通過設定電壓環調節器的時間常數為電流環的3～5倍以上，并且圖3.4系統解耦后傳遞函數框圖PAGEPAGE77直流端并接電池組，可以保證直流電壓近似恒定。基于以上認定，三相串聯變流器系統經交叉解耦后可d軸和q軸成為兩個獨立的單閉環系統，因此d、q軸可以分別獨立設計控制器。圖3.4給出了d軸系統傳遞函數框圖。圖中考慮了采樣環節sys1及保持環節sys3，sys2為PI調節器，系統對象為sys4，有，。采樣環節與保持環節的時間常數（對應開關周期）都很小，可視為小慣性環節,可以把它們合并等效成一個慣性環節。系統的設計方法是將調節器中的零點與對象中的主導極點對消，將系統轉化成典型Ⅰ形系統，然后根據要求選取阻尼比，從而確定調節器參數。（1）電流環參數選擇如下： （3-41）對象中的主導極點與PI調節器的零點對消后，并將系統降階，系統閉環特征方程為： （3-42）一般取阻尼比，可以求出： （3-43）在實際的實驗中，，，，可以得到調節器參數為，。由圖3.4，可以得到系統閉環傳遞函數及輸出動態穩定度傳遞函數： （3-44）（3-45）PAGEPAGE77式（3-44）、（3-45）的頻率響應分別如圖3.5、圖3.6所示，由圖3.5可見，在系統基波頻率處（），系統的幅值增益為0dB，而相角為，系統帶寬約為3550（565Hz），這說明在PI調節器作用下，系統電流控制穩定，不存在幅值誤差。而圖3.6可見，基波頻率處的動態穩定度為47.9dB，相當于串聯變流器基波等效輸入阻抗為228.5，是變流器交流側電抗的121倍，說明串聯變流器被控制為一個電流源在運行。圖3.5閉環頻率響應特性圖3.6動態穩定度頻率響應特性 （2）對于電壓調節器的設計，由于考慮有電池組的接入，并且其作用僅僅是提供系統功耗所需要的附加電流指令，因此電壓調節器對于直流電壓控制的穩態精度、響應時間的要求不是太高，而且串聯變流器的控制關鍵是內環電流調節器的快速調節，因此往往要求電流調節器的響應時間比電壓調節器的響應時間快3～5倍。在實際實驗系統中，電流環的截止頻率為圖3.5閉環頻率響應特性圖3.6動態穩定度頻率響應特性在設計調節器中本文雖然給出了電流調節器與電壓調節器的設計方法，但它們不是唯一的。如我國學者陳伯時曾經提出與“三階最優整定法”類似的“振蕩指標法”PAGEPAGE77，而且在性能上略優于“三階最優整定法”。需要指出的是調節器參數的設定是一個多次反復調試的過程，任何一種方法都只能起指導作用。所以，在實際調節器的參數設定中，往往是根據一種算法先估算出調節器的參數大小，然后經過仿真與實驗，反復地調節參數，使性能良好。3.3非理想電網電壓下串聯變流器的控制在第二章分析了UPQC的兩個變流器要么作為電流源控制，要么作為電壓源控制。當串聯變換器作非正弦電壓源運行,并聯變流器作為非正弦電流源運行時,UPQC采用間接控制.當串聯變換器作正旋電流源運行,并聯變流器作為正弦電壓源運行時,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電壓下的dq軸控制策略，將使串聯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象，因此必須采取措施來抑制它們的影響，本節基于這樣的思路,分析串聯變流器的間接和直接控制方案.3.3.1非理想電網電壓對串聯變流器的影響上節所討論的串聯變流器電流控制是基于電網輸入電壓是理想的三相正弦對稱電壓而言的，因此采用dq坐標下的控制策略可以獲得較為理想的控制效果。而實際電網電壓往往不是理想的,對電網電能質量的調查表明，通常電網電壓或多或少存在相位與幅值不平衡，此外，大量非線性負載的存在也使得電網電壓不是完全的純正弦，或多或少的存在波形的畸變，使得電網電壓諧波嚴重.非理想電網電壓是相對理想電網電壓而言的，對于三相電網系統，理想的電網電壓是三相對稱的、無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稱，都會危害電力用戶以及電網的安全、經濟運行。這里討論的非理想電網電壓，主要指電網電壓的波形畸變及三相不對稱。波形畸變的根本原因是所加的電壓與產生的電流不成線性關系造成的，這種非線性關系，使得注入電網的電流為非正弦的諧波電流，在系統的阻抗上產生相應的諧波壓降，形成了系統內部PAGEPAGE77的諧波電壓，使得原有的正弦電壓波形產生了畸變。如果串聯變流器輸入電壓的不對稱，其影響就是在直流輸出電壓中產生諸如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重，反過來，直流輸出電壓紋波影響到串聯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。如果電網電壓含有大量k次諧波,就會使串聯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串聯變流器的間接控制【39】圖3.7串聯變流器間接控制系統框圖 串聯變流器的間接控制方案，是指串聯變流器作為非正弦電壓源運行,檢測電網電壓的畸變和基波偏差，作為電壓指令，對串聯變流器進行控制，使得串聯變流器通過串聯變壓器輸出一個與電網電壓畸變和基波偏差相抵消的補償電壓，從而保證負載電壓是一個額定的正弦電壓。采用間接控制策略，需要檢測電網電壓及負載電流的擾動畸變等信息，由于是通過消除擾動來獲得補償效果，因此從電網端看，對于負載電壓的調節和輸入功率因數的校正是間接的.圖3.7串聯變流器間接控制系統框圖PAGEPAGE777中通過ABC/dq0變換及低通濾波抽取電網電壓的諧波分量,其加上輸出電壓的電壓PI調節器的輸出作為串聯變流器的控制指令信號.從而實現串聯變流器的非正弦電壓源的控制.但是由于間接控制電流控制是基于穩態的觀點,是一種開環控制,電流響應完全由自然響應特性決定,所以間接控制在理論上是可行的,但是實際應用中都是采用下面所分析的直接控制策略.3.3.3串聯變流器的直接控制為了使UPQC系統具有快速的動態響應和抗擾動能力,必須實時檢測電網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,電壓外環和電流內環串級控制結構由于控制結構簡單,特性優良而應用最為普遍.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】 電網輸入電壓的不平衡，直接導致了三相電網輸入電流的不平衡，對于三相四線結構的串聯變流器而言，零序電流比負序電流要突出，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現三相輸入電流的平衡。 由串聯變流器的數學模型表達式（3-29）可得： （3-46） 令o軸控制量為，忽略電感電阻，則有：圖3.8串聯變流器dq+o軸控制系統框圖 圖3.8串聯變流器dq+o軸控制系統框圖PAGEPAGE77 若電流控制器采用PI控制，則o軸電壓控制指令為： （3-48） 由此可以構成圖3.8所示的基于SRF的dq+o軸控制系統框圖，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獨立控制【42】－【47】 由前述串聯變流器數學模型可知，三相四線結構的串聯變流器相當三個獨立的半橋電路的組合，因此可以采用三相ABC分別進行獨立控制。圖3-9基于SRF的三相ABC獨立控制系統框圖根據串聯變流器三相ABC坐標系下的數學模型，圖3.9給出了基于SRF的三相ABC獨立控制系統框圖。圖中電流指令的計算與式（3－39）類似，都是基于直流側負載僅從電網吸收有功功率。由于電網電壓非理想，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，需要重新計算輸入電壓的大小，因此電流指令前饋的表達式如下所示：圖3-9基于SRF的三相ABC獨立控制系統框圖（3-49）PAGEPAGE77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、、經低通濾波后的直流量。由于輸入電壓及母線直流電壓經過了低通濾波作用，消除了輸入電壓諧波、不平衡、及母線直流電壓文波的影響，因此根據式（3-49）計算得出的電流指令經dq0到ABC變換后，就得到代表電網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的影響。3.4鎖相環圖3.3中，PLL為鎖相環，其作用是對電網輸入A相電壓進行相位檢測，產生兩個標準的正弦信號和，用于實現ABC到dq的坐標變換。由于坐標變換、空間矢量SVPWM調節都是建立在電網輸入電壓相位檢測的基礎上，因此鎖相環的性能直接影響到整個系統的性能，要求鎖相環不僅具有良好的跟蹤性能，而且還要有很強的抗干擾能力，以適應電網電壓存在擾動、不平衡、諧波、頻率變化等非理想狀況。傳統的鎖相環是由硬件電路實現的,隨著微處理器運算速度的提高,用軟件實現鎖相環成為一種趨勢。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。本文采用了一種數字化的鎖相技術，它是用數字信號處理器DSP實現的，由于DSP內部包含有捕獲口和計數時基，因此可以很方便地檢測出電網輸入電壓和逆變器輸出電壓信號之間的相位差，如圖3.10所示。圖中的為DSP的內部計數器，讓它跟隨電網輸入電壓信號同步計數，在每一個基波周期當中可以分別讀取電網信號與逆變器輸出電壓信號在半個周期時對應的計數值（圖中分別對應于點與點）和，則實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，就可以很方便地設計控制器來實現逆變器輸出電壓的相位跟蹤市電的相位。PAGEPAGE77圖3.10市電和變流器輸出電流之間相位差的檢測系統中鎖相環的基本控制框圖如圖3.11所示，由圖可見，鎖相環采用了一般的控制器，其中為固有周期，即相當于控制器輸出為零時的逆變器周期，圖中控制器的輸出直接去調節逆變器的周期，但由于頻率是周期的倒數，因此也相當于間接地調節了頻率。當系統處于穩態時，可以實現，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圖3.圖3.11鎖相環控制框圖3.5串聯變換器系統仿真建模和仿真分析計算機仿真是現代科學研究的一個重要手段,計算機仿真技術應用于電力電子技術為電力電子電路及其控制系統提供了經濟、有效、實用的設計方法.通過計算機仿真,可以建立一個模擬的實驗環境,根據以建立的數學模型構造仿真模型,通過仿真對系統各個方面的性能進行預測,從而減少開發過程中的盲目性和復雜性,縮短設計周期.另外,通過仿真進行電路的設計和分析,避免了損壞電力電子開關器件和裝置的危險,能有效的降低裝置的開放成本.PAGEPAGE773.5．1電力電子電路仿真的基本方法在電力電子電路的仿真中，目前還沒有一種仿真軟件和方法可以完全替代所有的試驗，不同的方法和軟件有不同的特點和針對性，因此必須對各種方法的特點有所了解，認識各種建模仿真方法的性質和局限性，并對這些局限性對仿真結果可信度的影響有深入了解，實際應用中比較有代表性的方法有以下兩種：=1\*GB3①系統級仿真，忽略微高頻分量對系統影響所建模型為基礎的仿真=2\*GB3②元件級仿真，盡可能考慮每個元件所有特性所建模型為基礎的仿真圖3.12電力電子電路仿真過程圖需要指出的是，目前仿真軟件的發展是非常迅速的，過去側重于一個方面性能的軟件，都在想辦法彌補其不足，使其功能更強大，使用面更寬。但是仿真的基本思想都是對系統進行抽象建立系統的數學模型，根據數學模型和仿真軟件的功能和特點建立仿真模型，通過計算機仿真，得出仿真結果來分析和印證系統并為實驗做指導。而電力電子仿真的基本過程如圖3圖3.12電力電子電路仿真過程圖3.5．2電力電子開關的仿真模型處理方法由于電力電子電路中開關元件是非線性時變元件，使得電力電子電路難以直接用線性時不變方程直接描述，從而給仿真帶來很多麻煩。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實現，但不同仿真軟件特點不一樣，能夠應用的仿真模型也不一樣，仿真前要仔細分析仿真的目的，從而有針對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仿真目的的不同，電力電子開關模型處理的方法各不一樣，主要有以下幾種方法：PAGEPAGE77方法1、如果用一組可變參數的電阻電容甚至電感組的網絡來精確模擬電力電子開關的開關過程（上升、下降時間，通態壓降，關斷漏電流），就可對電力電子電路運行時μs級以下的瞬態特性進行仿真，Pspice軟件甚至可以自動形成此元件模型，此種仿真就是元件級仿真。元件級仿真的優點是能反映電路運行中的細節問題，但運行速度慢，軟件運算的收斂性容易出問題。方法2、如果用一個較小的電阻作為開關導通時的模型，用一個較大的電阻作為開關關斷時的模型，對電力電子電路的仿真就會簡化很多。這樣的處理使電力電子電路仿真中對μs級以下瞬態過程的分析就不夠精確，但對ms級瞬態過程的分析還是足夠精確的，如果不需要分析開關器件開關過程的損耗、開關過程引起的尖峰等問題，就可以用這種開關模型簡化仿真過程，減少運算量。圖3.13電力電子開關狀態變化示意圖方法3、對于一個動態系統進行描述的常規方法是建立起狀態方程，對于一個包括開關器件的動態系統同樣方法也是適用的。每一個開關狀態將對應一個固定的拓撲，即一個線性的時不變系統,因此可以根據狀態分別建立相應的線性狀態方程。將一個非線性的時變系統變成了一系列在時間序列上分段線性化的線性時不變系統，利用線性系統的求解方法進行求解。即如圖3－13所示，將一個有圖3.13電力電子開關狀態變化示意圖（3－50）PAGEPAGE77其中Tkj表示第K個開關周期中的第j個狀態的轉換時刻。狀態變量X為動態元件如電容上的電壓和電感中的電流，如前所述由于狀態是連續的，所以第j個狀態的終值將成為第j+1個狀態初值。得出了上面的幾組狀態方程之后，就可通過迭代的方法逐點求解電路的狀態，其中每個狀態的最后一個解就是下一個狀態的初始值。采用上述方法進行仿真計算時，實際上是假定開關的開關過程是瞬時完成的，其使用范圍也是只能反映ms級的瞬態過程，一般也不能用于分析開關器件的開關特性及由此引起的問題。方法4、如果能將開關器件的狀態轉換引起的系統變化用狀態方程的輸入量變化來表示，如式（3－51）所示，在開關狀態變化時下面的狀態方程中A,B,C,D都不會發生變（3－51）化，只有發生變化，則仿真中只需在適當的時候改變，其他時候狀態方程中把看成是常數就可求解。此方法雖然與方法2、3假定了開關過程是瞬時完成，從而難以用于分析開關器件的瞬態特性，但是分析系統穩態特性和大信號特性時的常用方法，比方法2，3要簡潔，使用面廣，對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象到仿真模型的轉換問題，但是這些處理方法都無法給出系統的解析模型，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關的電力電子電路的近似解析模型，就可使用狀態空間平均方法，當狀態空間平均模型是非線性和時變的時，用交流小信號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環境是1980年由美國的CleveMoler博士在教授大學線性代數時開始構思并開發的。1992年Moler博士與一批軟件專家一齊成立了專門的公司對它進行改進，推出了交互式模型輸入與仿真環境（SIMULINK),SIMULINK一種動態的仿真工具，具有其它仿真軟件所沒有的多種優點。由于MATLAB提供了強大的矩陣處理和繪圖功能，很多專家在自己擅長的領域編了一些特殊的工具箱，更加推動了MATLAB應用范圍的擴大。PAGEPAGE77使用MATLAB進行電力電子電路的仿真可滿足大部分的目標要求，且簡單、方便，電力電子方面的工具箱功能強大，可以提供各種電力電子開關模型，省去了電力電子電路建模中的很多麻煩，因此已經成為電力電子電路仿真的重要工具。另外，在Simulink中,對系統的建模和仿真是非常容易的,仿真過程是交互的,可以隨意更改系統參數,以便全面了解參數變化對系統的影響.本文將基于Simulink仿真環境并利用MATLABPowerSystemBlockset建立串聯變換器的仿真模型。在Simulink仿真環境下PowerSystemBlockset提供了電力電子系統所需的電力電子元件，對這些元件設定合適的參數，然后利用電力系統仿真模型庫中的其他模型可以建立模擬實際系統的功率電路的電路模型。基于以上思想建立的串聯變換器主電路仿真模型由電網電壓模塊、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、PWM整流模塊和直流環節組成。其框圖如圖3.14所示：其中子系統AC1是電網電壓模塊，其內部電路如圖3-16所示，利用SimpowerSystem中的ElectricalSources中電壓源元件，對電壓源進行設定可以模擬實際系統的基波、諧波電壓的幅值、相位以及頻率等，通過合適的連接就構成了電網電壓模型。圖3.14串聯變流器主電路仿真電路圖子系統i2measure1s是電流檢測模塊，vc3是電壓檢測模塊，圖圖3.14串聯變流器主電路仿真電路圖PAGEPAGE77電路，相當于實際電路中的電壓、電流霍爾元件，電壓、電流檢測模塊為控制系統提供系統的電壓、電流信息，反饋給控制系統以便采取適宜的控制。子系統series1是三橋臂六IGBT模塊，可以設定模塊的連接方式、緩沖電路、開關頻率等以便模擬實際電力開關器件。子系統dcloop1內部電路如圖3.17所示，主要用來模擬直流側的電容和電池組。圖3.圖3.17直流側電池、電容仿真模型圖3.15電網電壓模塊仿真模型a、電壓檢測模塊b、電流檢測模塊圖3.16電壓、電流檢測模塊仿真模型3.5．4控制電路的仿真模型的建立對于三相四線制UPQC系統，當分析電路不同工作狀態或檢測的電路信息發生變化時，相應的控制系統也隨之改變。所以這里僅以基于SRF的dq+o軸控制的控制方案說明仿真模型的建立方法。控制電路的仿真模型是基于外部檢測信號的處理、控制算法建立的。如圖3.18所示把檢測到的電壓，電流信號經過三相ABC-dq0變換，離散化后獲得系統所需的控制量。PAGEPAGE77而控制器則根據這些電壓電流信息來構圖3.19仿真模型圖3.18串聯變流器控制電路仿真模型成相應的控制算法，可以利用SIMULINK中提供的基本模塊庫（諸如Continues庫、Discrete庫、Functions&Tables庫、Math庫、Nonlinear庫、Signals&Systems庫、Sinks庫、Sources庫、Subsystems庫等）實現算法，得到系統的dqo軸控制量，通過dq0-ABC變換獲得三相ABC系統下的控制量，經過SPWM波形成模塊得到IGBT模塊的驅動信號。由式(3-23)和（3－24）利用Simulink中的模塊可以很容易得到圖3.19仿真模型圖3.18串聯變流器控制電路仿真模型PAGEPAGE77變換的仿真模型如圖2.19和圖2.20所示，模型中的函數根據式(3-23)和（3－24）分別定義。圖3.圖3.20仿真模型為了分析不同控制方案的特點，分別按照前面的方法建立串聯變流器的仿真模型，對串聯變流器在理想電網電壓及非理想電網電壓下各種控制策略工作特性進行仿真研究。（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PI為、電流環PI為、三角載波幅值為1111，兩電池組電壓均恒為220V、內阻均為，輸入電感為5.8mH，內阻為，兩串聯直流電容均為，負載電阻為，開關頻率為9KHz。=1\*GB3①當電網電壓為理想的三相平衡正弦波：（3－52）PAGEPAGE77圖3.21電網電壓平衡下串聯變流器dq軸控制仿真波形其仿真結果如圖3圖3.21電網電壓平衡下串聯變流器dq軸控制仿真波形由圖3.21(a)可見，此時采用dq軸控制策略可以實現變流器三相輸入電流的平衡，中線電流僅為很小的開關紋波，且輸入電流與輸入電壓同相，變流器輸入功率因數為1。而圖3.21（b）顯示母線直流電壓不存在諧波分量波動，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