关键词：电能质量；SVG；UPQC

Abstract: Due to the continuous popularization of various complicated, precise and power quality sensitive electrical equipment in the three-phase ac system, many power quality problems have arisen. In order to improve the power quality problems, various reactive compensation devices have appeared; But with the increasingly complex power grid structure and composition of power load, several kinds of power quality problems appeared in the same power distribution system at the same time, more and more for each power quality problems respectively adopt a type of conditioning, will greatly increase the cost of control measures, will also affect the reliability of the joint operation, emerged out of the unified power quality conditioner (UPQC); This paper introduces the basic principle and characteristics of the UPQC and the basic structure of the first UPQC equipment.

Keywords: Power quality; SVG; UPQC

1  UPQC出现背景

    电能是人类生活中最重要的能源。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

随着非线性电力电子器件、装置和冲击性、波动性负荷在现代工业中的广泛应用以及各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备的不断普及，导致了电网电压，电流波形畸变、电压波动与闪变，以及三相电压不平衡等电能质量问题。由此出现了改善这些问题的补偿装置。目前，使用广泛的电能补偿装置有静止无功补偿器（SVC）和静止无功发生器（SVG）。

1.1  静止无功补偿器（SVC）

SVC(Static Var Compensator)即静止无功补偿器，STATCOM(Static Synchronous Compensator)，即静止同步补偿器，它们的输出功率都能动态地跟踪负荷无功功率的变换。由FC部分和TCR部分组成。

滤波器(FC)：把计算需要的容性无功容量分配到各个滤波通道上，这部分的总补偿容量满足负荷最大负载时的无功功率，如果负荷小，则通过TCR来平衡多余的容性无功。
   晶闸管控制电抗器

SVC的控制目的：就是控制系统的无功使其接近为零，或是在电网允许的范围内，提高功率因数，以实现动态的无功补偿。

SVC优点：

(1) SVC是TCR与FC的结合，因此兼具二者的优点，二者的结合又使彼此的缺陷得到弥补，形成了最理想的电能治理设备。

(2) 为供电系统提供连续的无功功率，恒定的功率因数，无“过补”，欠补”现象。

(3) 消除谐波，减少谐波电流对电网及设备的损害。

(4) 响应速度快,可抑制电压波动及闪变，稳定电压。

(5) 消除电压三相不平衡度。

(6) 治理负序电流。

SVC缺点：
   （1) 自身产生谐波，需在系统设计中考虑。

(2) 输出无功受电网电压影响。

(3) 占地较大。

(4) 响应速度受晶闸管特性影响。

1.2  静止无功发生器（SVG）

SVG（Static Var Generator），即静止无功发生器，又称作高级静止无功补偿器ASVC(Advanced Static Var Compensator)或静止同步补偿器STATCOM（Static Synchronous Compensator），就是专指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置。

SVG的优点：

(1) 具备SVC的所有功能。

(2) 优于SVC的补偿性能。

(3) 具备APF（有源滤波）的功能。

(4) 无需大容量的电抗器和电容器。

(5) 占地较小。

(6) 输出无功几乎不受电网电压影响。

SVG缺点：

(1) 目前仅在大容量区域变电所使用，造价高昂。

随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，几种电能质量问题在同一配电系统中或在同一用电负荷中同时出现的情况越来越多。若针对每一种电能质量问题都分别采取一种类型的调节装置，这样多种装置同时使用将会大大增加治理措施的成本，还会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合问题，影响联合运行的可靠性，既不经济，也不现实。于是，综合型电能质量调节装置的研究便由此产生。日本学者赤木泰文在1996年首次提出了统一电能质量调节器(UPQC——Unified Power Quality Conditioner)的概念。在这种系统中，一个并联变流器和一个串联变流器通过公共的直流母线组合到一起，既能补偿负载引起的谐波、无功电流等问题，又能补偿电源电压骤升、骤降、不对称、闪变、波动等电能质量问题，是一种具有综合功能的电能质量调节器，是用户电力技术发展的最新趋势。
2  UPQC基本原理

在电压补偿方面，当配电网母线电压由于线路故障等原因偏离正常值时，UPQC串联侧的逆变桥输出交流补偿电压，经串联变压器注入到系统馈线中，以补偿非正常电压与正常电压之差，最终使用户侧负荷电压在故障等情况下仍保持正常值，从而确保对电压敏感的用电设备可靠工作；在电流补偿方面，当用电负荷除从电网吸取必要的有功电流之外，还从电网吸取无功电流并向电网注入负序和谐波等畸变电流时，UPQC并联侧的逆变桥通过调制来改变逆变桥的输出电压，进而来调节UPQC并联侧注入电网中的补偿电流，若此电流与负荷中的无功电流、负序和谐波等畸变电流大小相等、方向相反，即可使负荷只从电网抽取基波正序有功电流，从而可确保用电负荷对电网不产生污染，并消除不必要的无功损耗。由此可见，UPQC串联侧相当于电压源，向系统注入电压；并联侧相当于电流源，向系统注入电流。UPQC接入系统的等效电路图可以由图1简要说明。

图1  UPQC等效原理图

图1中：u_s：电源电压；u_c：串联侧补偿电压；u_l：负载电压；i_c：并联侧补偿电流；z：代表系统的非线性负载。

3  UPQC补偿原理

3.1  UPQC的电压补偿功能:

如图1所示，根据电路理论有：

由此可知，为了使用户侧负荷电压在故障等情况下仍保持正常值，只要串联侧输出的补偿电压为非正常电压与正常电压之差，即可维持用户侧负荷电压的正常，实现电压补偿的目的。

3.2  UPQC的电流补偿功能

如图1所示，根据电路理论有：

从上式可以看出，UPQC并联侧补偿电流与负载电流中的无功电流、负序和谐波等畸变电流大小相等、方向相反，即可使负载只从电网抽取基波正序有功电流，从而可确保用电负荷对电网不产生污染，并消除不必要的无功损耗。

总结UPQC装置的补偿功能如表1所示。

表1  UPQC主要补偿功能表

4  UPQC系统组成

4.1  UPQC系统原理图

UPQC的串联侧和并联侧都采用MMC半桥式功率单元串联技术，两侧通过公共直流母线相连。UPQC系统原理图如图2所示。

 
图2  UPQC系统原理图

4.2  UPQC系统组成

UPQC系列产品主要由充电部分、功率部分和控制部分、隔离变压器、断路器组成。
 

图2  UPQC系统组成
4.2.1 控制部分                                                                                                                                                   
    UPQC的控制柜由工业控制机、控制系统硬件和电源系统组成，用来控制 UPQC实现预期控制目标、监控系统运行状态、与上位机进行通讯等，其稳定可靠工作保证了整个系统的安全、可靠运行。如图3所示。
   工业控制机是UPQC系统内上位机软件的运行载体，除了用来设置UPQC系统运行参数外，还用来监控、显示系统运行状态，是UPQC与外部系统人机交互的接口。为保证UPQC的供电可靠性，在控制柜内还配备了电源系统，利用两个独立电源同时给控制系统供电，实现供电系统的冗余设计。UPQC的控制系统硬件上由主控单元和采样单元组成，它们是UPQC系列的核心。

图3  控制柜

4.2.1.1 主控单元

图4主控单元是全数字信号控制装置，内置总线板、CPU板、数字板、模拟板、电源板、PWM板、PWM扩展板、通讯板。通过UPQC监控软件设置系统参数，主控单元便可实现UPQC的闭环控制、快速保护及网络通讯等控制功能。总线板主要功能为整个控制机的电源供给、各板数据传输及内、外部数据交换。CPU板、数字板、模拟板主要用于用户现场各种信号的处理，UPQC系统运行和故障的连锁。

图4  主控单元

(1) CPU板功能概述

CPU板是主控单元的核心组件，主要完成UPQC控制系统的核心控制功能，与工控机通信，进行信息交互。CPU板如图5所示。

图5  CPU板

(2) 数字板功能概述

数字板主要对数字量信号进行处理，通过总线板将接收到的外部数字量信号传送至CPU板进行处理，并接受主控板指令输出数字量控制信号，通过外部继电器控制外部设备。数字板如图6所示。

图6 数字板

 (3) 模拟板功能概述

模拟板主要对模拟量信号进行处理，通过总线板将接收到的外部模拟字量信号传送至CPU板进行处理。模拟板如图7所示。

       图7  模拟板

 (4) PWM板功能概述

PWM板主要接收功率单元光信号，经过处理后传输到主控板，将CPU板指令处理后通过光纤传送到功率单元，PWM扩展板用来扩展光纤接口。PWM板如图8所示。 

        图8  PWM板

(5) 通讯板功能概述

通讯板主要与工业控制计算机以及上位机进行通讯，实现外部设备与CPU板的数据交换。通讯板如图9所示。

                             
                                                                                         图9 通讯板

(6) 电源板功能概述

电源板为控制机系统主控单元和采样单元内的各个电路板提供电源。电源板如图10所示。

 

         图10 电源板

(7) 主控单元总线板功能概述

主控单元总线板的作用是负责与总线板连接的各个电路板间的数据传输及与外部电路系统的数据交换。主控单元总线板如图11所示。

                                 

            图11  主控单元总线板

4.2.1.2 采样单元

采样单元电路板如图12所示，包括PT板和CT板。采样单元用于采集现场的PT电压信号及CT电流信号，将采集的信号经过变换，送至主控单元进行处理。

 

           图12  采样单元

(1) CT板功能概述

网侧CT输出的电流信号首先经过CT板上的电流互感器等比例缩小后送运算放大电路做电流/电压变换，得到相应的电压信号，因此电压信号与电流信号幅值成一固定比例关系，且相位相同，最后将此电压信号送至主控单元进行处理。CT板如图13所示。
 

图13  CT板

(2) PT板功能概述

网侧PT输出的0～100Ｖ电压信号经由电压互感器等比例缩小后送至主控单元进行理。PT板如图14所示。

         图14  PT板                                           
4.2.2 功率部分                                                                                                                                                 
    UPQC功率柜主要由功率单元组成，功率单元内部主要由功率单元板、IGBT模块、薄膜电容、突波吸收电容、型材散热器等。功率单元板接收主控单元发来的控制信号，经过解码生成触发脉冲控制IGBT的开通与关断，产生预期的补偿电流。功率单元板同时还有直流侧电压检测、故障检测以及通讯功能等，功率单元板检测的直流电压状况通过通讯功能上传到控制机系统。功率单元的故障检测包括IGBT过流、直流侧电压过压和功率单元超温，实现对单元最主要最直接的保护。检测到功率单元故障时，会在第一时间实现对设备的保护，并将故障信息反馈给控制机系统。如图15所示。

        图15  功率柜

 图15  功率柜

4.2.3 充电部分

UPQC充电柜由断路器（或接触器）、充电电阻、电抗器等主要元器件组成。是UPQC功率部分与电网连接的纽带。如图16所示。

                               图16  充电柜 

4.2.4 开关部分

UPQC含有5个开关柜，由断路器为主要元器件组成。各断路器的名称与功能如表2所示。     

             表2  断路器名称与功能                                                              

 4.2.5  隔离变压器

UPQC含有3台单相的隔离变压器，作为串联侧的电压输出与电网的接口，实现了UPQC的输出电压串联到电网中。

5  结语

本文以UPQC（统一电能质量调节器）为研究对象，对其电路特性和工作原理进行了分析；并通过对首套UPQC设备的结构组成分解，各个部分的工作机制描述，验证了其对电流和电压等多种电能质量问题的补偿功能。此多种补偿功能的实现，证明UPQC是一种具有综合功能的电能质量调节器，是用户电力技术发展的最新趋势，可以获得更广泛的应用。

参考文献：

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[4]邱关源. 电路[M. 北京:高等教育出版社,.2006.

作者简介：

刘楠（1985.10-） 女 质量技术工程师 辽宁荣信兴业技术有限公司 研究方向：电力系统