通用电能质量控制器直流侧电压控制建模与分析

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.22 No.4

Apr. 2007

通用电能质量控制器直流侧电压控制

建模与分析

张 辉 刘进军 黄新明 王兆安

（西安交通大学电气工程学院 西安 710049）

摘要 为了对通用电能质量控制器直流侧电压进行更为有效的控制，提出一种用于三相三线通用电能质量控制器（UPQC）直流侧电压控制的外环模型。在所得模型的基础上利用经典控制理论分析了实际UPQC的补偿能力；并通过分析抗扰动性能，采用比例积分调节器时电压环稳定性以及采用比例调节器时电压环稳定性，详细比较了直流侧电压的两种控制方法——反馈控制和复合控制（反馈加前馈控制）。仿真和实验结果验证了UPQC的最大补偿能力，同时表明复合控制具有较好的抗扰性能，以及在比例调节器下具有较好的相对稳定性。

关键词：通用电能质量控制器 直流侧电压控制 反馈控制 复合控制 中图分类号：TM464

Modeling and Analysis of DC Link Voltage Control for

Universal Power Quality Controllers

Zhang Hui Liu Jinjun Huang Xinming Wang Zhaoan （Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China）

Abstract In order to make more effective control of universal power quality controllers (UPQC), an outer loop model for the voltage loop in a three-phase three-wire UPQC is proposed in the paper. The compensation capability of a practical UPQC is then analyzed based on the deduced model. Subsequently, two kinds of methods named feedback control and composite control for DC link voltage control are compared in detail. The covered comparative aspects include the performance in disturbance suppression, stability of the voltage loop with a PI controller and stability of the voltage loop with only a P controller. Computer simulations and hardware prototype experiments are done to verify the validity of the model and analysis in this paper. The corresponding control methods are also proved to be effective.

Keywords：UPQC, DC link voltage control, feedback control, composite control

量控制器（UPQC）[1]。其主要目标是同时解决来自交流电网和负载的电能质量问题，包括电源电压暂降和暂升，电源电压畸变，谐波电流以及无功电流等。

UPQC由一个串联有源滤波器和一个并联有源滤波器组合而成[4]，近年来，国内对于其不同联结图1给方式以及统一控制方法也有较多的研究[5-8]。出了UPQC的一种典型结构。

UPQC工作时，其自身能量损耗以及电网电压暂降、暂升引起的有功功率流动会造成直流侧电压

1 引言

二极管整流桥和晶闸管整流桥等电力电子负载向电网注入谐波电流，会引起严重的电流谐波污染；同时，大量电压敏感性负载装置也使得工业生产在为了防止供电质量下降的情况下显得更加脆弱[1-3]。非线性负载产生的电流谐波注入电网并且给敏感性负载提供高质量的电能，1998年出现了通用电能质

收稿日期 2006-06-09 改稿日期 2006-09-27

第22卷第4期

张 辉等 通用电能质量控制器直流侧电压控制建模与分析 145

的等效电路，其中R代表线路、电感、电容以及变流器本身损耗的等效电阻[11]。

考虑到串联有源滤波器对瞬时功率的影响，可以得到下面的瞬时功率平衡方程

222

ea(t)ia(t)+eb(t)ib(t)+ec(t)ic(t)−R[ia(t)+ib(t)+ic(t)]−

图1 通用电能质量控制器的结构

Fig.1 Configuration of universal power quality controllers

1d222

(t)+ic(t)]+PAPF,s=uC(t)iC(t) （1）Lr[ia(t)+ib

2dt

其中PAPF, s 代表串联有源滤波器注入直流侧的瞬时

功率。

假设电源电压没有畸变，负载是典型二极管整流桥，则

6Idc+IP(t)] （2） π

式中 E(t)——电源电压有效值

PAPF,s=3[E(t)−E][降低、升高或大范围波动。为了保证通用电能质量控制器双PWM变流器的正常工作，直流侧电容电压应当在一定范围内保持稳定。因此，引入直流侧电压控制十分必要。

直流侧电容电压控制的传统方法是为直流侧电容再提供一个单独的直流电源，一般通过一个二极管整流电路实现[9]。但这无疑增加了系统的成本和损耗，而且直流侧电压会随电网电压波动。采用直流侧电压闭环反馈控制方法[10]可使UPQC具有直流侧电压自动维持能力；但是由于闭环控制系统本身调节速度较慢，当电源电压突然发生大幅度暂降时，直流侧电压也相应的发生较大跌落且恢复时间较长，这些都影响了变流器对暂降电压和谐波电流的补偿效果。

为解决此矛盾，本文对UPQC直流侧电压的控制进行了建模，并且提出一种UPQC直流侧电压的复合控制方法，即在传统的电压闭环反馈控制的基础上加入电源电压的前馈控制。详细分析了该控制方法比传统反馈控制在抗扰动性能、PI调节器下电压外环稳定性以及P调节器下电压外环稳定性等方面具有的优越性。PSIM软件下的仿真结果以及本研究中心研发的6kVA UPQC硬件平台下的实验结果验证了本文对三相三线UPQC直流侧电压控制分析的正确性。

E——负载电压有效值

Idc——整流桥负载直流侧的平均电流 IP(t)——并联有源滤波器交流测有功电流有效

值

式（1）利用瞬时无功理论可以整理为

3d2222

3EIP(t)−3R[IP(t)+Ic(t)]−Lr[IP(t)+Ic(t)]+

2dt

du(t)6Idc+IP(t)]=CuC(t)C （3） πdt

其中，Ic(t)表示并联有源滤波器输出的补偿电流有

3[E(t)−E][效值，包括谐波电流和无功电流。给式（3）加入小信号扰动，并进行线性化处理

ˆ⎧E(t)=E+∆E(t)=E+∆E+∆E

⎪

ˆ⎪IP(t)=IP+IP

（4） ⎨

ˆ⎪Ic(t)=Ic+Ic

⎪ˆC⎩uC(t)=uC+u

可以得到大信号模型方程

6Idc+IP)=0 （5） π

以及经过拉普拉斯变换后的小信号模型方程

ˆ(s)(6RI+3LIs)+ ˆ(s)(3E−6RI−3LIs+3∆E)−II

22

3EIP−3R[IP]+3∆E(+Ic

2 UPQC直流侧电压控制建模

图1中的并联有源滤波器可以简化为图2所示

PPrPccrc

ˆ(s)(∆E

36ˆC(s)s （6）Idc+3IP)=CuCu

π

3 UPQC直流侧电压控制分析

3.1 补偿能力分析

图2 UPQC中并联有源滤波器的等效电路 Fig.2 Equivalent circuit of the shunt active

power filter in UPQC

根据式（5）所示的大信号模型可知，工作点

IP存在的条件为

(E+∆E)2−4R(RIc2−∆E6（7） Idc)≥0

π

146

电 工 技 术 学 报 2007年4月

式（7）表明，当电源电压暂降幅值过大，即复合控制的闭环传递函数却有两个零点。将两个传递函数简写为

Ds⎧

Hs()=1⎪As2+Bs+C⎪

（12） ⎨2

EsFsEF+⎪H(s)==sH1(s)+H1(s)22⎪DAs+Bs+CD⎩

∆E为负值且绝对值过大时，式（5）并不存在实根。在这种情况下，UPQC并不能在补偿谐波电流和源侧电压暂降的同时维持直流侧电压稳定。 3.2 系统抗扰动性能分析

当直流侧电压采用反馈控制和PI调节器时

KI

ˆ(s)=−uˆˆIsGs=−usK+ ()()()() （8）PCcCP

s

对于一个实际的UPQC来说，通常E＜＜ D，且F＜D。因此从阶跃响应最大动态降落以及恢复时间这两个抗扰动性能指标[12]来看，复合控制要优于反馈控制。因此复合控制拥有更好的系统抗扰动性能。

3.3 PI调节器下两种控制方法对系统稳定性的影响

分析

（1）绝对稳定性

式（9）和式（11）有着同样的特征方程，因此

整个系统的控制框图可以表示为如图3所示。

图3 直流侧电压采用反馈控制的框图

Fig.3 Block diagram of UPQC with feedback DC link

voltage control

根据劳斯判据，可以得到相同的系统稳定参数范围

KP＜

CuCK(E−2RIP+∆E)E+∆E

，KI＜P，IP＜

LrIP3LrIP2R

（13） 可以看出：①当电源电压发生较大电压暂降时，并联有源滤波器输出的有功电流将会增加，这种情况下，KP，KI的稳定范围将变得更小；②直流侧电容的容值和直流电压越高，KP的稳定范围越大。

（2）相对稳定性

在达到相同稳态输出的基础上比较两种控制方法的相对稳定性。由图3和图4可知，不管采用反馈控制还是复合控制，只要电压环采用的是PI调节器，系统对于阶跃响应的稳态输出都是无差的（扰动点之前有积分环节）。因此，PI的参数在式（13）所给出绝对稳定范围内任意取值都可以。也就是说，两种控制方法可以拥有完全相同的PI参数而达到

系统的闭环传递函数见本页下方式（9）。 当直流侧电压采用复合控制和PI调节器时

ˆ(s)=−uˆ(s) ˆ(s)G(s)−K∆EI

P

C

c

KI

ˆ(s) （10） )−K∆E

s

此时系统的控制框图如图4所示。

ˆC(s)(KP+=−u

图4 直流侧电压采用复合控制的框图 Fig.4 Block diagram of UPQC with composite

DC link voltage control

同样的稳态。在这种情况下，控制系统的环路增益

并不发生变化，两种控制方法具有相同的相对稳定性。3.4 P调节器下两种控制方法对系统稳定性的影响

分析

整个系统达到稳态后，采用反馈控制时IP可以表示为IP=KP∆uC，而采用复合控制时IP=KP∆uC

系统的闭环传递函数见式（11）。

比较两种控制方法下的闭环传递函数可以看出，反馈控制的闭环传递函数只有一个零点，但是

(−K∆E。

36Idc+3IP)sˆC(s)uπH1(s)== （9）

ˆ(s)(Cu−3KLI)s2+[(3(E−2RI+∆E)K−3LIK]s+3(E−2RI+∆E)K∆ECPrPPPrPIPI36Idc+3IP)]ˆC(s)uπH2(s)== （11）

ˆ(s)(Cu−3KLI)s2+[(3(E−2RI+∆E)K−3LIK]s+3(E−2RI+∆E)K∆ECPrPPPrPIPI

s[3KLrIPs+(6KRIP−3K∆E−3KE+

第22卷第4期

张 辉等 通用电能质量控制器直流侧电压控制建模与分析 147

当UPQC直流侧电压采用P调节器控制时，4.1 补偿能力验证

由仿真参数和式（7）计算可知：只有当电源电压暂降不超过70%时，UPQC才能够对系统在进行电压和电流补偿的同时维持直流侧电压稳定。图7所示的仿真结果很好地验证了该结论，当源侧电压暂降超过70%，系统无法在对电压暂降和电流谐波进行补偿的同时维持直流侧电压稳定。

uref−uC(t)并不为0。由于引入了前馈，为了达到和反馈控制相同的稳态，复合控制必须降低参数KP。如图5所示，KP的降低会使得环路增益的幅频曲线下移，这意味着系统的环路增益将具有更多的相位裕量。因此在达到同样稳态的基础上复合控制较反馈控制更稳定。

（a）60%源侧电压暂降

图5 直流侧电压采用P调节器时的环路增益波特图

Fig.5 Bode plot of loop gain with P controller

4 仿真和实验结果

仿真采用Powersim公司的PSIM4.1仿真软件，电路中参数设置为：E=220V，C=0.015F，Uc=600V，

（b）70%源侧电压暂降

图7 补偿电源电压暂降和负载谐波电流的仿真波形 Fig.7 Simulation results of compensation for voltage sags

and current harmonics

Lr=2mH，R=0.8Ω，RL=50Ω。

实验基于本研究中心自发研制的6kVA UPQC，功率器件选用BSM75GB120DN2，装置如图6所示，

串联侧三相变压器变比为2∶1，直流侧电容采用

实际实验装置中由于系统损耗过大,其等效损耗电阻就比较大，UPQC可以补偿电压暂降的范围就较小。图8的实验结果说明了这个问题，当源侧电压暂降超过40%，系统无法在对电压暂降和电流谐波进行补偿的同时维持直流侧电压稳定。 4.2 系统抗扰动能力验证

通过图9的实验结果可以看出复合控制的最大动态降落和恢复时间都比反馈控制小,说明UPQC的直流侧电压采用复合控制时具有更好的系统抗扰性能。

4700µF/450V两串两并。为了模拟电网侧可能出现的多种电能质量问题，使用了Chroma公司的三相可编程交流电源Chroma 6590，设置电源相电压有效值为30V，负载采用三相整流桥，直流侧电压控制在115V。

图6 通用电能质量控制器实验装置 Fig.6 Experimental equipment of UPQC

（a）30%源侧电压暂降

148

电 工 技 术 学 报 2007年4月

（b）50%源侧电压暂降

（a）反馈控制

图8 补偿电源电压暂降和负载谐波电流的实验波形 Fig.8 Experimental results of compensation for voltage

sags and current harmonics

（b）复合控制

图10 采用PI调节器时稳定性比较的实验波形

（a）反馈控制

Fig.10 Experimental results of stability with PI controller

（a）反馈控制

（b）复合控制

图9 电源电压发生30%暂降时的实验结果 Fig.9 Experimental results due to 30% voltage sag

4.3 PI调节器下两种控制方法对系统稳定性影响的

验证

图10实验结果说明了当直流侧控制采用PI调节器时反馈控制和复合控制两种方法在达到相同的稳态输出的同时可以具有同样的稳定性。 4.4 P调节器下两种控制方法对系统稳定性影响的

分析

图11给出了采用P调节器时反馈和复合两种控

（b）复合控制

图11 采用P调节器时稳定性比较的实验波形 Fig.11 Experimental results of stability with P controller

第22卷第4期

张 辉等 通用电能质量控制器直流侧电压控制建模与分析 149

法[J]. 电工技术学报, 2000, 15 (6): 70-74.

Jiang Ping, Deng Junxiong, Cao Ying. A novel method

for detecting harmonics in power network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2000, 15 (6): 70-74.

[7] 万健如, 裴玮, 张国香. 统一电能质量调节器同步

无拍差控制方法研究[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25 (13): 63-67.

Wan Jianru, Pei Wei, Zhang Guoxiang. Research on

synchronization deadbeat control algorithm for unified power quality conditioner[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25 (13): 63-67.

[8] 郭茂峰, 王广柱. 一种基于新型控制策略的统一电

能质量控制器[J]. 电力自动化设备, 2005, 25 (7): 44-47.

Guo Maofeng, Wang Guangzhu. Unified power

quality controller using new control strategy[J]. Electric Power Automation Equipment, 2005, 25 (7): 44-47.

[9] 杨君, 王兆安, 邱关源. 并联型电力有源滤波器直

流侧电压的控制[J]. 电力电子技术, 1996, 4: 48-50. Yang Jun, Wang Zhaoan, Qiu Guanyuan. DC-side

voltage control of shunt active power filter[J]. Power Electronics, 1996, 4: 48-50.

[10] 王兆安, 杨君, 刘进军, 等. 谐波抑制和无功功率

补偿[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[11] 罗世国, 候振程. 有源滤波器直流侧电压闭环控

制的稳定性研究[J]. 重庆大学学报, 1994, 7 (3): 60-68.

Luo Shiguo, Hou Zhencheng. Stability research on

DC voltage close loop control for an active power filter[J]. Journal of Chongqing University, 1994, 17 (3): 60-68.

[12] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京: 机械

工业出版社, 1997.

作者简介

张 辉 男，1982年生，硕士, 研究方向为电能质量控制。 刘进军 男，1970年生，教授，博士生导师, 研究方向为电力电子技术在电能质量控制及电力系统中的应用以及电力电子电路和系统的建模、分析与控制。

制方法下直流侧电压对网侧电压暂降的响应波形，实验结果表明在系统达到同样的稳态条件下复合控制有着更好的相对稳定性。

5 结论

本文提出了一种用于三相三线UPQC直流侧电压控制的外环模型。在此基础上分析了UPQC的补偿能力，并且从系统抗扰动性能、PI调节器下电压环的稳定性、P调节器下电压环的稳定性三个方面深入对比了反馈控制和复合控制两种直流侧电压的控制方法。比较结果表明：实际UPQC装置具有最大补偿能力限制，同时直流侧电压复合控制具有相对于反馈控制更好的抗扰动能力，能够保证PWM变流器有较好的输出效果，且在采用P调节器时复合控制稳定性更好。

仿真与实验结果验证了UPQC的最大补偿能力；同时验证了复合控制具有较好的抗扰性能，且在P调节器下具有较好的相对稳定性。

参考文献

[1] Sabin D, Sundaram A. Quality enhances reliability[J].

IEEE Spectrum, 1996, 33 (2): 34-41.

[2] Akagi H. New trends in active filters for power condi-

tioning[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1996, 32 (6): 1312-1322.

[3] Wong M C, Han Y D, Zhao L B. Study of distribution

system unified conditioner (DS-UniCon)[C]. Power Electronics and Motion Control Conference, 2000, 3: 15-18.

[4] Fujita H, Akagi H. The unified power quality condi-

tioner: the integration of series and shunt-active filters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1998, 33: 315-322.

[5] 王群, 耿云玲, 何益宏. 不同系统联结方式下通用

电能质量控制器的功率分析[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25 (21) : 98-105.

Wang Qun, Geng Yunling, He Yihong. Power analysis

on universal power quality controller under different system connections[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25 (21): 98-105.

[6] 蒋平, 邓俊雄, 曹莹. 一种先进的电网谐波检测方