Management of reactive power sharing & power quality improvement with SRF-PAC based UPQC under unbalanced source voltage condition

This paper is proposed to establish a new control algorithm for UPQC (unified power quality conditioner) to improve power quality and manage effectively equal reactive power sharing between shunt and series inverter of UPQC under unbalanced source voltage condition. The extraction of instantaneous power angle for reactive power sharing faces difficulty with unbalanced source voltage condition. This paper presents a new SRF (synchronous reference frame) based PAC (power angle control) method using decoupled load current parameters for efficient utilization and coordination of UPQC inverters. The proposed controller contributes in improvement of source current and load voltage harmonic profile, provides efficient way of load reactive power compensation and load voltage compensation for sag, swell and unbalanced condition. Effect of source voltage variations in the form of sag, swell or unbalancing on variable power angle estimation and reactive power calculations are also validated through a mathematical analysis. SRF based PAC control approach and PAC based UVT (unit vector template) control approach is adapted for estimating the reference signals of shunt and series inverter respectively and thus reducing the need of extra computation. The simulation and experimental analysis is carried out using Matlab/Simulink software package for computer simulation and a dSPACE based experimental setup for real time verifications.     

基于单相STATCOM的不平衡负荷平衡化补偿的仿真研究

单相STATCOM由于具有输出无功电流谐波含量低、响应速度快等优点而适合于不平衡负荷的平衡化补偿。文中给出了采用单相STATCOM实现平衡化补偿的两种主电路结构及电压-无功综合控制方法。三相补偿电流相量采用对称分量法通过矢量变换获得，单相无功功率采用单相瞬时无功功率算法得到，单相逆变器采用特定谐波消除PWM算法(SHE-PWM)，以保证输出无功电流的谐波总畸变率小于5％，同时保证直流侧电容电压的稳定。对所给出的补偿方法进行了仿真研究，结果验证了单相STATCOM进行快速平衡化补偿的能力比较强。     

基于STATCOM三相不平衡负载的平衡补偿

由于单相STATCOM具有输出无功电流谐波含量低、响应速度快等优点而适用于不平衡负载的平衡化补偿。提出了采用单相STATCOM实现平衡化补偿的两种主电路结构及电压-无功综合控制方法。三相补偿电流相量采用对称分量法通过矢量变换获得，单相无功功率采用单相瞬时无功功率算法得到，单相逆变器采用特定谐波消除PWM算法(SHE-PWM)以保证输出无功电流的总谐波畸变率(THD)小于5％，同时保证直流侧电容电压的稳定。试验结果验证了STATCOM进行平衡化补偿的快速性。     

New control approach for capacitor supported DSTATCOM in three-phase four wire distribution system under non-ideal supply voltage conditions based on synchronous reference frame theory

A large number of single-phase linear and non-linear loads may be supplied from three phase ac mains with neutral conductor. They cause excessive neutral current, harmonics and reactive power burden and unbalance. A four wire DSTATCOM (distribution static compensator) is used for neutral current compensation along with reactive power compensation, harmonics elimination and load balancing. A novel control approach is proposed for the control of four wire DSTATCOM under non-ideal supply voltage conditions. A four-leg voltage-source converter (VSC) with a dc capacitor is used as a four wire DSTATCOM. The proposed control approach is based on synchronous reference frame (SRF) theory and an indirect current control technique. The switching signals for the voltage-source converter (VSC) of the DSTATCOM are derived from the estimated reference supply currents. The load balancing, harmonics elimination and the neutral current compensation are demonstrated along with unity power factor (UPF) and zero voltage regulation (ZVR) modes of operation. Simulation results based on MATLAB software with its Simulink and power system blockset (PSB) toolboxes are presented to validate the control strategy. The DSTATCOM is able to maintain the self-supported dc bus under various disturbances.     

基于UPQC的三相电流平衡补偿控制

统一电能质量控制器(UPQC)控制单元中既要控制静止同步无功补偿器(STATCOM)又要控制静止同步串联补偿器(SSC),灵活性和速动性降低且成本较高。对UPQC补偿装置进行具体的修改,UPQC的补偿原理主要是通过SSC交流侧输出一串联的电压以改变负载的实际工作电压,对STATCOM部分不要实施控制,故将UPQC中STATCOM部分的全控型电力电子器件换成二极管,从而得到了UPQC装置。以广东某一变电站为例,计算并用Matlab进行了仿真,结果表明,该补偿装置提高了控制的灵活性和速动性,且降低了成本。     

并联型模块化级联超级电容多目标电能质量治理研究

为改善10 kV配网侧电能质量,针对传统UPQC与DVR对电压暂降具有补偿深度不够、补偿时间不长等不足,提出了将超级电容储能与模块化多电平变换器拓扑结构相结合,形成并联型模块化级联超级电容储能P-MMC-SCS(parallel-modular multilevel cascaded-super-capacitor storage)多目标电能治理拓扑结构。首先对其主电路拓扑结构进行了分析,然后分别针对电压未暂降时电流补偿分量检测与跟踪及电容均压、电压暂降时电压补偿分量检测与跟踪进行了控制策略研究,根据P-MMC-SCS主电路结构与补偿分量特点采用了PI控制。最后通过在Matlab/Simulink中对P-MMC-SCS仿真研究,结果表明P-MMC-SCS兼具支撑网侧的电压暂降和治理负荷侧电流谐波、无功的功能。     

动态电压恢复器电压补偿策略的研究

动态电压恢复器(DVR)在保证敏感负荷电压质量的同时与系统间存在能量交换,为了减少DVR的有功输出,提高DVR的补偿极限,文中针对不平衡电压跌落的特点,在考虑不同性质负荷对电压幅值和相移有一定容许范围的基础上,提出了新的最小能量补偿策略。通过对不对称三相电压相量的旋转和对称分量法来确定DVR的最优输出电压。仿真结果证明了该方法比其他电压控制方法更能有效地减少DVR的有功输出,加大了DVR的补偿范围。     

统一电能质量调节器控制策略及仿真

通过对统一电能质量调节器(UPQC)电路拓扑的稳态功率进行详细分析,并与基于传统控制策略下UPOC所需容量进行一系列比较,提出一种基于串联侧无有功注入的新型控制策略.该控制策略根据相应的负载功率因数角、电压跌落程度决定串联侧补偿电压的幅值,在特定补偿电压注入角情况下,使得串联侧不消耗任何有功,同时能够减小并联侧无功补偿容量.该控制策略不仅能完成电网电压跌落补偿、谐波治理、负载无功补偿和输入功率因数校正,且在串联侧不消耗任何有功的情况下降低整个UPQC的补偿容量.为了克服滞环控制的不足,串联侧采用恒频滞环来保持开关频率的稳定.仿真结果验证了理论分析的正确性与可行性.     

储能式统一电能质量控制器负载电压全补偿容量配置策略

常规储能式统一电能质量控制器(UPQC)的补偿策略,为了实现串、并单元的功率协调分配,可能出现补偿前后负载电压相位跳变问题,对相位跳变敏感负荷有影响。为此,文中对储能式UPQC提出了一种负载电压幅值和相位全补偿容量配置策略。该策略在实现负载电压完全补偿的前提下,利用储能单元能够提供有功功率的特点,通过选择合适的并联补偿电流并使其幅值保持恒定,减小补偿后的电源电流幅值,从而使串联单元保持较低的补偿容量,减小了UPQC的串联单元容量的配置。仿真及低压小功率样机实验结果表明,所提策略可以实现负载电压的完全补偿,并减小了UPQC的串联单元补偿容量。     

低压配电网中单相动态电压恢复器与电力系统之间的能量流动

动态电压恢复器(DVR)工作时流经全部负载电流,其输出能量的大小则会影响储能单元充放电时间的长短。详细分析了同相位补偿、故障前补偿和最小能量补偿3种方式下DVR能量流动的规律。同相位补偿时,输出的电压最小,但在大多数时候可能输出的能量较大;故障前电压补偿方式下只要是电压发生暂降,必然需要向系统提供有功和无功才能满足控制的需求,这就对储能单元的功率输出提出了较高的要求;最小能量补偿方式下,指定补偿角的选取是关键。能量流动中有功功率的确定是配置储能单元额定储能量的前提,同时也是控制单元实现和执行补偿策略的理论依据。Matlab的仿真结果证明了以上结论。     

SVC与STATCOM的综合比较分析

静止无功补偿器(SVC)和静止同步补偿器(STATCOM)都是无功补偿的重要装置,在输出特性、损耗、响应时间、谐振、谐波、控制方法、价格等方面对两者进行详细的比较分析,指出STATCOM作为一种新型的无功补偿装置比传统的SVC具有损耗小、响应速度快、不产生谐振、谐波含量少、能在一定范围内提供有功功率等优点。但STATCOM控制较复杂,且成本较高,在实际应用中应根据电网的具体要求选择或综合配置。     

考虑补偿策略的动态电压恢复器补偿量检测方法

电压补偿量的检测是影响动态电压恢复器(DVR)实时性和补偿精度的关键环节。为了进一步提高DVR的补偿性能,针对用户对补偿策略选取的不同,通过引入目标电压函数,提出改进d-q变换法对电压补偿量进行检测。该方法考虑到电压相位跳变、衰减直流分量、谐波和三相不对称等复杂情况的存在,可以对系统电压跌落的起止时刻、跌落幅值和相位跳变角实时检测,并结合补偿策略直接检测出需要的电压补偿量。通过仿真分析对所提方法的正确性及应用于DVR中的有效性进行了验证。     

解决超调问题的220kV变电站无功配置方法

针对220 kV变电站单组补偿容量配置偏大、感性与动态无功补偿缺乏引起的电压调控困难问题,提出了220 kV变电站离散与连续相结合的综合无功补偿方案,由一组直接式静止同步补偿器(static synchronous compensator,STATCOM)和采用开关柔性控制技术的并联电容器组组成补偿系统。首先构建了变电站无功补偿调压估算模型和指标——无功超调率,该指标揭示了当前变电站无功补偿配置组数有限和单组容量不宜过大之间的矛盾,使得220 kV变电站采用所提的新型补偿方案成为了解决受端系统的稳态电压控制的精度和暂态电压稳定的超调问题的根本出路。算例表明紧急状态下所提方案能给电网提供有效的动态电压支撑。     

不平衡补偿时静止同步补偿器的分相控制

通过分析不平衡补偿时补偿器输出电压与补偿电流的关系,并利用三相三线系统中没有零序电流通道的特点,证明了通过向补偿器三相输出电压中加入零序分量,能够达到使其输出电压幅值相同的目的。基于此原理,提出一种配网静止同步补偿器在不平衡补偿时的分相控制方法。该控制方法以各相无功功率为零作为控制目标,在保持调制比相同的情况下通过调节补偿器各相输出电压相对于系统电压的相角差δ来调节各相的输出电流,实现了补偿器的分相控制。通过分析说明了采用该控制方法的系统达到稳态时,电网电流三相平衡且功率因数为1,达到了无功补偿和负载功率平衡的目的。利用Matlab对分相控制方法进行仿真,仿真结果验证了该控制方法的正确性和有效性。     

DVR的不平衡浪涌和过电压控制

讨论无串联隔离变压器的动态电压调节器(DVR)在不平衡电压浪涌或过电压情况下的补偿问题。使用不可控整流为直流侧电容充电的DVR,在补偿时只允许其向系统注入有功功率。在浪涌或过电压发生时,DVR可能发生从系统吸收有功功率的情况,如果仍然使用传统的同相或相位不变电压注入控制方法,将导致直流侧电容电压迅速升高,可能损坏开关器件或储能单元。利用最小能量补偿控制方法也不能完全解决该问题,因而提出一种单向功率流动控制算法。该算法通过将参考电压旋转一定的角度,使DVR无论在3相平衡与不平衡浪涌或过电压的情况下,都不从配电系统吸收有功,同时能将负荷电压补偿为3相平衡且达到正弦的额定值。该算法加入对DVR最大补偿极限的考虑,以确保注入补偿电压不超过DVR的补偿极限。文中对直流母线电压不可避免的泵升问题提出了缓冲控制策略。最后,仿真结果验证了算法的正确性及有效性。     

FACTS装置在风电场中的无功补偿原理与仿真

分析风电场并网运行存在的无功补偿及电压稳定问题的产生机理,在固定电容器组作为一种传统的无功补偿方法逐渐显现弊端时,将柔性交流输电系统(FACTS)设备运用到风电场以提高其运行的稳定性。以恒速恒频异步风力发电机为研究对象,采用变桨距控制方式。以Matlab/Simulink为平台,实现风电场的电气输电系统、各种风速的建模。在各种风速扰动和电网故障的情况下,分别对加入静止无功补偿器和静止同步补偿器的风电场进行仿真,得到的结果可以证明两者在风电场无功补偿方面的积极作用,并对两者的性能优劣进行对比。     

带谐波补偿功能的动态电压补偿器

根据传统静止坐标和d-q坐标关系推导出相应的静止坐标下的谐振控制器来检测出指定次数的谐波,应用这种静止坐标下的谐振控制器对指定次数的谐波电压进行闭环控制,简单地加到动态电压补偿器(dynamic voltage restorer, DVR)控制系统中以达到补偿谐波电压的目的,而对DVR的基本电压暂降补偿性能的影响很小,提高了DVR的效率。分析了该谐振控制器的幅频和相频特性,指出在将其加入DVR控制系统中进行谐波补偿时不会引起有功功率的流动,对直流侧能量的影响也较小。仿真验证了该控制器不会引起DVR直流侧的功率流向,并可消除绝大部分指定次数的谐波。     

Dynamic Reactive Power Compensation and Cost Analysis for Isolated Hybrid Power System

The wind-diesel-based isolated hybrid power system requires dynamic reactive power compensation for the fast recovery of voltage under load and input changes. Dynamic compensation techniques give a better voltage response but at a high cost; in contrast, the static compensator reduces the compensation cost by compromising on the voltage response. The use of, both, static as well as dynamic compensators together may give cost-effective reactive power compensation for predefined transient limits of voltage response. This paper presents the pricing of reactive power compensation under steady-state and dynamic conditions of a system with fixed capacitor (FC) and STATCOM. The main contributions of the paper are: (1) evaluation of reactive power compensation using FC as a static and STATCOM as a dynamic compensator, (2) fast recovery of voltage response using genetic algorithm-based tuning of the STATCOM controller's gain constant, (3) evaluation of reactive power compensation cost for steady and dynamic conditions due to change in load and/or input demand, and (4) comparison of responses obtained for the optimized case with a pre-existing reference compensation method.     

基于Park变换的UPQC检测方法研究

介绍了一种综合型的电能质量补偿装置UPQC的功能和结构,分析了它的检测方法与单独的串、并联有源滤波器的不同之处。在此基础上,提出利用瞬时无功功率理论中的Park变换法,分别提取三相不对称及畸变电压系统中基波正序的幅值和相角,并让电源参考电流跟踪基波正序电压的检测方法。该方法与现有的UPQC检测方法相比,简单易行,实时性好,避免了大量的相量计算,且无须对三相不对称及畸变电压进行锁相和滤波。仿真结果验证了这种方法的正确性。     

矿热炉混合无功补偿系统优化协调控制研究

为解决矿热炉给电网中其他用户带来的电能质量问题,尤其是电压跌落和电压闪变,提出了一种由FC、SVC和STATCOM组成的混合无功补偿系统。其中FC负责低层低成本无功补偿;SVC负责跟踪补偿无功功率变化,改善三相不平衡;STATCOM则通过快速响应来补偿SVC由于响应速度慢而导致的补偿误差,从而提高整个混合补偿系统的补偿精度。三者通过系统规则判断进行协调控制。对混合无功补偿系统进行仿真试验,分析对比了系统投入前后的电压波形,证明其补偿效果等效于等容量的STATCOM。