UPQC电路结构与功能分析

图7-25 UPQC电路结构及等效电路

图7-3中由共直流电容的两个背靠背连接的变流器组成的变流系统，既可像图7-3a、b所示置于输电线首端，作为电力系统统一潮流控制器UPFC或线间潮流控制器IPFC，又可像图7-3c或图7-25所示置于输配电线路末端或负荷处，作为负荷和电源统一（综合）电能质量控制器UPQC（Universal Power Quality Conditioner）或称为用户电力调节器UCPC（Universal Custom Power Conditioner）。图7-25b为统一电能质量控制器UPQC的单线等值电路图，图中省略了变压器的漏抗和励磁电流。通常负荷要求供电电压V_L为正弦基波额定电压V_R。但线路X_L末端节点A处电压V_s，通常含有谐波电压V_sh和基波电压V_s1，即V_s=V_s1+V_sh，且基波V_s1的有效值V_s1与负载所需的频定电压V_R（有效值V_R）有差别，V_s1=V_R+（V_s1-V_R）≠V_R。同时负荷电流i_L中，除基波电流i_L1外还含有谐波电流i_Lh。而基波电流i_L1（有效值I_L1）中除有基波有功电流i_LP（有效值I_LP）外，还有基波无功电流i_LQ（有效值I_LQ），即i_L=i_L1+i_Lh=i_LP+i_LQ+i_Lh。负荷电流i_L由交流发电机经升压变压器、输电线路、再经降压变压器和配电线路向B点负荷供电，负荷基波电流I_L1中的基波无功电流I_LQ流经变压器漏抗和线路电抗时会产生较大的基波电压降，使负荷基波电压偏离其额定值V_R，而负荷谐波电流i_Lh流经线路电抗、变压器漏抗和发电机绕组时又引起谐波电压降，即使发电机电动势为标准基波正弦电压，也会因谐波电压降而使负荷电压中有谐波电压分量V_sh。对负荷供电的基波电压V_S1偏离其额定值V_R，负荷又承受谐波电压V_sh，会恶化负荷的安全、经济、高效、优质运行。而发电机、变压器、输电线路电流中的无功电流和谐波电流，又会恶化发电机、变压器和输配电线路的安全、经济、高效、优质运行。为此应对负荷无功电流、谐波电流和谐波电压所引起的供电电压品质问题进行补偿控制。在电力系统中，采用单一的电压调节器，单一的无源或有源电力滤波器治理谐波改善电能质量也是可行的，但图7-25a所示的统一（综合）电能质量控制器可统一的从根本上治理谐波电压，谐波电流和无功电流，优化负荷的供电质量，优化电力系统发电，使输配电设备的安全、经济、高效优质运行。

1.变流器Ⅰ输出串联补偿电压V_C

图7-25b中线路末端A点电源电压V_s=V_s1+V_sh，变流器Ⅰ的输出经变压器TP1向线路串联注入一个补偿电压V_C（V_CA、V_CB、V_CC），电源电压V_s与补偿电压V_C之差值对负荷供电，负荷电压V_L=V_s-V_C。如果对变流器Ⅰ进行控制，使其输出的补偿电压V_C=V_C1（补偿基波）+V_ch（补偿谐波），令其基波补偿电压V_C1=V_s1（电源基波）-V_R（额定电压），令其谐波补偿电压V_ch与电源的谐波电压V_sh大小相等，方向相反，V_ch抵消V_Lh，则经V_s补偿后负荷电压V_L为：

V_L=V_s-V_C=V_s1+V_sh-（V_s1-V_R+V_ch）=V_R，有效值V_L=V_R（额定电压） （7-22A）

即经串联电压V_C补偿后，负荷的供电电压不再含有谐波电压V_sh，且其基波电压有效值V_L=V_R，改善了负荷的供电质量问题。

图7-25b中电源电压V_s的基波电压有效值V_s1，偏离其额定值V_R的偏差为ΔV=V_s1-V_R，定义电源基波电压V_s1的电压补偿系数为

k=ΔV/V_s1=（V_s1-V_R）/V_s1 （7-22B）

则基波补偿电压为

V_C1=ΔV=（V_s1-V_R）=KV_s1 （7-22C）

2.变流器Ⅱ输出并联补偿电流i_C(www.xing528.com)

图7-25b中，负荷电流i_L=i_LP+i_LQ+i_Lh，若变流器Ⅱ向负荷点B输出的并联补偿电流i_C为i_C=i_CP+i_LQ+i_Lh，i_CP为基波有功电流，i_LQ，i_Lh为负荷无功电流和负荷谐波电流，则线路流入负荷节点B的电流i_s=i_L（负荷电流）-i_C=i_LP+i_LQ+i_Lh-（i_CP+i_LP+i_Lh）=I_LP-I_CP，i_s仅为基波有功电流，其有效值I_s=I_LP-I_CP，经i_C补偿后线路电流i_s中既无负荷基波无功电流I_LQ，又无负荷谐波电流i_Lh。变流器Ⅱ除补偿了负荷全部无功电流I_LQ和谐波电流i_Lh外还向负荷B点输出有功电流I_CP。当电源电压基波V_s1高于V_R时，式（7-22C）中基波补偿电压V_C1=V_s1^-VR=kV_s1>0，k为正值。图7-25b中，经补偿后线路电流I_s仅为基波有功电流，经变压器PT1注入变流器Ⅰ的有功功率P_C=V_C1I_s=kV_s1I_s，如果忽略变压器和变流器的损耗，则P_C送入变流器Ⅰ整流，再经变流器Ⅱ逆变后经变压器Ⅱ将有功电流I_CP注入负荷点电压V_R，即P_C=kV_s1I_s=I_CPV_R，由此得到

I_CP=kV_s1I_s/V_R（7-23）

忽略变压器、变流器功耗时，电源基波电压V_s1与线路基波电流I_s的功率P_s=V_s1I_s应等于负荷有功功率P_L=I_LPV_R，即

V_s1I_s=I_LPVR，I_s=ILP VR/V_s1（7_-24）

由式（7-23）、式（7-24）可得到基波补偿电流为

经变流器Ⅱ输出并联补偿电流i_C后，有

I_s=i_L^-iC=I_LP-I_CP=（1-k）I_LP<I_LP （7-26）

因此经并联补偿负荷电流后交流电源线路电流i_s中既无谐波电流i_Lh，又无无功电流i_LQ，i_s仅为与负荷有功电流成正比的正弦基波有功电流I_s=（1-k）I_LP，功率因数为1。优化了负荷的供电质量，同时又优化了发电机、变压器和线路的运行工况。

如果图7-25b中电网A点基波电压V_s1低于额定电压V_R，则图中补偿的基波电压V_C1应改变方向为负值，这时补偿系数k=（V_s1-V_R）/V_s1为负值，图7-25b中的V_C、P_C、I_CP均反向，I_s=（1-k）I_LP>I_LP。