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J控制自动电气系统（2017）28：123-134
DOI 10.1007 / s40313-016-0276-9
无变压器通用电力的建模与控制质量调节器（TUn PQC）：有效的电源解决方案
配电系统质量提升
K. Venkatraman1 · S. Moorthi1 · M. P. Selvan1
收到日期：2016年1月8日/修订日期：2016年8月30日/接受日期：2016年9月5日/网络发布：2016年9月14日copy;巴西自动化学会 - SBA 2016
摘要本文介绍了一种定义功率器件，称为无变压器通用电力质量调节器（TUnPQC），用于三相系统中的负载补偿应用。 TUnPQC由并联和串联补偿器组成，没有公共直流链路。分流补偿器被称为分布式静态补偿器（DSTATCOM）消除了来自非线性负载的电流谐波。系统补偿器也是未知的无变压器动态电压恢复器，消除了电压相关的电源质量问题，而无需使用任何注入变压器。推荐的配置适用于尺寸和重量是关键决定性因素的应用。用于产生脉冲的系统的开关电路（TUnPQCutilizesthediscisc模拟）。 TUnPQC连接系统的功能通过MATLAB / Simulink进行分析和测试。结果表明，TUnPQC在减轻电压骤降/膨胀的影响方面的有效性以及抑制负载电流谐波。
关键字Powerquality·DSTATCOM·TDVR·TUnPQC符号列表。
Vs 源电压
Is 源电流
Vl 负载电压
Il 负载电流
Vt 端子电压
Rs 馈线电阻
Ls 馈线电感
Vse 串联补偿器注入电压
Re 系列补偿器的接地电阻
Le 系列补偿器的接口电感
Cdce 串联补偿器的直流电容
Vdce 串联补偿器的直流母线电压
Iht 分流补偿器注入电流
Rh 分流补偿器的接地电阻
Lh 分流补偿器的接地电感
Ch 分路补偿器的接口电容
Cdch 分流补偿器的直流电容
Vdch 分流补偿器的直流母线电压
R1 线性负载电阻
L1 线性负载的电感
Rnl 非线性负载电阻
Lnl 非线性负载电感
B K. Venkatraman
S. Moorthi
M. P. Selvan
国立理工学院电气与电子工程系，Tiruchirappalli 620015，印度
1介绍
电力负载与电力电子电路的应用增加了家庭，商业和工业部门的增长。 这些负载表现出非线性行为，从而通过强制电网电流为非正弦波来产生与电流有关的电力质量（PQ）问题。 这种失真的电网电流会增加电源线路损耗，并导致公共耦合点（PCC）处的电压失真。其他电压包括电压，电压骤降和由于负载或电容器组开关引起的膨胀，电压骤升和电压不平衡，这降低了敏感负载的性能，如计算机，电机，自动化设备和微处理器驱动控制器，连接到配电系统。（Ostroznik等人，2010; de Araujo Ribeiro等人2012）。
技术，例如自主设备（CPD）已经出现，以提供对上述PQ问题的保护。 CPD主要分为三类：称为分配静态补偿器（DSTATCOM）的分流式补偿器，称为动态电压恢复器（DVR）的串联补偿器以及称为统一电力质量调节器的并联和串联补偿器的组合 （UPQC）（Ghosh和Ledwich 2002）。
ADSTATCOM负责电流的调制和反应组件，使源电流平衡，正弦和同相与终端电压（Singh等人2014; Kumar和Mishra 2014; Arya和Singh 2013）。 DVR调节负载电压，在供电电压（Kanjiyaetal.2013; MoradlouandKarshenas 2011; Jayaprakash等人2014）; Naidu和Fernandes 2009）中进行膨胀和谐波动。 UPQC是DSTATCOM和DVR的融合，是一种多功能的设备，可以在负载下保持正弦谐波自由电压，消除源流，负载平衡和功率因数校正的谐波（Khadkikar 2012; Brenna等人，2009）。
直流母线电容器的额定电压大大影响任何CPD的补偿性能。 一般来说，为了令人满意的补偿性能，DSTATCOM的直流母线电压必须要比相电压的峰值高得多。 DVR可以根据电压骤降/膨胀的百分比进行额定。 大多数电压骤降在额定电压的10-20％的水平上发生（Teke等人，2013）。 传统的UPQC采用DSTATCOM和DVR的公共直流链路，从而实现对VRV的转换。此外，传统的UPQC中的DVR使用串联注入变压器进行电压补偿，从而增加系统的体积，成本，重量和损耗（Karanki et al。2013; Santos et al。2014 ）。
本文提出了无变压器通用电力质量调节器（TUnPQC），无需通用直流母线的串联和并联补偿器的组合。 所提出的拓扑结构的串联补偿器，也称为无变压器动态电压恢复器（TDVR），（Li et al。2002; Kumar and Mishra 2015）acapacitoris连接在电池和负载之间，可以令人满意地减轻电压干扰，并在负载端保持恒定电压 。 类似地，分流补偿器，称为DSTATCOM，充分减轻当前相关的PQ问题，并将源电流维持为正弦波，并与PCC电压同相。详细的仿真结果表明后续检测是降低了系统的有效性。
2 TUnPQC配置
图1显示了分布式网络中TUnPQC的功率电路，用于分析各种问题。其中，vsa，vsb和vsc分别是相a，b和c相的源电压。类似地，vta，vtb和vtc是终端电压。通过TDVR的注入电压分别表示为阶段a，b和c中的vsea，vseb和vsec。三相源电流由isa，isb和isc表示，负载电流由ila，ilb和ilc表示。 Ls和Rs分别表示馈电电感和电阻。三相分流补偿电流由ihta，ihtb和ihtc表示。分流补偿器的接口电感，电阻，电容，直流电容和直流电压分别由Lh，Rh，Ch，Cdch和Vdch表示。同样，Le，Re，Cse，Cdce和Vdce分别代表了串联电感，电阻，串联电容，DC电容和DC电压的串联补偿器。负载的线性和非线性负载。线性负载的电阻和电感Rla，Lla相位a; R1b，Llb为相-B; R1c，Llc分别为phase-c。 Rnl和Lnl分别表示非线性负载的电阻和电感。
TUnPQC的单相等效电路如图2所示。用于获取切换策略。 串联补偿器（u1）和分流补偿器（u2）的开关控制变量的计算如下。
2.1 TDVR电压控制法的生成
电流互感器，即串联电容器的电压vse，被视为图1所示TDVR等效电路中的状态变量。 系统动力学由以下微分方程给出：
如图所示。 2，（1）也可以表示为
（2）和（3）的矩阵表示如下：
图1提出的TUnPQC连接系统示意图
图 2 TUn PQC的单相等效电路
这里
（4）给出了具有已知初始值x（to）的计算向量x（t）的（g）
如（7）所示，通过代替t0 = kTd和t =（k 1）Td（Nagrath和Gopal 1982）获得连续状态的等价离散解。
图3串联补偿器的每相控制方案
在（7）中，k和Td分别表示第k个样本采样周期。 在连续采样期间，z（tau;）的值保持不变且不能超过z（k）。在简化和改变积分变量后，（7）可以写成（8）中给出。
进一步（8）可以表示为
其中发现矩阵G和H
图 4分流补偿器控制方案
图5 TUnPQC连接系统的Simulink模型
最后，从（4），（5）和（9）可以看出，离散时空域中考虑的系统的动力学如下
Asshownin（12），被注册的VSI参数Vdce，Cse，Re，Le和Td。 因此，必须仔细选择VSI参数。 令v * se为参考注入电压，选择成本函数，如（13）
将（12）的串联补偿器注入电压代入（13），
通过对上述等式对u1（k）进行微分，得到最小值
表1系统参数
零件 参数值
资源 Vs =230 V(ph-n), 50Hz
馈线阻抗 Zs =1 j0.628 /ph
DSTATCOM Vdch =520 V
Cdch =3000 micro;F,
Lh =20 mH/ph,Ch =10 micro;F/ph
TDVR Vdce =110 V
Cdce =3000 micro;F,
Le =5 mH/ph, Cse =30micro;F/ph
线性负载 Zla =30 j47.1 ,Zlb =50 j35 ,
Zlc =40 j42.39
RL型非线性负载
Rnl =175,Lnl =100 mH
PI控制器（DSTATCOM）
Kp =0.1,Ki =5
PI控制器（TDVR）
Kp =2times;10minus;6
Ki = 1times;10minus;5
抽样时间 20 micro;s
使用（15），在负载端实现预定电压所需的预测控制律由（16）
在（16）中，v * se（k 1）是未来的参考电压，为了令人满意的性能必须预测。 使用第（17）中表达的第二阶拉格朗日外推公式（Kukrer 1996），推算出该电压的一步。
术语v * se（k 1）对于宽范围的频率和无法满足的补偿性能是有效的（Rodriguez等人2007）。 一旦使用（17）预测将来的参考电压，则实施（16）中给出的预测电压控制定律以将负载电压维持在其参考值。 最后，将u1（k）转换为相应的VSI开关的ON / OFF切换命令。
图 6模拟结果无补偿。 源电流，b PCC电压，c源电流谐波谱（phase-a）
图 7谐波源电流补偿模拟结果。三相源电流，b注入电流，DSTATCOM的补偿d直流电压
2.2 DSTATCOM电流控制法的生成
与TDV相似，电流通过电感，ih和电容两端的电压作为状态变量，DSTATCOM的动力学如下：
上述等式的矩阵表示如下
- 的离散形式给出为
其中K和L是具有Td的采样时间的矩阵。对于小Td，矩阵G和H计算如下：
图 8电压下垂补偿的仿真结果。 a电源电压，b负载电压，c注入电压
最终，DSTATCOM在离散时间状态空间域中的动力学给出为
- ，而在（27）中给出的DSTATCOM的过程，u1（k）的过程将转化为开关策略u2（k）。
3代参考量
3.1参考电压的生成
串联补偿器的主要目的是注入三相电压，使负载电压保持平衡并具有稳定的电压扰动。 用于每相参考电压产生的控制策略如图1所示。 使用单相锁相环（PLL）获得同步角（omega;t）。 用于保持直流母线电压恒定和负载点功率平衡的负载角（delta;）是通过PI控制器通过参考电压和实际直流母线电压之间的误差来获得的。 一旦得到omega;t和delta;，参考负载电压计算如下：
其中Vl是电压参考负载电压，其被称为标称电压，即1.0p.u。 串联补偿器的参考注入电压如下：
其中v * se，v * l和vt分别表示参考注入电压，参考负载电压和端子电压。
图 9电压膨胀和直流电压补偿的仿真结果。 a源电压，b负载电压，c注入
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