PV-BESS集成統一電能質量調節器協調控制策略研究

李凱，倪福銀，李博

（江蘇理工學院電氣信息工程學院，江蘇常州 213001）

隨著電力行業的不斷發展，電能質量問題備受關注。與傳統的電力負荷相比，由電力電子設備組成的新一代配電系統對電能質量的要求越來越高，電能質量成為一個不容忽視的問題[1-2]。為此，出現了各種電能質量補償器，如有源電力濾波器（APF）、靜態同步補償器（STATCOM）、統一電能質量調節器（UPQC）等。其中，UPQC 作為綜合性的電能質量治理裝置，集動態電壓恢復、無功補償、消除電壓和電流中的諧波等多種功能于一體，是解決電網側與用戶側電能質量問題的理想設備之一[3]。

為了控制UPQC，大量文獻提出了多種不同的控制方法，包括UPQC-P[4-5]、UPQC-Q[6]以及被稱為UPQC-VAmin[7]的最小容量控制方法。然而，UPQC-P策略需要并聯補償器（PC）的更大額定功率，而UPQC-Q策略需要串聯補償器（SC）的更大額定功率，UPQC-VAmin策略只能降低VC模式下的補償器額定值。因此，為了降低UPQC的總體補償器額定值并提高利用率，一些學者[8-11]提出了協調控制策略，以協調串聯和并聯側補償器；但隨著電壓暫降深度的加大，串聯側和并聯側的更高有功功率交換使得整體額定功率快速增加。Lu等人[12]提出了一種新的UPQC，在串聯側的LC濾波器與一個外部電容器相耦合，從而使容量優化效果在電壓暫降深度較低的情況下更為顯著；然而，對于其在不同的電壓暫降深度和功率因數下所體現的優勢，仍需要進行深入和系統的研究。

目前，傳統的UPQC 存在直流側儲能不足和補償性能差的問題，限制了UPQC 的使用和發展。一些學者[13-14]提出在直流側上增加分布式發電單元，以解決UPQC 補償效率低等問題。還有一些學者[15-17]提出了一種集成太陽能光伏PV 的UPQC，以產生清潔能源并改善電能質量問題。在這種情況下，儲能系統如BESS 可以與PV-UPQC連接，它可以成為持續向負載提供實際電力的重要支持。當UPQC 以獨立模式運行時，BESS 對可再生能源系統是必要的保障[18-20]。

由此可見，如何降低UPQC串聯和并聯補償器的額定功率，并提高系統在嚴重電壓暫降時的補償性能，是目前UPQC應用中亟待解決的問題。因此，本文首先分析了在串聯側耦合外部電容器的PV-BESSUPQC拓撲結構，提出一種PV-BESS集成UPQC的協調控制策略；然后，分析了UPQC串并聯側和PV-BESS側的控制策略，并降低了UPQC串并聯側額定功率值，以提高直流側的穩定性和補償能力；最后，通過仿真驗證了所提策略的正確性和有效性。

1 PV-BESS 集成UPQC 的拓撲結構和工作原理

UPQC 的結構主要由一個串聯型有源濾波器（Series Active Power Filter，SAPF）和一個并聯型有源濾波器（Parallel Active Power Filter，PAPF）組成，其中，串聯部分增加了耦合電容器[12]。PV-BESS集成UPQC的拓撲結構在此基礎上增加了Boost變換器和光伏陣列，其結構如圖1所示。

圖1 PV-BESS集成UPQC的拓撲結構

如圖2所示，為傳統UPQC工作相量圖。如圖2（a）所示在電網電壓正常條件下，電源電壓Us被視為參考相量，Us′、UL′和IL

′分別表示UPQCSe補償后的電網電壓、負載電壓和電流。UPQCSe輸出的無功功率為：

其中：θ 是負載功率因數角，α 是UPQCSe補償后電源電壓US和負載電壓UL之間的相位差[7]。

如圖2（b）所示，在電壓暫降條件下，UPQCSe輸出的有功功率和電壓為：

其中：ksag定義為電壓暫降深度，根據式（2），當1-ksag>cos θ 時，UPQCSe的有功功率輸出可以控制為0；當1-ksag＜cos θ 時，PSe＞0，通過增加α，可以降低UPQCSe輸出所需的有功功率。

在兩個條件下UPQCSe輸出電壓的表達式為：

根據式（1）至式（4），只要α ＜θ，隨著α 的值不斷增大，在無功功率補償（RPC）模式下可以提高串聯部分的無功功率共享能力，在電壓波動補償（VC）模式下可以減少串聯部分和并聯部分之間的有功功率交換，從而減少并聯部分的容量需求。同時，UPQCSe的輸出電壓隨著α 的增加而變大，這將導致對容量有更高需求。

2 PV-BESS 集成UPQC 協調控制策略研究

本文研究了所提出的UPQC在RPC模式和VC模式下的協調控制原理和容量優化機制，并與傳統策略進行性能比較。具體而言，為了降低UPQC額定功率，所提出的協調控制策略當電壓正常時，需要在RPC模式下使串聯側對并聯側補償部分無功功率；當電壓暫降時，在VC 模式下對并聯側與串聯側協調控制，以有效擴展串聯側的最佳運行范圍。

2.1 電壓正常狀態下UPQC的無功功率補償模式

如圖3所示，為RPC模式下UPQC的工作原理和相量圖。串聯側和并聯側通過注入電壓和電流與系統進行功率交換。對于串聯單元，串聯耦合電容器CS可以提供所需很大比例的輸出電壓USe，從圖3 可以得出：電壓矢量USe等于電壓矢量Uconv與UCS之和。同時，并聯側進行了無功功率輸出以及與串聯側之間必要的有功功率交換。在整個無功補償期間，UL和IL的幅值保持恒定，US的相位角與IS相同。如圖4 所示，為RPC 模式下的功率流動圖。負載無功功率補償由串聯側和并聯側承擔。QL的很大一部分由串聯耦合電容器CS提供，定義為QCS1，其余部分由UPQCSe和UPQCSh輸出，分別定義為Qconv1和QSh1。根據圖3，可以得到QSe1的表達式為：

圖3 UPQC在RPC模式下的工作相量圖

圖4 PRC模式下的功率流動圖

基于UL、USe和US′之間的關系，USe的大小和相位角表示為：

此外，由于串聯側吸收的有功功率與RPC 模式下并聯側輸出的有功功率相同，因此，可以得到：

其中：PSh1、PSe1分別是并聯側和串聯側輸出的有功功率；SSh1是并聯側的視在功率?；贗Sh1、IS′和IL之間的關系，ISh和US之間的相角φ 表示為：

在UPQCSe和串聯耦合電容器CS之間協調之后，UPQC 串聯側的視在功率Sconv1和Uconv1可以表示為：

如圖5 所示，為USe、Uconv1、SSh和QL曲線圖。根據圖5：當串聯側上共享的負載無功功率從0.3增加到0.7 時，XCS的值為0.5 pu，負載功率因數為0.7；并聯側的額定功率隨著UPQCSe共享負載無功功率的增加而逐漸降低。此外，從圖5 中Uconv1和USe的線條可以看出，UPQCSc的額定電壓幾乎是整個串聯部分的一半（USe可以表示傳統UPQCSe的額定電壓，采用UPQC-S策略）。因此，所提出的UPQC 策略不僅能提高UPQCSe的利用率，而且還降低了總體額定功率需求。

圖5 RPC模式下UPQC的電壓和額定功率

2.2 電壓暫降狀態下UPQC的電壓波動補償模式

一般來說，當電壓暫降發生時，有功功率可以通過并聯補償器吸收或產生，以維持直流母線的穩定性和光伏陣列的輸出功率；然而，隨著電壓跌落深度的增加，流經串聯補償器的電流也迅速增加，在這種情況下，由于串聯補償器的電流限制，使得電壓補償能力也受到限制。因此，有源電流由PV-BESS-UPQC 進行協調控制，從而提高電壓暫降發生時的補償能力。

VC模式下UPQC的主要目標是保持負載側電壓的幅值恒定。在此期間，串聯部分所需的有功功率越小，UPQCSe和UPQCSh之間的功率交換越小。在UPQCSe和UPQCSh間沒有功率交換的情況下，可以有效降低兩者的功率水平要求。當1-ksag＜cos θ 時，可以根據式（2）的UPQCSe調節UPQCSh下游的功率因數角來實現系統最優運行。在此重點分析協調控制期間UPQCSe和UPQCSh之間的能量流關系，并討論UPQC協調控制的嚴重電壓暫降補償功能。

圖6 為VC 模式下UPQC 的工作原理和電壓相量圖。圖中并聯部分吸收感應無功功率，并通過對Uconv、UCS和US′的矢量疊加,保持負載電壓UL的幅值恒定。此外，由于USe和UCS垂直于IS′, 基于基爾霍夫電壓定律（KVL），Uconv的相位角將與UCS的相位角相同。

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圖6 UPQC進行電壓波動補償的相量圖

同樣，假設電網側的輸出有功功率在VC模式期間是恒定的，即，由此得到：

其中：UL′的振幅和US′分別等于1 pu 和(1-ksag)pu。根據圖6，UL′cosa=US′，USe的大小和相位角可表示為：

如圖7 所示，在嚴重的電壓暫降情況下，根據電壓跌落程度，對所提出的UPQC系統功率流動進行分析。如圖7（a），當PL=0 時，所有由光伏陣列所產生的能量都在電壓跌落前被輸送到電網中。當電壓跌落發生時，電網電流IS′在增加。如果IS′沒有達到串聯補償器的上限電流ISh,max，則光伏陣列仍然工作在最大功率點上，并且不改變已經輸送到電網的功率；然而，如果IS′>ISh,max，并聯補償器產生的功率受到限制，則功率平衡被打破。此刻，額外的有功功率被儲存在直流母線中，這將導致直流母線的電壓上升以及光伏輸出功率下降。在Udc＜Udc,max情況下，通過從光伏陣列中吸收部分輸出功率，實現了功率平衡，增強了系統的補償能力。

圖7 電壓暫降情況下UPQC的功率流動分析

如圖7（b）＜、圖7（c）分別為當PL＜PPV和PL>PPV時，在嚴重電壓跌落情況下系統的有功功率流動。當PL＜PPV時，光伏陣列產生的部分能量被輸送到電網，另一部分被輸送到負載；而當PL>PPV時，所有從光伏陣列和電網產生的能量都被輸送給了負載。如上所述，當電壓跌落發生時，電網電流增加。如果IS′＜ISh,max，則光伏陣列仍然工作在最大功率點；否則，并聯補償器的輸出功率會受到限制，直流母線電壓就會下降到能夠維持正常工作的最小值以下，使PV-BESS-UPQC 系統安全斷開。

根據式（17）、式（18）以及圖7（C）中VC模式下的無功功率流動分析，可以得到QSe2和QSh2的表達式為：

其中，變量以單位值的形式計算?；贗Sh與IS′、IL′之間的關系，ISh和US之間的相角φSh表示為：

經過UPQCSe和串聯耦合電容器CS之間的協調，UPQCSe的視在功率Sconv2和Uconv可以表示為：

SUPQC2可以表示為：電壓上升階段參考值的計算方法與本文描述的電壓暫降情況類似，在此不再重復。

圖8 不同工況下三種方案的總補償器容量對比圖

3 PV-BESS 集成的UPQC 各單元控制策略

3.1 UPQC串并聯單元的控制策略

如圖9、圖10 所示，分別為UPQC 串聯和并聯補償器的控制策略圖。圖中，L1和L2分別是串聯和并聯補償器的輸出濾波電感。串聯補償器用于穩定負載電壓，當電壓波動發生時，通過注入具有相同頻率、相同相位或相反相位的一定振幅的電壓對系統進行補償，串聯補償器控制為電壓源。u*seabc是由式（7）和式（11）得出的三相坐標系中串聯補償器補償電壓的參考值，經Park 變換后得出dq 坐標系中的補償電壓u*sed、u*seq。通過PI 控制u*sed、u*seq和used、useq之間的差值，實現對p 軸和q軸的解耦控制。used和useq作為前饋補償加入到UPQCSe控制環節，實現裝置的快速切換與響應。

圖9 UPQC串聯補償器的控制策略

圖10 UPQC并聯補償器的控制策略

并聯補償器負責補償電流諧波和無功功率，以減少對電網的污染，并聯補償器被控制為電流源。UPQCSh參考電流信號i*sha，i*shb和i*shc被轉換以獲得dq 坐標系中的參考電流信號i*shd和i*shq。同樣，UPQCSh在其控制中也加入了前饋補償。

3.2 UPQC中PV-BESS單元的控制策略

如圖11 所示，為PV-BESS 單元拓樸結構圖。PV-BESS 配置包括PV 陣列、BESS、Boost 轉換器、Buck/Boost 轉換器。BESS 與利用Buck/Boost 轉換器的直流側電容器相連接，從而改善了UPQC的穩定性，并且能夠補償電能質量問題。BESS單元通過連接到UPQC 直流母線的雙向Buck/Boost 轉換器進行充電和放電。當T2斷開T3開啟時，其處于降壓電路模式，電源為儲能單元充電；當T3 斷開T2 開啟時其處于升壓電路模式，PV-BESS 單元釋放多余的能量來滿足系統負載要求。在正常工作條件下，UPQC 并聯補償器可以改變其輸出電流，以增加電源電流，從而使電源產生更多的有功功率，為BESS單元充電。

圖11 PV-BESS單元拓撲結構圖

如圖12 所示，為PV 中DC-DC 升壓轉換器控制器方案。光伏陣列的輸出功率PPV是由控制器所控制的DC-DC 升壓轉換器提升的。DC-DC 升壓轉換器的控制器通過獲得直流電壓誤差udcerror來運行。電壓誤差通過比較給定的參考電壓uref（800 V）來計算，參考電壓與DC-DC 升壓轉換器輸出的瞬時直流電壓udc相匹配。然而，當電池的充電狀態超過或等于電池容量SOCBESS的98%時，為了防止電池過充和不穩定，DC-DC 升壓轉換器的控制器將切斷光伏陣列系統的輸出功率PPV。此外，由于過度充電，電池的使用壽命也會減少。

圖12 PV中DC-DC升壓轉換器控制器方案

如圖13 所示，為用于充電和放電模式的雙向轉換器降壓/升壓DC-DC控制器。它包含嵌入式內部控制回路和外部控制回路。DC直流電壓參考值uref和實際輸出直流電壓udc之間的差值由PI控制器產生，得到內部回路的電流參考值iBESSref。iBESSref和實際電流iBESS之間的差值由PI控制器實現，生成DC/DC轉換器的調制信號，而不需要差值控制，最終達到穩定DC直流電壓和調節功率輸出的目的。

圖13 BESS中DC-DC降壓-升壓轉換器控制器方案

4 仿真分析

為了驗證所提出的PV-BESS-UPQC 和協調控制策略的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink 中建立了三相UPQC 仿真模型進行分析。如表1 所示，為PV-BESS-UPQC 的相關仿真參數設置。

表1 UPQC仿真模型主要參數

4.1 仿真算例1

為驗證本文提出的協調控制策略，仿真設置為2 s 時，電源電壓的幅值發生20%（60 V）暫降。如圖14、圖15 波形圖顯示：2 s 前電源電壓為正常穩態，UPQC 在2 s 前工作在無功功率補償模式，UL和US的振幅相同，通過UPQCSe和UPQCSh之間的協調，可以清楚地看到US與IS處于同一相位。如圖16 所示，并聯側所需的輸出補償電流ISh從10.28 A降低到5.30 A，這是由于串聯側可提供一半的負載無功功率。如圖17 波形圖顯示，盡管在共享無功功率后USe非常大，這與UPQC-Q（161.2 V，0.52 pu）相同，但由于耦合電容器CS的存在，使Uconv的振幅保持在一個小值（46.5 V，0.15 pu）。因此，基于所提協調控制策略的UPQC，可以同時減少串聯側和并聯側的容量。

圖14 電壓暫降狀態下US 和UL 波形

圖15 電壓暫降狀態下US 和IS 波形

圖16 電壓暫降狀態下IL 和ISh 波形

圖17 電壓暫降狀態下USe 和Uconv 波形

對于2s 后電壓波動補償階段，考慮到凹陷深度滿足限制1-ksag＜cosφ，根據式（11），操作參數α和φ分別計算為36.87°和53.12°。如圖14 所示，通過UPQCSe和UPQCSh之間的協調，使UL的振幅不受電網電壓驟降的影響。如圖17 所示，盡管USe非常大（186.1 V，0.6 pu），但由于存在共享大部分補償電壓的耦合電容器CS，因此，Uconv的振幅仍保持在較小的值（27.6 V，0.089 pu）。此外，從如圖16所示的ISh可知，由于IS幅值的增加導致耦合電容器輸出無功功率的增加，因此，并聯部分需要提供的無功功率減小到較小的值（0.25 pu）。

如圖18、圖19 所示，為系統中各單元的有功功率和無功功率仿真波形。當電源電壓正常工作時，向負載提供全部有功功率8.66 kW，串聯單元和并聯單元向負載提供所有的無功功率8.66 kVar。2 s 后，當電源電壓發生跌落時，電源提供的有功功率下降到6.93 kW，有功功率的差值1.73 kW 由PV-BESS 單元提供給負載。同時，串聯單元吸收的有功功率下降到3.34 kW，串聯單元提供的無功功率增加到6.29 kVar。根據上述仿真數據，驗證了本文提出的協調控制策略下UPQC 的無功補償能力以及串聯側與并聯側功率協調的有效性。

圖18 電壓暫降狀態下各單元有功功率波形

圖19 電壓暫降狀態下各單元無功功率波形

4.2 仿真算例2

為進一步驗證當電源電壓完全跌落時，本文所提協調控制策略下PV-BESS-UPQC 為負載持續供電的功能，設置仿真為2 s時，電源發生開路，電源電壓下降為0。如圖20、圖21 和圖22 所示，為系統仿真結果。在電源電壓下降到0的特殊情況下，串聯補償器將負載電壓補償到額定值，振幅為310.27 V，它確保了對負載的不間斷供電。圖21 顯示，當電壓完全跌落時，饋線的電流大小保持不變。

圖20 電壓完全跌落狀態下US 和UL 波形

圖21 電壓完全跌落狀態下US 和IS 波形

圖22 電壓完全跌落狀態下IL 和ISh 波形

如圖23 所示，為電壓完全跌落下的有功功率和無功功率波形。當電源電壓正常時，電源承擔了8.66 kW負載的全部有功功率，串聯補償器和并聯補償器共同承擔8.66 kVar的無功功率。當電源電壓跌落為0 的極端情況發生時，PV-BESS 裝置提供了負載的全部有功功率，此時，負載無功功率由串聯補償器承擔，從而實現串并聯補償器、PVBESS單元的功率協調分配。

圖23 電壓完全跌落下有功功率和無功功率波形

5 結語

本文針對現有UPQC 中串聯和并聯補償器額定功率難以同時優化，以及系統直流側在嚴重電壓跌落條件下存在補償性能差的問題，研究了一種PV-BESS集成的UPQC及其協調控制策略。通過協調控制UPQC 串聯側、并聯側和PV-BESS 側的功率，有效降低了UPQC串聯和并聯補償器的額定功率值。通過分析UPQC 串并聯單元和PVBESS單元的控制策略，提高了系統嚴重電壓暫降時的補償性能。采用MATLAB/Simulink 建立仿真模型，以驗證該方案的有效性。仿真結果表明：所提出的PV-BESS-UPQC 系統能夠緩解電壓波動、負載諧波和無功功率，從而解決了出現電壓暫降時的電能質量問題，并能在電網穩定運行的情況下產生光伏。