【深度解析】柔性變壓器/統一電能質量調節器UPQC平臺建設方案

1. 背景

柔性變壓器（Flexible Transformer）是工頻電磁變壓器 + 電力電子變流器 + 數字閉環控制融合的新型配電 / 輸電裝備，突破傳統變壓器僅能固定變比、機械檔位調壓的局限，可毫秒級連續、分相、雙向調控電壓、無功、諧波、三相不平衡，適配高比例光伏、風電接入的新型電網。

統一電能質量調節器（Unified Power Quality Conditioner, UPQC） 是一種基于電力電子技術的電能質量治理裝置，主要用于綜合補償電網中的電壓和電流質量問題，保障敏感負載的穩定運行。

其核心功能是通過串聯變換器和并聯變換器的協同工作，實現對電壓暫降 / 暫升、諧波、無功功率、三相不平衡等問題的動態補償。

2.拓撲結構

圖2-1 主電路拓撲圖

整體拓撲采用“串聯+并聯”混合架構，以公共直流母線為核心紐帶，實現雙變流器協同工作，各部件連接關系與功能清晰，具體如下：

（1）串聯變換器

連接方式：串聯于電源與負載之間。

補償電壓暫降、暫升、諧波、相位偏移等電壓質量問題。

等效為一個可控電壓源，通過注入補償電壓維持負載端電壓穩定。

串聯變流器經輸入電感 L1、濾波電容 C1、串聯變壓器 Ts 串聯接入負載/電網端，稱為串聯變流器，由三相全控電路組成，采用高頻 PWM 控制技術，具有雙向四象限工作特性。

串聯變壓器可以是三相耦合的三相變壓器，也可以是三個獨立的單相變壓器組合，其原方串接在交流電網和負載之間，故稱為串聯變壓器，其付方（變流器側）采用具有中線引出的星型接法。

（2）并聯變換器

連接方式： 并聯于負載側。

補償諧波電流、無功功率、三相不平衡電流等電流質量問題。

等效為一個可控電流源，通過注入補償電流優化電網電流特性。

并聯變流器經輸出濾波電感 L2、濾波電容 C2 后并接在負載/電網端，稱為并聯變流器，采用三相四橋臂拓撲結構，采用高頻 PWM 控制技術，具有雙向四象限工作特性。

（3）公共直流母線

作為整個拓撲的“能量中樞”，連接串聯變流器與并聯變流器，配備中點接地式直流母線、儲能電容及低通濾波器，用于能量存儲與雙向交換，維持直流母線電壓穩定，為雙變流器協同工作提供能量支撐，同時可選配超級電容或電池儲能模塊，實現“源網荷儲一體化”，應對長時間斷電或深度電壓跌落場景；

（4）控制單元

DSP全數字控制芯片與智能監控模塊，連接所有核心部件，負責實時檢測、指令下發、協同控制，實現補償策略的自動調整，同時支持遠程診斷與能效分析，提升運維智能化水平

（5）電網側接口

接入380V/10kV不同電壓等級電網，負責采集電網輸入電壓、電流信號，為后續檢測與補償提供基礎，可適配長距離輸電、負載分散等復雜電網場景

（5）負載側接口

連接各類工業、商業負載，輸出經過精準補償的穩定電能，同時實時反饋負載運行狀態，便于UPQC動態調整補償策略，適配不同類型負載的運行需求；

3.硬件設計

圖3-1 硬件設計拓撲結構

二次側采集量

二次側控制量

4.控制策略

4.1 控制策略核心

控制策略核心在于協同控制串聯與并聯側變流器，同時補償電壓與電流類電能質量問題，串聯側以電壓外環+電流內環實現負載電壓穩壓與暫降/跌落補償； 并聯側以電流外環+電壓內環治理諧波、無功與三相不平衡 。 配合前饋控制（如負載電流、母線電壓前饋）提升動態響應。

并聯變流器作為基波正弦電流源運行，因此并聯變流器的控制是一種電流控制，通過控制并聯變流器三相輸入電流為三相平衡的正弦電流，且與電網輸入電壓相位同相，同時支撐直流母線。三相四線結構的并聯變流器相當于三個獨立的半橋電路組合，因此可以對變流器的三個橋臂分別進行獨立控制，從而可以實現相與相之間的補償功能，實現三相電流平衡。

串聯變流器作為基波正弦電壓源運行，因此并聯變流器的控制是一種電壓控制，通過控制其三相輸出電壓為對稱的額定正弦電壓，且與電網同相，從而實現柔性電力變壓器輸出電壓平衡。

4.2核心功能

(1)電壓等級變換

實現不同電壓等級間的電能傳輸與匹配，替代傳統變壓器的變壓功能。

(2)電能質量綜合治理

可實時補償電網電壓跌落、電壓諧波、三相不平衡等問題，有效抑制負載側擾動對電網的影響，提高供電質量。

(3)雙向功率傳輸

支持能量雙向流動，適配分布式電源（光伏、風電）、儲能、電動汽車等新型負荷接入，滿足有源配電網運行需求。

(4)快速動態響應

響應速度遠快于傳統變壓器，可在毫秒級內應對電網故障、負載突變等暫態過程，提升系統穩定性與抗擾能力。

(5)智能互聯與集成化

具備通信、監控、保護一體化特性，易于實現智能配電、柔性互聯、即插即用，是未來智能配電網與微電網的核心裝備。

4.3控制模型

圖4-1 整體模型

圖4-2 并聯控制策略拓撲

圖4-3 串聯控制策略拓撲

圖4-4 臺區互聯控制策略模塊

5.系統組成

配置組成：
1)快速原型控制器SP2000/SP6000/SP8000
2)YXPHM三相三橋臂全橋子模塊
3)YXPHM三相四橋臂全橋子模塊
4)串聯/并聯變壓器、旁路開關
5)組柜與配電
6)Simulink控制模型/DSP控制源代碼

7)高精度雙向直流電源/回饋式源載一體交流電源（選配）

5.1 快速原型控制器SP2000/SP6000/SP8000

研旭公司推出的YXSPACE產品系列，能夠將用戶設計的圖形化的高級語言編寫的控制算法（Simulink）轉換成DIDO、AIAO量，完成實際硬件控制。同時通過YX-VIEW監控組態軟件，對控制器進行實時監控，從而完成模型的調試與驗證。其基本控制框圖如下所示：

控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，將模型中的接口與硬件驅動接口綁定后，通過編譯工具產生可執行文件，下載至快速原型控制器中運行。對被控對象進行實際控制。

研旭快速原型控制器配套軟件YXSPACE-VIEW主要用于配置快速原型控制器外設的工作模式，同時可以實時監測控制過程中的各類運行量，包括采集量、中間控制變量等。另外此軟件集成了保護機制，用戶只需要設置硬件運行中的極限值，快速原型控制器就會按照此極限值進行實時判斷，一旦超過，快速原型控制器會自動停止運行，以達到保護后極功率電路的目的。

VIEW軟件中包含控制器設置以及組態區。其中控制器設置界面共有4類控制器設置，包括仿真步長設置，DO控制源設置，QEP/CAP模式設置，PWM模塊設置。

組態區主要包括功能按鈕、組態控件、工作區等。

在實際使用中，用戶只需用鼠標拖動各類控件，移至工作區當中，位置根據需求隨意放置。雙擊控件即可設置控件的地址號，這樣可完成控件與模型或者硬件的建立關系，操作及其簡便。

5.2 YXPHM三相三橋臂/三相四橋臂全橋子模塊

三相橋式全控型變流器在新能源變流器、電機控制、電能質量控制等應用中都非常廣泛，其主要由IGBT、二極管、IGBT驅動電路、CPU信號處理單元、繼電器、熔斷器、傳感器、散熱器、電容等組成。

三相三橋臂拓撲

三相四橋臂變流器在傳統三相三橋臂基礎上增加中性線橋臂，由功率開關器件構成，可實現交直流功率變換，核心是通過中性線橋臂主動控制零序分量。

其優勢顯著：能強效應對三相不平衡負載，即使單相滿載仍維持電壓對稱；可高效抑制 3 次、9 次等零序諧波，降低輸出電壓畸變率；控制自由度高，能獨立調節正序、負序、零序分量，適配新能源發電、微電網等復雜場景；還具備一定容錯性，提升系統可靠性，是高供電質量需求場景的優選方案。

三相四橋臂拓撲

功率模塊硬件板卡方面主要由主控單元、采集調理單元、功率驅動單元、接口單元和人機界面等組成。

主控單元

模擬信號：支持最大16通道的ADC采集；

PWM：12通道；

RS485：1通道，支持MODBUS通信協議；

CAN：1通道；

故障反饋信號：1組

線圈控制電路：3個，用于控制功率級接觸器等；

采集調理單元

電流采集：8通道，使用電流輸出型霍爾傳感器，經過調理電路后采用放大或者跟隨進入ADC單元；

電壓采集：6通道，采用差分電路形式采集，交流、直流電壓均可進行調理采集；

溫度采集：外接NTC-10K電阻，時刻監測功率器件的工作溫度。

外擴模擬接口：1個，用于與RCP控制器連接；

外擴數字接口：1個，用于與RCP控制器連接；

功率單元

IGBT模塊：英飛凌公司FF100R12RT4，電流等級分別為100A，電壓等級為1200V，或者使用不低于此規格的其他IGBT器件；

SiC模塊：安森美公司NTH4L040N120SC1，電流等級為58A，直流側電壓等級為1200V、RDS(ON)=40mΩ，或者使用不低于此規格的其他SiC器件。

直流側電容：電解電容采用2串4并組合，默認單個電解電容為680uF/450V，整體等效規格為1360uF/900V。

濾波電感：使用5mH(IGBT)或者2.2mH(SiC)規格電感。

傳感器：使用電流傳感器型號為HCC100BS、LAH25-NP，或者類似規格傳感器。

散熱器：采用高導熱鋁材料,標配0824風機加強散熱。

接口單元

5.3 YX6000D 多功能可編程雙向直流電源/電池模擬器

研旭YX6000D系列大功率雙向直流電源采用全數字控制技術，在4U機箱體積內功率可實現20kVA，輸出電壓可達到800V和1000V，輸出電流可達到正負50A~100A，輸出具有直流電源和有源負載特性，可運行于兩象限方式，交流輸入具有主動PFC功能，可輸出功率，同時待測設備能量可回饋至電網，具有高效、綠色、環保的特點。YX6000D系列電源具有雙向直流電源、有源負載、電池模擬和光伏電池模擬功能，四合一多功能設計，一機多用，采用7英寸彩色液晶顯示器和簡潔的鍵盤設計，用戶可對YX6000D系列電源的功能和參數進行設置和調節。

直流電源模式

電池模擬模式

電阻模擬（有源負載）模式

5.4 YXACS回饋式交流源載一體模擬器

研旭YXACS系列大功率回饋式交流源載一體電網模擬器采用全數字控制技術，輸出功率可達正負15kVA-600kVA，輸出電壓范圍0~350Vrms，輸出電流可達到正負50~500Arms，輸出具有交流電源和負載特性，可運行于四象限方式，輸入具有主動PFC功能，可輸出功率，同時待測設備能量可回饋至電網，具有高效、綠色、環保的特點。 YXACS系列電源具有回饋式交流電源、各類交流交流負載功能，采用7英寸彩色液晶顯示器和簡潔的鍵盤設計，用戶可對YXACS系列回饋式交流源載一體電網模擬器的功能和參數進行設置和調節。

交流電源穩態模式

交流負載—PQ模式

交流負載模式-RLC模式

交流負載模式-恒流模式

交流負載—可控整流RL模式

交流負載—不控整流模式

6.試驗波形

試驗1：串聯補償電壓

工況描述： 通過電網模擬器使三相電壓輸出電壓從220V降至200V，再升至240V的過程，查看柔變串聯側補償功能，可以查看到負載側電壓在電網波動變化時，幅值不發生改變。

6-1 電網電壓波形

6-2 柔邊串聯側補償電壓波形

6-3 柔邊輸出電壓波形

試驗2：并聯補償電流

工況描述：變壓器輸出帶載A、B、C三相分別帶載2800W，1400W，1200W，開啟柔變并聯側變流器，查看其電流補償平衡功能。

6-4 電網側電流波形

試驗3：功率因數補償

工況描述： 變壓器輸出帶載A、B、C三相分別帶載2800W，1400W，1200W，同時A、B、C三相再帶載1100Var無功負載，開啟柔變并聯側變流器，查看其補償功率因數功能。

為了方便查看，將電網電壓縮小0.05倍.可以看出隨著柔變對無功的補償，實現了A相電流與A相電壓相位基本一致，使功率因數接近單位1。

7.實物圖片