劉樹華，梁金成

?

基于瞬時無功理論的諧波檢測方法在UPQC中的應用與仿真

劉樹華1，梁金成2

（1．海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064；2.株洲中車時代電氣股份有限公司, 湖南株洲 412001）

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC以其諸多的優(yōu)點，受到電力行業(yè)的關(guān)注。本文分析了UPQC的補償原理，建立了基于瞬時無功理論的諧波檢測數(shù)學模型，并結(jié)合UPQC的控制策略，對其進行了系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明，該諧波檢測方法應用于UPQC，對負載產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流抑制明顯，能有效提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量。

統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 諧波檢測 瞬時無功功率理論

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大量電力電子產(chǎn)品應用于電網(wǎng)，雖然提高了電能利用率，但由于電網(wǎng)中非線性負荷、脈沖負荷的增多，嚴重影響了電網(wǎng)質(zhì)量，干擾用電設(shè)備的安全性和正常運行。

日本學者H.Akagi在1996年提出了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC），UPQC綜合了有源電力濾波器APF和動態(tài)電壓恢復器DVR的功能，有效解決了抑制和補償電網(wǎng)電壓跌落、三相不平衡、諧波等電能質(zhì)量問題。

1 UPQC的補償原理

串聯(lián)APF和并聯(lián)APF各有其優(yōu)缺點，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC結(jié)合了串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的優(yōu)點，具有串聯(lián)APF和并聯(lián)APF兩者的功能：1）在供電電壓出現(xiàn)暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)波動的時候，UPQC可以維持負載端的電壓為額定值；2）UPQC可以補償非線性負載產(chǎn)生的諧波，從而保證系統(tǒng)電流不受畸變干擾；3）UPQC可以提供負載需要的無功功率，校正功率因數(shù)，不需要額外的功率因數(shù)校正裝置；4）不需要外部裝置提供直流側(cè)電源，由并聯(lián)APF單元保證穩(wěn)定的直流側(cè)電壓即可。

1.1 UPQC的拓撲結(jié)構(gòu)

UPQC主要包括串聯(lián)APF、并聯(lián)APF、直流儲能單元三個部分，如圖1所示。兩個脈寬調(diào)制（PWM）的逆變器分別構(gòu)成串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的主電路，直流儲能單元是兩個逆變器共用的，這三個部分構(gòu)成一個完整的UPQC裝置。這種結(jié)構(gòu)的UPQC既可用于三相系統(tǒng)，也可以用于單相系統(tǒng)，供給對電源質(zhì)量要求高的重要負載，并消除非線性負載和脈沖負載對系統(tǒng)的影響。根據(jù)串并聯(lián)APF的位置不同，拓撲結(jié)構(gòu)可分為兩種，即前串后并（圖1(a)）與前并后串（圖1(b)）。前者，串聯(lián)APF的容量比并聯(lián)APF大，主要補償諧波電流；后者，并聯(lián)APF的容量比串聯(lián)APF大，串聯(lián)APF等效于動態(tài)電壓恢復器（DVR），主要用于濾除穩(wěn)態(tài)諧波。

1.2 UPQC的單相簡化等效電路

前串后并拓撲結(jié)構(gòu)的UPQC單相等效電路如圖2所示。串聯(lián)APF按受控電壓源方式工作，等效為一個電壓源；并聯(lián)APF按受控電流源方式工作，等效為一個電流源。當檢測到電源電壓出現(xiàn)畸變，控制產(chǎn)生補償電壓，維持負載電壓穩(wěn)定。當負載是非線性時，檢測到系統(tǒng)諧波電流，控制產(chǎn)生相位相反、幅值和頻率相同的諧波抵消危害諧波，維持負載電流穩(wěn)定，同時還可控制提供負載所需的無功電流。

2 諧波檢測與UPQC控制

2.1 諧波檢測方法

諧波檢測是準確、實時地檢測出電網(wǎng)中瞬變的畸變電流和電壓,為諧波分析和諧波控制提供依據(jù)。諧波檢測的方法很多，應用于本文的諧波檢測是基于瞬時無功功率理論建立數(shù)學模型。

2.1.1 諧波電壓檢測

下標說明：A—為1、2、0分別表示負序、正序、零序分量；為1時表示基波，(>1)表示次諧波的量。以下相同。

由（1）、（2）和（3）可以得到瞬時功率為

顯然直流分量為

（5）

則電壓基波正序分量為

其中:

（7）

2.1.2 諧波電流檢測

用（6）式三相電源電壓基波正序分量，重構(gòu)三相單位正序電壓，變換到坐標下的表達式為

假設(shè)電流是任意狀態(tài)的，例如考慮最壞的情況，即電流是不對稱且畸變的工況，其電流變換到坐標下的表達式為

（9）

把式（8）和（9）代入（1）可以得到有功功率和無功功率的直流分量為

由式（1）可得

（11）

則由（11）得電流的三相正序基波有功分量為

上面公式中所用到的變換矩陣為：

2.2 UPQC的控制

UPQC的控制包括了串聯(lián)APF的控制和并聯(lián)APF的控制，其中串并聯(lián)控制中都增加了直流母線的控制。

串聯(lián)APF和并聯(lián)APF分別獨立控制，各控制支路分別對電網(wǎng)電壓和電流進行采樣，并按照上節(jié)的諧波分析方法提取諧波，該諧波經(jīng)相位反向單元后與逆變器輸出的諧波進行比較，產(chǎn)生PWM控制信號，最終使逆變單元按照給定控制信號工作。

UPQC工作時，由于自身的能量損耗，以及當電網(wǎng)電壓跌落、突升或其它原因需要對有功進行補償時，會引起直流側(cè)電容電壓波動，因此串并聯(lián)控制中都增加了直流母線電壓的閉環(huán)控制。

串聯(lián)APF電壓控制實現(xiàn)過程如圖3所示。并聯(lián)APF電流控制實現(xiàn)過程與串聯(lián)APF相似，只是控制信號是電流信號。

3 UPQC的仿真與分析

UPQC仿真時負載為帶阻感性和阻容性負載的兩個并聯(lián)整流橋。

電網(wǎng)上的阻容負載整流器是諧波電壓源，引起電網(wǎng)電壓畸變，如圖4（a）；阻感負載整流器是諧波電流源，使得電網(wǎng)電流含有豐富諧波，如圖4（b）。由圖4（c）分析看到，電壓畸變非常嚴重，含有豐富的高次諧波；由圖4（d）可以看到，諧波電流中5次、7次諧波含量大。

該仿真首先投入LC濾波裝置，其次投入UPQC裝置進行比較，如圖5（a）和（b）。t<0.06s時,投入5次、7次單調(diào)諧LC濾波器，結(jié)果如圖5（c）和（d）,5次、7次電流諧波得到抑制，但畸變?nèi)匀槐容^嚴重，電壓畸變?nèi)源笥?%。t>=0.06s時,將UPQC投入電路后，電流、電壓波形均大為改善，如圖5（e）和（f）。

0.06 s后UPQC投入，電壓和電流的正弦度明顯變好，電壓畸變率由5.79%降為3.35%，電流畸變率由4.19%降為2.14%。

4 結(jié)論

本文建立了基于瞬時無功理論的電壓電流諧波檢測的數(shù)學模型，并使其應用于UPQC數(shù)字化仿真。結(jié)果表明，基于瞬時無功理論的諧波檢測方法應用于UPQC，對負載產(chǎn)生的諧波電壓和電流抑制效果明顯，能有效提高電力系統(tǒng)電能質(zhì)量。

[1] G.-Myoung Lee，Dong-Choon Lee，Jul-Ki Seok.Control of series Active Power Filters Compensating for Source Voltage Unbalance and Current Harmonics. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004,51（1）:132-139.

[2] 郭自勇，周有慶，劉宏超.一種基于電壓空間矢量的有源濾波器滯環(huán)電流控制新方法.中國電機工程學報，2007, 27(1):112-117.

[3] Antonio Dell Aquila，Maria Marinelli，Vito Giuseppe Monopoli. New power-quality assessment criteria for supply system under unbalance and nonsinusoidal conditions. IEEE Transactions on Power Delivery，2004,19(3):1284-1290.

[4] Gary W.Chang，Tai-Chang Shee. A novel reference compensation current strategy for shunt active power filter control. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004,19(4):1751-1758.

[5] 何莉萍，壬廣柱. 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC的研究現(xiàn)狀. 電力系統(tǒng)自動化專輯,電氣時代, 2006,(9):60-62.

Analysis and Simulation of Harmonics-detected Method Used in UPQC on the Basis of Instantaneous Reactive Power Theory

Liu Shuhua1，Liang Jincheng2

（1．Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China；2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co.,Ltd.(TEC), Zhuzhou 412001, Hunan, China）

TM743

A

1003-4862（2017）03-0058-04

2016-12-15

劉樹華（1964-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。