勝業(yè)電氣股份有限公司 王惠東

在社會經濟飛速發(fā)展的背景下，大量電力電子設備被接入低壓配電網系統(tǒng)中，不僅大大增加了電網輸配電環(huán)節(jié)與用電終端的非線性負載，還會降低低壓配網供電線的負荷功率因數(shù)，為切實提升電網的電能質量，需合理應用統(tǒng)一電能質量調節(jié)器。

1 當前低壓配電網存在的電能質量問題

隨著對生活質量要求的不斷提高，220V/380V低壓配電網電能供應的質量受到廣泛關注，但受接入低壓配電網中的供電設備數(shù)量不斷增加的影響，低壓配電網系統(tǒng)出現(xiàn)了諸如無功功率缺額、諧波量增加、電壓質量下降、負載三相不平衡問題嚴重等情況。

首先，在新農村建設過程中，為推動現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展，電鍍機、轉水泵等機械設備得到了廣泛的普及，使得農機在運行過程中消耗的無功功率在低壓配電網中所占比例不斷增加，導致低壓配電網的電能質量大幅度下降；其次，家庭中各類用電設備的普及度不斷提升，使得大量諧波對電網產生了一定的沖擊。如，電視機在運行過程中會產生大量的3次、5次、7次、9次諧波，在城市中廣泛使用的熒光燈3次諧波含有率在75%左右，家庭常用電冰箱、洗衣機、空調等電氣設備低頻諧波含有率在40%左右。同時，計算機在低壓配電網諧波源中所占的比例不斷增加，上述情況都在極大程度上增加了低壓配電網中諧波的含量。

再次，低壓配電網區(qū)域性、時段性負荷增加情況較為頻繁，會導致低壓配電網負荷嚴重分布不均，用電隨機性大、負荷性質多樣等情況出現(xiàn)，進而對正常用電產生極為不利的影響。如，夏季干旱時大范圍的灌溉活動、夏冬季節(jié)空調設備的大范圍應用，都會導致區(qū)域性、時段性的負荷增加，進而影響低壓配電網的電壓質量；最后，單相生活電器設備有著單相功率大、使用隨機等特點，大量接入低壓配電網會導致三相不平衡問題出現(xiàn)，不僅會影響低壓配電系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性，還會增大輸電線路與配電變壓器的損耗，嚴重情況下會引發(fā)電力事故[1]。

2 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器拓撲結構及其檢測技術

當前提升低壓配電網質量的方法主要有兩種：一是通過提升供電企業(yè)電能供應質量的方式，從源頭上保證電力資源需求能夠得以滿足；二是通過在低壓配電網上加裝質量控制裝置的方式，通過技術手段解決電能質量問題。過去一段時間內較常用的電能質量控制裝置包括動態(tài)電壓恢復器、靜止無功發(fā)生器、有源電力濾波器等，但在實際應用過程中上述裝置無法同時解決低壓配電網的無功不足、諧波量大、電壓質量偏低、三相不平衡等問題。而統(tǒng)一電能質量調節(jié)器作為一種既可對電壓電能質量問題加以補償、又可對負載電流電能質量問題進行補償?shù)难b置，其應用情況受到廣泛關注。

2.1 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器的拓撲結構

2.1.1 拓撲結構的分類方式

近年來，隨著科學技術的不斷發(fā)展，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器技術研究也在不斷深入，為保證統(tǒng)一電能質量調節(jié)器能夠更好地適應不同的電網環(huán)境條件，其拓撲結構也出現(xiàn)了一定的差別。統(tǒng)一電能質量調節(jié)器的拓撲結構分類方式較多，較為常見的分類方式包括基于變換器拓撲的分類，其中包括電壓源型與電流源型兩種；基于供電系統(tǒng)的分類，其中包括單項雙線制、三相三線制、三相四線制等；基于統(tǒng)一電能質量調節(jié)器結構的分類，依據(jù)并聯(lián)變流器相對于串聯(lián)變流器的位置，可將其分成右并聯(lián)與左并聯(lián)兩種；基于不同相路相互連接的統(tǒng)一電能質量調節(jié)器；多路轉換統(tǒng)一電能質量調節(jié)器等。

2.1.2 主電路拓撲

圖1為在低壓配電網上工作的統(tǒng)一電能質量調節(jié)器主電路拓撲，該拓撲結構中有兩個變換器，一個作為并聯(lián)APF單元與負荷相連，另一個作為串聯(lián)APF單元與電源相連；無源濾波器將變換器與電網系統(tǒng)連到一起，起到了平滑電流波形的作用，同時為實現(xiàn)變換器與電網間的電氣隔離，可在此添加隔離變壓器；普通的直流連接可由電容器或電感器完成，串聯(lián)絕緣變壓器與電網中的串聯(lián)變換器相連；串聯(lián)側的無源低通濾波器可幫助電網去除高頻開關波并形成變換器，實現(xiàn)電壓的正常輸出[2]。

圖1 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器主電路拓撲圖

2.1.3 功率流動分析

統(tǒng)一電能質量調節(jié)器能對用戶側的諧波進行補償（圖2）。具體來說，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器在工作過程中，網側電壓源能為統(tǒng)一電能質量調節(jié)器提供流動功率PS，為對網側電壓質量問題加以彌補，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器串聯(lián)單元可通過串聯(lián)變壓器向電網傳輸功率PSC，并聯(lián)單元從電網吸收PPC的功率，然后將功率分成PSC與直流側電容器存儲功率PdC，串聯(lián)變壓器提供能通過負載所需功率PL與PPC。對上述功率流動情況進行總額及可得到統(tǒng)一電能質量調節(jié)器與電網負載間的功率流動方程：

圖2 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器功率流動分析

對方程進行分析可了解到，在該拓撲結構中，由于串并聯(lián)單元的直流側電容相同，這就使得兩個變換器在工作過程中存在強耦合關系，若交流電源側出現(xiàn)電壓降低或電壓諧波、電壓分布不平衡等情況時，串聯(lián)單元將會對并聯(lián)單元直流側電壓產生影響，并對并聯(lián)側電流補償能力產生不利影響。

2.1.4 直流側拓撲方案

在實際應用過程中，為切實解決統(tǒng)一電能質量調節(jié)器串并聯(lián)單元的耦合問題，可通過構建電阻隔離型拓撲結構、虛擬阻抗隔離型統(tǒng)一電能質量調節(jié)器拓撲等方式，降低因串聯(lián)單元電網電壓質量問題對并聯(lián)單元直流側電壓的影響。

具體來說，電阻隔離型拓撲是一種利用電阻將統(tǒng)一電能質量調節(jié)器串并聯(lián)單元直流側電容進行隔離、降低電功率流動與并聯(lián)單元直流側電壓影響的方式，在實際應用過程中可提高并聯(lián)單元的補償精度，有效提高裝置電流的補償性能；虛擬阻抗隔離型統(tǒng)一電能質量調節(jié)器拓撲在實際使用過程中，有著較高的穩(wěn)定性與補償效果，但需要注意的是，若電網系統(tǒng)出現(xiàn)電壓質量問題時，那么虛擬阻抗隔離型統(tǒng)一電能質量調節(jié)器拓撲直流側間將會出現(xiàn)較大的能量波動，進而導致直流側隔離電阻產生大量的能量損耗，降低統(tǒng)一電能質量調節(jié)器整體的效率[3]。

2.2 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器諧波與無功檢測方法

2.2.1 無功檢測方法的原理

目前常用的無功檢測方法主要包括以下幾種，其檢測原理如下：

p-q瞬時無功檢測算法。在經過αβ和dq后，對三相電壓ua、ub、uc與電流ia、ib、ic的坐標進行變換，在此基礎上對瞬時有功和無功功率p、q進行計算，然后通過低通濾波器的使用，對其直流分量加以提取，之后，繼續(xù)變換器坐標，最終方能獲得補償指令信號；ip-iq檢測算法。這種算法是在上述算法基礎上創(chuàng)新而成的無功檢測算法，兩種算法之間最大的差別是該算法需要利用信號sinωt和cosωt，同時，還要借助定義對瞬時有功和無功電流進行準確計算。

理想諧波消除法。是一種對瞬時無功功率理論與UPF法進行優(yōu)化的算法，在實際應用過程中，能夠對負載產生的全部諧波和無功進行補償，在此基礎上消除不平衡，從而保證網側電流和電網電壓基波正序分量u1+同相(isref=Ku1+)是該算法主要目的。在這一過程中，網側電源的輸出功率為Ps=u isref=uKu1+=K(uαuα1++uβuβ1+)；延時信號消除法。這種方法被廣泛應用于電網電壓正負序分量提取過程中，這種算法既可將經過αβ坐標變換的畸變三相系統(tǒng)中的電網電壓延時1/4周期，又可實現(xiàn)諧波的延時，便于系統(tǒng)在后續(xù)工作過程中實現(xiàn)諧波的抵消。

2.2.2 無功檢測方法仿真分析

為對上述幾種算法的應用效果進行準確評價，將網側電壓是否存在畸變現(xiàn)象或不平衡等情況作為依據(jù)設計了多種工況，并在三相三線制統(tǒng)一電能質量調節(jié)器系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)中予以應用。分析結果如下所述：

在電源電壓三相平衡且不存在諧波的工況條件下，p-q瞬時無功檢測算法、ip-iq檢測算法和理想諧波消除法的應用效果較為突出，具體表現(xiàn)為響應速度快，且檢測出的無功、有功因素較為優(yōu)異；在負載為三相不對稱性負載的工況下，p-q瞬時無功檢測算法、ip-iq檢測算法和理想諧波消除法的應用效果較為突出，具體表現(xiàn)為響應速度快，且檢測出的無功、有功因素較為優(yōu)異；在電壓平衡無諧波和電流不平衡有諧波的工況條件下，上述幾種算法的檢測效果并不顯著。其中檢測效果最理想的算法為延時信號消除法，這種方法可將電網電流諧波進行有效清除，與檢測要求相符，但功率波動問題卻沒有得到改善。

2.3 統(tǒng)一電能質量調節(jié)器工作現(xiàn)狀

在實際應用過程中，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器的控制器主要工作方式為，由逆變器實現(xiàn)內層控制的跟蹤指令值獲取與外層控制指令值的獲得。其中，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器實現(xiàn)內層控制的方法主要包括三角載波線性控制、滯環(huán)控制、滑動?？刂啤⒛：刂?。

具體來說，首先，三角載波線性控制是最為簡單的線性控制方法，且開關頻率恒定，但其跟蹤速度較慢；其次，指環(huán)控制是一種給出允許容差帶，當發(fā)現(xiàn)高次諧波超出容差帶后，逆變器開關自行動作，實現(xiàn)控制的方法；再次，滑動?？刂剖且环N開關控制方式，在實際應用過程中，可實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)頻繁、快速的切換；最后，模糊控制是一種將專家知識、經驗轉化為預言控制規(guī)律，然后以此為基礎，實現(xiàn)系統(tǒng)控制的方式。

對外層控制策略進行分析可發(fā)現(xiàn)，外層控制策略可依據(jù)其策略的不同，將其分成直接補償與直接控制兩種，具體來說，第一，直接補償方式實現(xiàn)需先將要補償?shù)碾妷弘娏骰兞繖z測出來，設為補償參考值，然后由變換器發(fā)出參考分量，實現(xiàn)統(tǒng)一電能質量調節(jié)器性能補償，在實際應用過程中，可實現(xiàn)諧波檢測的方法包括基于快速變換的傅里葉變換法、人工智能法等；直接控制方式則是不經過諧波檢測，直接控制電源電流，使其與電網的正序基波同步，形成標準正線電流，然后通過對負載側電壓進行控制，使其成為標準額定正弦電壓的方式，避免統(tǒng)一電能質量調節(jié)器補償過程中產生延時時間過長的情況出現(xiàn)。

現(xiàn)階段，應用直接控制方式的統(tǒng)一電能質量調節(jié)器補償方法包括電壓電流雙閉環(huán)控制法，即在應用過程中，這種控制方法并不需要對電網中電流的諧波成分進行檢測，直接控制電網電流成為與電壓同步的正弦波，當電流側電壓上升時，由于電網電流指令值將會下降，并聯(lián)逆變器對指令值進行跟蹤，同時這種對串聯(lián)部分波長電壓進行控制的方式，可保證負載側電壓為標準正線電壓[4]。

總而言之，在新農村建設、城市化進程不斷推進的背景下，大量非線性用電設備被接入低壓配電網系統(tǒng)中，由于這些設備在實際使用過程中大多采用了高頻逆變技術，這種情況的出現(xiàn)會增加配電網系統(tǒng)中的諧波含量、降低電力供應質量。現(xiàn)階段為切實解決上述問題，合理應用統(tǒng)一電能質量調節(jié)器，成為了一項極為必要的工作。