朱俊峰

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

當(dāng)今社會，電能已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠帧６S著新能源發(fā)電技術(shù)與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子變換裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更加廣泛，給生產(chǎn)生活帶來便利的同時也難免向電力系統(tǒng)中注入了大量諧波，嚴重危害了用戶用電安全。

目前有關(guān)電能質(zhì)量控制技術(shù)可以分成面向輸電系統(tǒng)的柔性交流輸電（Flexible AC Transmission Systems，F(xiàn)ACTS）技術(shù)和 面向配電系統(tǒng)的用戶電力（Custom Power，CP）技術(shù)[1]。其中CP 技術(shù)是當(dāng)下電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究熱點，從功能上來說，CP 技術(shù)用于解決配電系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種電能質(zhì)量問題，保證電力用戶的供電可靠性。通過對CP 技術(shù)的不斷深入研究，人們推出了一系列電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，包括用于補償無功功率的無功補償器（Var Compensator，VC）、補償有功功率的動態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）[2]、動態(tài)抑制諧波的有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）[3]等。針對前述各類電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器功能單一的不足，日本學(xué)者H.Akagi 將串聯(lián)有源電力濾波器和并聯(lián)有源電力濾波器組合在一起，提出了統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）[4～5]的概念。

1 UPQC 基本結(jié)構(gòu)及原理

UPQC 可實現(xiàn)對電源電壓和負載電流的綜合補償，幾乎可以抑制所有的電能質(zhì)量問題，一經(jīng)提出便受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。

UPQC 基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由串聯(lián)型APF、并聯(lián)型APF 以及直流側(cè)公共電容部分耦合而成。串聯(lián)型APF能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓進行快速跟蹤和補償，使負載獲得平衡的額定正弦電壓；并聯(lián)型APF 能夠?qū)ω撦d電流采樣并進行諧波的提取，輸出與被抑制諧波大小相等、幅值相反的諧波電流，使電源獲得正弦交流電流；公共電容部分作為儲能單元，將串、并聯(lián)APF 耦合到一起的同時維持恒定的直流電壓；電壓補償量檢測部分實現(xiàn)對電源電壓的畸變量檢測，并將所需的電源電壓補償值輸出給控制器；電流補償量檢測部分用于實現(xiàn)負載電流畸變量的檢測，并將期望的負載電流補償值輸入給控制器；控制器通過發(fā)出控制脈沖，使逆變器輸出電源電壓補償量與負載電流補償量，進而對電源電壓與負載電流進行補償。

圖1 UPQC 基本結(jié)構(gòu)

UPQC 等效電路如圖2 所示，圖中us、ul分別為電網(wǎng)電壓和負載端電壓，is、il分別為電網(wǎng)電流和負載端電流，uc和ic分別為串、并聯(lián)逆變器輸出的補償電壓和補償電流。由電路等效圖可知，串聯(lián)型APF 可視為與系統(tǒng)串聯(lián)的受控電壓源，并聯(lián)型APF 可視為與負載端并聯(lián)的受控電流源。

圖2 UPQC 等效電路

2 補償量檢測方法

補償量檢測的目的是對電源電壓和負載電流畸變部分進行補償，如何準確、實時地提取補償量就成為UPQC 可以正常工作的前提。

諧波電流檢測技術(shù)如圖3 所示。由圖3 可知，諧波電流檢測方法有很多種，可分為頻域方法和時域方法。頻域方法中主要有小波變換、傅里葉變換、卡爾曼濾波的方法；時域方法中主要有自適應(yīng)檢測法、瞬時無功理論、FBD 的方法。其中，基于傅里葉變換的檢測方法理論簡單、易于操作及實際應(yīng)用，理論上可以分離出任意次的諧波量，且各種算法的DFT 和FFT 也已經(jīng)成為諧波分析的基礎(chǔ)，但由于需要進行多次變換，運算量較大，且輸入信號必須是一個周期的信號，具有延時較長，實時性差的缺點，對于快速變化的電能質(zhì)量問題不能很好地進行補償量檢測。基于小波變換的檢測方法是基于FFT基礎(chǔ)上進一步改進得來，小波變換具有多分辨分析的特點，在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力，適合突變信號和不平穩(wěn)信號的分析，但計算量過大，且檢測結(jié)果直接作為實時補償信號時，動態(tài)跟蹤速度與準確度不夠。自適應(yīng)檢測法抗干擾能力強，不易受元件參數(shù)影響，但延時較大，動態(tài)響應(yīng)較慢，難以保證實時性。瞬時無功理論，開創(chuàng)性地定義了瞬時有功功率、瞬時無功功率等瞬時功率量，不僅適用于正弦波，也適用于非正弦波的情況，實現(xiàn)了諧波和無功成分的實時檢測，適用的范圍更加廣泛，是對傳統(tǒng)功率理論的補充，是目前十分常用的方法。

圖3 諧波電流檢測技術(shù)

對于三相電路，假設(shè)各相電壓和電流瞬時值分別為 ea、eb、ec和 ia、ib、ic，為分析問題方便，將其分別變換到兩相靜止正交的α-β 坐標系中。變換矩陣如式(1)和式(2)所示，系數(shù)矩陣如式(3)所示。

p-q 補償量檢測法是利用瞬時無功功率理論計算補償信號指令，其檢測原理如圖5 所示。圖中的 ea、eb、ec表示電網(wǎng)側(cè)的三相電壓，ia、ib、ic表示負載側(cè)的三相電流。首先通過 C3/2變換，將三相電網(wǎng)電壓和負載側(cè)三相電流進行坐標變換，從三相坐標系變換到兩相正交的α-β 坐標系中，得到i、i 和e、e，再根據(jù)定義計算得到瞬時有功功率p和瞬時無功功率q，經(jīng)低通濾波器（Low-pass Filter，LPF）濾波后得到平均有功功率和平均無功功率，再經(jīng)線性反變換求出兩相正交坐標系下的直流分量與三相坐標系下的負載電流基波分量，與檢測信號相減即得諧波分量。

圖5 p-q 法補償量檢測原理圖

由于電力系統(tǒng)在實際運行過程中，電網(wǎng)電壓波形往往會發(fā)生畸變，這時再使用p-q 法計算，得到的補償量就會存在一定的誤差，降低檢測結(jié)果的準確性。因此p-q 檢測法只適用于三相系統(tǒng)對稱且電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變的情況。

針對這種情況，又有學(xué)者提出了基于廣義瞬時無功功率理論[6]和dq0 坐標系變換的諧波檢測算法，簡稱dq0 檢測法。dq0 檢測算法原理如圖6 所示，關(guān)鍵的部分是對待檢測信號進行Park 正變換和反變換，即通過正交旋轉(zhuǎn)變換使三相坐標系下的基波正序分量變換為d、q 軸上的直流分量，通過LPF 提取該直流分量，再經(jīng)過一次Park 反變換得到基波正序分量，與輸入的檢測信號相減得到所需的補償量。圖中輸入的負載側(cè)三相電流 ia、ib、ic經(jīng)dq0 變換后，第n次正序分量和負序分量將分別轉(zhuǎn)變?yōu)閐q0 坐標系下的第n-1次正序分量和第n+1 次負序分量，只有對稱基波正序分量轉(zhuǎn)變?yōu)閐、q 坐標軸上的直流分量，零軸上的分量為零[7]。dq0 檢測法中的正交旋轉(zhuǎn)變換矩陣和反變換矩陣如式(5)和式(6)所示。

圖6 dq0 法補償量檢測原理圖

3 仿真分析

利用Matlab 搭建仿真模型，設(shè)置三相可編程電壓源幅值為380V，頻率為50Hz，負載端接非線性負載，電阻值為25Ω，電感值為13mH。仿真結(jié)果如圖7～圖9 所示，其中圖7 是基于dq0 檢測法測得的A 相基波電流波形，圖8為補償前A 相基波電流FFT 分析結(jié)果，圖9 為UPQC 投入使用后，A 相基波電流FFT 分析結(jié)果。

圖7 dq0 檢測法測得A 相基波電流

圖8 補償前A 相基波電流FFT 分析

圖9 補償后A 相基波電流FFT 分析

由圖7 可知，A 相基波電流檢測過程中有一定時間的延時，這是由于檢測過程中使用了LPF 提取直流分量的緣故。由圖8 可知，UPQC 未投入前，A 相基波電流的THD=3.55%。圖9 可知，補償后A 相基波電流的THD=0.07%，說明UPQC 補償后的基波電流中所含諧波很少，表明UPQC 對電能質(zhì)量問題有著很好的補償效果。

4 結(jié)束語

與其他方法相比，基于瞬時無功功率理論的dq0 檢測算法檢測補償量時，只需通過同步鎖相環(huán)節(jié)（Phase Locking Loop，PLL）對a 相電壓進行鎖相，提供變換所需要的正弦信號和余弦信號。檢測過程不涉及電網(wǎng)電壓，只用到了電壓的相位，故檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，能適用于任意非正弦、非對稱三相電路諧波和無功功率檢測，具有很好的實時性和準確性，適用范圍更廣泛。缺點是檢測環(huán)節(jié)中需要用到與電網(wǎng)工頻同步的模擬式或數(shù)字式的三角函數(shù)發(fā)生器，同時為了得到基波有功電流分量，還需加入數(shù)字低通濾波環(huán)節(jié)，LPF 會使測量結(jié)果產(chǎn)生一定的延時。因此，LPF 的性能直接決定了檢測方法的精確性。