統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器電壓電流綜合檢測(cè)方法的研究

摘要：利用統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器解決了多重電壓、電流質(zhì)量問(wèn)題的特性及需求。在研究有源濾波器檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，從理論上推導(dǎo)出一種基于對(duì)稱分量法和瞬時(shí)功率理論的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器電壓電流檢測(cè)方法。該檢測(cè)方法將電壓補(bǔ)償量檢測(cè)的結(jié)果直接應(yīng)用與電流補(bǔ)償量的檢測(cè)中，保證了參考電流與基波正序電壓相位的一致，具有較好的補(bǔ)償效果。經(jīng)過(guò)建模仿真研究，理論分析與仿真結(jié)果驗(yàn)證該方法的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器；檢測(cè)方法；對(duì)稱分量法；瞬時(shí)功率

    統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器UPQC(Unified Power Quality Controller)是用戶電力技術(shù)(Custom Power)中的新興綜合型電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，集電壓補(bǔ)償裝置、電流補(bǔ)償裝置和儲(chǔ)能裝置于一體，能同時(shí)解決多重電壓、電流質(zhì)量問(wèn)題。這樣就要求UPQC能夠分別將電壓、電流各自的多重?cái)_動(dòng)量同時(shí)快速檢測(cè)出來(lái)，以作為UPQC串聯(lián)、并聯(lián)單元進(jìn)行多重電壓、電流質(zhì)量問(wèn)題綜合補(bǔ)償治理的依據(jù)，而且兩者必須由同一檢測(cè)算法計(jì)算得到，如果采用各自算法得到電壓補(bǔ)償量和電流補(bǔ)償量，兩者之間沒(méi)有聯(lián)系和基準(zhǔn)，之間的不同步會(huì)造成互相干擾和系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在APF檢測(cè)方法及各種檢測(cè)方法研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出基于對(duì)稱分量法和瞬時(shí)功率理論的UPQC電壓電流綜合檢測(cè)方法。

1 檢測(cè)原理
    該方法首先利用對(duì)稱分量法和Park變換從三相電源電壓中提取單位基波正序電壓分量及電壓分量補(bǔ)償量，再以其為基準(zhǔn)通過(guò)瞬時(shí)無(wú)功功率理論得到所需和電流補(bǔ)償量。
1．1 求取基波正序電壓分量
    三相電網(wǎng)電壓經(jīng)LPF低通濾波后提取電壓基波分量，再經(jīng)過(guò)瞬時(shí)序分解模塊提取出基波正序電壓信號(hào)。
    根據(jù)電路理論及對(duì)稱分量法，對(duì)u的一階導(dǎo)數(shù)du／dt，其相量為jwU，得瞬時(shí)序分量分解公式為：
   
    式中：θ為基波正序電壓初相角；U+為基波正序電壓幅值。
1．2 求取基波正序電壓分量幅值
    由對(duì)稱分量法可知，任意三相電壓ua，ub，uc為：
   
    式中：ua，ub，uc為三相電壓；uaf+，ubf+，ucf+為基波正序電壓分量；uaf-，ubf，ucf-為基波負(fù)序電壓分量；u0。為零序電壓分量；uan+，ubn+，ucn+為n次諧波正序電壓分量；uan-，ubn-，ucn-為n次諧波負(fù)序電壓分量?？蓪⒒闯纱螖?shù)為1的諧波，因此可將三相正序電壓分量表示為：
   
    式中：un+為第n次諧波的正序分量的幅值；φn+則為第n次諧波的正序a相的初相角；n為正整數(shù)，其值為1的分量代表式中對(duì)應(yīng)的三相基波正序分量。
    對(duì)式(3)運(yùn)用Park變換可得：
   
    式中：uan+，ubn+，ucn+分別為第n次正序電壓或電流在變換后的dq0空間的各相應(yīng)分量。n=1對(duì)應(yīng)基波正序電壓在變換后的dq0空間的相應(yīng)分量在dq0坐標(biāo)下，通過(guò)一個(gè)低通濾波器就可以得到dq軸直流分量：
   
1．3 求取電壓?jiǎn)挝换ㄕ曳至考半妷貉a(bǔ)償量
    由式(1)與式(6)就可得到電壓?jiǎn)挝换ㄕ曳至浚?br />    
    這樣從電網(wǎng)電壓中減去電網(wǎng)電壓基波正序分量，便得到需要補(bǔ)償?shù)陌C波、無(wú)功和負(fù)序的電源電壓畸變
量，即補(bǔ)償量為：
   
1．4 求取參考電流補(bǔ)償量
    首先，采樣經(jīng)UPQC串聯(lián)部分的補(bǔ)償后的基波正序電壓分量作為參考量，為保證電流與電壓同相位，則并聯(lián)單元的瞬時(shí)電流補(bǔ)償量檢測(cè)方法為：
    將采樣得到的負(fù)荷處a，b，c三相電壓ua，ub，uc和采樣得到的三相負(fù)荷電流屯ia，ib，ic計(jì)算出三相的瞬時(shí)功率P，又經(jīng)低通濾波器LPF環(huán)節(jié)提取出其直流分量，再由和電壓值計(jì)算出基波正序有功電流分量，最后將負(fù)荷的全電流減去所求出的基波正序有功電流分量即可得到并聯(lián)單元所需的瞬時(shí)電流補(bǔ)償量。

2 UPQC檢測(cè)方法的原理框圖
    整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理如圖1所示。該檢測(cè)方法將電壓檢測(cè)的結(jié)果直接應(yīng)用于電流的檢測(cè)中，在檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)要求電源參考電流的相位跟蹤基波正序電壓，這樣就能很好地保證了無(wú)功功率的補(bǔ)償。

3 仿真參數(shù)設(shè)置
    根據(jù)以上檢測(cè)檢原理框圖在Matlab的Simulink環(huán)境下模型進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證基于對(duì)稱分量和瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。仿真參數(shù)設(shè)置如下：三相不對(duì)稱電壓成分中幅值為220 V正弦電源電壓，a相的初相角為60°，基波負(fù)序電壓的幅值為20 V，初相角為30°；3次、5次、7次諧波的幅值為22 V(即各占基波正序的比例為10％)，初相角均為0，并接入一個(gè)三相對(duì)稱的負(fù)載，負(fù)載參數(shù)為：R=10 Ω，L=10 mH。

4 仿真結(jié)果及分析
    通過(guò)Simulink的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果波形圖如圖2～圖6所示。

    從圖6中a相電壓、電流檢測(cè)精度的波形(補(bǔ)償前的電壓、電流與補(bǔ)償后的電壓、電流的幅值之差)來(lái)看，電壓、電流的補(bǔ)償都存在的延時(shí)，電壓波形延時(shí)約為1／4個(gè)工頻周期，電流波形延時(shí)約為1／2個(gè)工頻周期，延時(shí)的根本原因是采用了低通濾波器，但在其后的補(bǔ)償都能保持較好的補(bǔ)償性能，對(duì)諧波源相對(duì)穩(wěn)定的電網(wǎng)影響較小，對(duì)瞬時(shí)突變的諧波補(bǔ)償效果較差。這也為下一步的UPQC電壓電流檢測(cè)方法提出了新的要求，下一步將研究如何降低或消除低通濾波器產(chǎn)生的延時(shí)。
    通過(guò)以上仿真實(shí)驗(yàn)出來(lái)的波形，驗(yàn)證了此種檢測(cè)方法的有效性和可行性，但由于用到低通濾波，所以存在一定的延時(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)
    該檢測(cè)方法直接將電壓檢測(cè)結(jié)果應(yīng)用于電流檢測(cè)中，使得電壓電流的參考值能在相位上保持一致，補(bǔ)償諧波的同時(shí)能夠保證無(wú)功功率的正確補(bǔ)償，克服了目前存在一些檢測(cè)方法僅能補(bǔ)償諧波的缺陷；同時(shí)，雖然UPQC是應(yīng)用于三相不對(duì)稱且畸變的電網(wǎng)系統(tǒng)，但是該檢測(cè)方法無(wú)須對(duì)三相電壓進(jìn)行鎖相，避免了由此帶來(lái)的檢測(cè)誤差。