統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器電壓電流綜合檢測方法的研究

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)量問題的特性及需求。在研究有源濾波器檢測方法的基礎(chǔ)上，從理論上推導(dǎo)出一種基于對稱分量法和瞬時功率理論的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器電壓電流檢測方法。該檢測方法將電壓補償量檢測的結(jié)果直接應(yīng)用與電流補償量的檢測中，保證了參考電流與基波正序電壓相位的一致，具有較好的補償效果。經(jīng)過建模仿真研究，理論分析與仿真結(jié)果驗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；檢測方法；對稱分量法；瞬時功率

    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)量補償裝置，集電壓補償裝置、電流補償裝置和儲能裝置于一體，能同時解決多重電壓、電流質(zhì)量問題。這樣就要求UPQC能夠分別將電壓、電流各自的多重擾動量同時快速檢測出來，以作為UPQC串聯(lián)、并聯(lián)單元進行多重電壓、電流質(zhì)量問題綜合補償治理的依據(jù)，而且兩者必須由同一檢測算法計算得到，如果采用各自算法得到電壓補償量和電流補償量，兩者之間沒有聯(lián)系和基準(zhǔn)，之間的不同步會造成互相干擾和系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在APF檢測方法及各種檢測方法研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出基于對稱分量法和瞬時功率理論的UPQC電壓電流綜合檢測方法。

1 檢測原理
    該方法首先利用對稱分量法和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償量，再以其為基準(zhǔn)通過瞬時無功功率理論得到所需和電流補償量。
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)過瞬時序分解模塊提取出基波正序電壓信號。
    根據(jù)電路理論及對稱分量法，對u的一階導(dǎo)數(shù)du／dt，其相量為jwU，得瞬時序分量分解公式為：
   
    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的分量代表式中對應(yīng)的三相基波正序分量。
    對式(3)運用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，通過一個低通濾波器就可以得到dq軸直流分量：
   
1．3 求取電壓單位基波正弦分量及電壓補償量
    由式(1)與式(6)就可得到電壓單位基波正弦分量：
   
    這樣從電網(wǎng)電壓中減去電網(wǎng)電壓基波正序分量，便得到需要補償?shù)陌C波、無功和負序的電源電壓畸變
量，即補償量為：
   
1．4 求取參考電流補償量
    首先，采樣經(jīng)UPQC串聯(lián)部分的補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)單元的瞬時電流補償量檢測方法為：
    將采樣得到的負荷處a，b，c三相電壓ua，ub，uc和采樣得到的三相負荷電流屯ia，ib，ic計算出三相的瞬時功率P，又經(jīng)低通濾波器LPF環(huán)節(jié)提取出其直流分量，再由和電壓值計算出基波正序有功電流分量，最后將負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)單元所需的瞬時電流補償量。

2 UPQC檢測方法的原理框圖
    整個系統(tǒng)的檢測原理如圖1所示。該檢測方法將電壓檢測的結(jié)果直接應(yīng)用于電流的檢測中，在檢測過程中，實時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功功率的補償。

3 仿真參數(shù)設(shè)置
    根據(jù)以上檢測檢原理框圖在Matlab的Simulink環(huán)境下模型進行仿真研究，驗證基于對稱分量和瞬時無功功率檢測方法的準(zhǔn)確性和實時性。仿真參數(shù)設(shè)置如下：三相不對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，并接入一個三相對稱的負載，負載參數(shù)為：R=10 Ω，L=10 mH。

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

    從圖6中a相電壓、電流檢測精度的波形(補償前的電壓、電流與補償后的電壓、電流的幅值之差)來看，電壓、電流的補償都存在的延時，電壓波形延時約為1／4個工頻周期，電流波形延時約為1／2個工頻周期，延時的根本原因是采用了低通濾波器，但在其后的補償都能保持較好的補償性能，對諧波源相對穩(wěn)定的電網(wǎng)影響較小，對瞬時突變的諧波補償效果較差。這也為下一步的UPQC電壓電流檢測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。
    通過以上仿真實驗出來的波形，驗證了此種檢測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。

5 結(jié)語
    該檢測方法直接將電壓檢測結(jié)果應(yīng)用于電流檢測中，使得電壓電流的參考值能在相位上保持一致，補償諧波的同時能夠保證無功功率的正確補償，克服了目前存在一些檢測方法僅能補償諧波的缺陷；同時，雖然UPQC是應(yīng)用于三相不對稱且畸變的電網(wǎng)系統(tǒng)，但是該檢測方法無須對三相電壓進行鎖相，避免了由此帶來的檢測誤差。