统一电能质量控制器电压电流综合检测方法的研究

摘要：利用统一电能质量控制器解决了多重电压、电流质量问题的特性及需求。在研究有源滤波器检测方法的基础上，从理论上推导出一种基于对称分量法和瞬时功率理论的统一电能质量控制器电压电流检测方法。该检测方法将电压补偿量检测的结果直接应用与电流补偿量的检测中，保证了参考电流与基波正序电压相位的一致，具有较好的补偿效果。经过建模仿真研究，理论分析与仿真结果验证该方法的有效性和可行性。
关键词：电能质量；统一电能质量控制器；检测方法；对称分量法；瞬时功率

    统一电能质量控制器UPQC(Unified Power Quality Controller)是用户电力技术(Custom Power)中的新兴综合型电能质量补偿装置，集电压补偿装置、电流补偿装置和储能装置于一体，能同时解决多重电压、电流质量问题。这样就要求UPQC能够分别将电压、电流各自的多重扰动量同时快速检测出来，以作为UPQC串联、并联单元进行多重电压、电流质量问题综合补偿治理的依据，而且两者必须由同一检测算法计算得到，如果采用各自算法得到电压补偿量和电流补偿量，两者之间没有联系和基准，之间的不同步会造成互相干扰和系统不稳定。因此，在APF检测方法及各种检测方法研究的基础上，推导出基于对称分量法和瞬时功率理论的UPQC电压电流综合检测方法。

1 检测原理
    该方法首先利用对称分量法和Park变换从三相电源电压中提取单位基波正序电压分量及电压分量补偿量，再以其为基准通过瞬时无功功率理论得到所需和电流补偿量。
1．1 求取基波正序电压分量
    三相电网电压经LPF低通滤波后提取电压基波分量，再经过瞬时序分解模块提取出基波正序电压信号。
    根据电路理论及对称分量法，对u的一阶导数du／dt，其相量为jwU，得瞬时序分量分解公式为：
   
    式中：θ为基波正序电压初相角；U+为基波正序电压幅值。
1．2 求取基波正序电压分量幅值
    由对称分量法可知，任意三相电压ua，ub，uc为：
   
    式中：ua，ub，uc为三相电压；uaf+，ubf+，ucf+为基波正序电压分量；uaf-，ubf，ucf-为基波负序电压分量；u0。为零序电压分量；uan+，ubn+，ucn+为n次谐波正序电压分量；uan-，ubn-，ucn-为n次谐波负序电压分量。可将基波看成次数为1的谐波，因此可将三相正序电压分量表示为：
   
    式中：un+为第n次谐波的正序分量的幅值；φn+则为第n次谐波的正序a相的初相角；n为正整数，其值为1的分量代表式中对应的三相基波正序分量。
    对式(3)运用Park变换可得：
   
    式中：uan+，ubn+，ucn+分别为第n次正序电压或电流在变换后的dq0空间的各相应分量。n=1对应基波正序电压在变换后的dq0空间的相应分量在dq0坐标下，通过一个低通滤波器就可以得到dq轴直流分量：
   
1．3 求取电压单位基波正弦分量及电压补偿量
    由式(1)与式(6)就可得到电压单位基波正弦分量：
   
    这样从电网电压中减去电网电压基波正序分量，便得到需要补偿的包含谐波、无功和负序的电源电压畸变
量，即补偿量为：
   
1．4 求取参考电流补偿量
    首先，采样经UPQC串联部分的补偿后的基波正序电压分量作为参考量，为保证电流与电压同相位，则并联单元的瞬时电流补偿量检测方法为：
    将采样得到的负荷处a，b，c三相电压ua，ub，uc和采样得到的三相负荷电流屯ia，ib，ic计算出三相的瞬时功率P，又经低通滤波器LPF环节提取出其直流分量，再由和电压值计算出基波正序有功电流分量，最后将负荷的全电流减去所求出的基波正序有功电流分量即可得到并联单元所需的瞬时电流补偿量。

2 UPQC检测方法的原理框图
    整个系统的检测原理如图1所示。该检测方法将电压检测的结果直接应用于电流的检测中，在检测过程中，实时要求电源参考电流的相位跟踪基波正序电压，这样就能很好地保证了无功功率的补偿。

3 仿真参数设置
    根据以上检测检原理框图在Matlab的Simulink环境下模型进行仿真研究，验证基于对称分量和瞬时无功功率检测方法的准确性和实时性。仿真参数设置如下：三相不对称电压成分中幅值为220 V正弦电源电压，a相的初相角为60°，基波负序电压的幅值为20 V，初相角为30°；3次、5次、7次谐波的幅值为22 V(即各占基波正序的比例为10％)，初相角均为0，并接入一个三相对称的负载，负载参数为：R=10 Ω，L=10 mH。

4 仿真结果及分析
    通过Simulink的仿真实验，仿真结果波形图如图2～图6所示。

    从图6中a相电压、电流检测精度的波形(补偿前的电压、电流与补偿后的电压、电流的幅值之差)来看，电压、电流的补偿都存在的延时，电压波形延时约为1／4个工频周期，电流波形延时约为1／2个工频周期，延时的根本原因是采用了低通滤波器，但在其后的补偿都能保持较好的补偿性能，对谐波源相对稳定的电网影响较小，对瞬时突变的谐波补偿效果较差。这也为下一步的UPQC电压电流检测方法提出了新的要求，下一步将研究如何降低或消除低通滤波器产生的延时。
    通过以上仿真实验出来的波形，验证了此种检测方法的有效性和可行性，但由于用到低通滤波，所以存在一定的延时。

5 结语
    该检测方法直接将电压检测结果应用于电流检测中，使得电压电流的参考值能在相位上保持一致，补偿谐波的同时能够保证无功功率的正确补偿，克服了目前存在一些检测方法仅能补偿谐波的缺陷；同时，虽然UPQC是应用于三相不对称且畸变的电网系统，但是该检测方法无须对三相电压进行锁相，避免了由此带来的检测误差。