基于瞬時無功理論的諧波檢測方法在UPQC中的應用與仿真

劉樹華，梁金成

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基于瞬時無功理論的諧波檢測方法在UPQC中的應用與仿真

劉樹華1，梁金成2

（1．海軍駐武漢七一二所軍事代表室，武漢 430064；2.株洲中車時代電氣股份有限公司, 湖南株洲 412001）

統(tǒng)一電能質量調節(jié)器UPQC以其諸多的優(yōu)點，受到電力行業(yè)的關注。本文分析了UPQC的補償原理，建立了基于瞬時無功理論的諧波檢測數學模型，并結合UPQC的控制策略，對其進行了系統(tǒng)仿真。仿真結果表明，該諧波檢測方法應用于UPQC，對負載產生的諧波電壓和諧波電流抑制明顯，能有效提高電力系統(tǒng)電能質量。

統(tǒng)一電能質量調節(jié)器 諧波檢測 瞬時無功功率理論

0 引言

隨著工業(yè)技術的發(fā)展，大量電力電子產品應用于電網，雖然提高了電能利用率，但由于電網中非線性負荷、脈沖負荷的增多，嚴重影響了電網質量，干擾用電設備的安全性和正常運行。

日本學者H.Akagi在1996年提出了統(tǒng)一電能質量調節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC），UPQC綜合了有源電力濾波器APF和動態(tài)電壓恢復器DVR的功能，有效解決了抑制和補償電網電壓跌落、三相不平衡、諧波等電能質量問題。

1 UPQC的補償原理

串聯APF和并聯APF各有其優(yōu)缺點，統(tǒng)一電能質量調節(jié)器UPQC結合了串聯APF和并聯APF的優(yōu)點，具有串聯APF和并聯APF兩者的功能：1）在供電電壓出現暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)波動的時候，UPQC可以維持負載端的電壓為額定值；2）UPQC可以補償非線性負載產生的諧波，從而保證系統(tǒng)電流不受畸變干擾；3）UPQC可以提供負載需要的無功功率，校正功率因數，不需要額外的功率因數校正裝置；4）不需要外部裝置提供直流側電源，由并聯APF單元保證穩(wěn)定的直流側電壓即可。

1.1 UPQC的拓撲結構

UPQC主要包括串聯APF、并聯APF、直流儲能單元三個部分，如圖1所示。兩個脈寬調制（PWM）的逆變器分別構成串聯APF和并聯APF的主電路，直流儲能單元是兩個逆變器共用的，這三個部分構成一個完整的UPQC裝置。這種結構的UPQC既可用于三相系統(tǒng)，也可以用于單相系統(tǒng)，供給對電源質量要求高的重要負載，并消除非線性負載和脈沖負載對系統(tǒng)的影響。根據串并聯APF的位置不同，拓撲結構可分為兩種，即前串后并（圖1(a)）與前并后串（圖1(b)）。前者，串聯APF的容量比并聯APF大，主要補償諧波電流；后者，并聯APF的容量比串聯APF大，串聯APF等效于動態(tài)電壓恢復器（DVR），主要用于濾除穩(wěn)態(tài)諧波。

1.2 UPQC的單相簡化等效電路

前串后并拓撲結構的UPQC單相等效電路如圖2所示。串聯APF按受控電壓源方式工作，等效為一個電壓源；并聯APF按受控電流源方式工作，等效為一個電流源。當檢測到電源電壓出現畸變，控制產生補償電壓，維持負載電壓穩(wěn)定。當負載是非線性時，檢測到系統(tǒng)諧波電流，控制產生相位相反、幅值和頻率相同的諧波抵消危害諧波，維持負載電流穩(wěn)定，同時還可控制提供負載所需的無功電流。

2 諧波檢測與UPQC控制

2.1 諧波檢測方法

諧波檢測是準確、實時地檢測出電網中瞬變的畸變電流和電壓,為諧波分析和諧波控制提供依據。諧波檢測的方法很多，應用于本文的諧波檢測是基于瞬時無功功率理論建立數學模型。

2.1.1 諧波電壓檢測

下標說明：A—為1、2、0分別表示負序、正序、零序分量；為1時表示基波，(>1)表示次諧波的量。以下相同。

由（1）、（2）和（3）可以得到瞬時功率為

顯然直流分量為

（5）

則電壓基波正序分量為

其中:

（7）

2.1.2 諧波電流檢測

用（6）式三相電源電壓基波正序分量，重構三相單位正序電壓，變換到坐標下的表達式為

假設電流是任意狀態(tài)的，例如考慮最壞的情況，即電流是不對稱且畸變的工況，其電流變換到坐標下的表達式為

（9）

把式（8）和（9）代入（1）可以得到有功功率和無功功率的直流分量為

由式（1）可得

（11）

則由（11）得電流的三相正序基波有功分量為

上面公式中所用到的變換矩陣為：

2.2 UPQC的控制

UPQC的控制包括了串聯APF的控制和并聯APF的控制，其中串并聯控制中都增加了直流母線的控制。

串聯APF和并聯APF分別獨立控制，各控制支路分別對電網電壓和電流進行采樣，并按照上節(jié)的諧波分析方法提取諧波，該諧波經相位反向單元后與逆變器輸出的諧波進行比較，產生PWM控制信號，最終使逆變單元按照給定控制信號工作。

UPQC工作時，由于自身的能量損耗，以及當電網電壓跌落、突升或其它原因需要對有功進行補償時，會引起直流側電容電壓波動，因此串并聯控制中都增加了直流母線電壓的閉環(huán)控制。

串聯APF電壓控制實現過程如圖3所示。并聯APF電流控制實現過程與串聯APF相似，只是控制信號是電流信號。

3 UPQC的仿真與分析

UPQC仿真時負載為帶阻感性和阻容性負載的兩個并聯整流橋。

電網上的阻容負載整流器是諧波電壓源，引起電網電壓畸變，如圖4（a）；阻感負載整流器是諧波電流源，使得電網電流含有豐富諧波，如圖4（b）。由圖4（c）分析看到，電壓畸變非常嚴重，含有豐富的高次諧波；由圖4（d）可以看到，諧波電流中5次、7次諧波含量大。

該仿真首先投入LC濾波裝置，其次投入UPQC裝置進行比較，如圖5（a）和（b）。t<0.06s時,投入5次、7次單調諧LC濾波器，結果如圖5（c）和（d）,5次、7次電流諧波得到抑制，但畸變仍然比較嚴重，電壓畸變仍大于5%。t>=0.06s時,將UPQC投入電路后，電流、電壓波形均大為改善，如圖5（e）和（f）。

0.06 s后UPQC投入，電壓和電流的正弦度明顯變好，電壓畸變率由5.79%降為3.35%，電流畸變率由4.19%降為2.14%。

4 結論

本文建立了基于瞬時無功理論的電壓電流諧波檢測的數學模型，并使其應用于UPQC數字化仿真。結果表明，基于瞬時無功理論的諧波檢測方法應用于UPQC，對負載產生的諧波電壓和電流抑制效果明顯，能有效提高電力系統(tǒng)電能質量。

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Analysis and Simulation of Harmonics-detected Method Used in UPQC on the Basis of Instantaneous Reactive Power Theory

Liu Shuhua1，Liang Jincheng2

（1．Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China；2. Zhuzhou CRRC Times Electric Co.,Ltd.(TEC), Zhuzhou 412001, Hunan, China）

TM743

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1003-4862（2017）03-0058-04

2016-12-15

劉樹華（1964-），男，高級工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。