基于瞬时无功理论的谐波检测方法在UPQC中的应用与仿真

刘树华，梁金成



基于瞬时无功理论的谐波检测方法在UPQC中的应用与仿真

刘树华1，梁金成2

（1．海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064；2.株洲中车时代电气股份有限公司, 湖南株洲 412001）

统一电能质量调节器UPQC以其诸多的优点，受到电力行业的关注。本文分析了UPQC的补偿原理，建立了基于瞬时无功理论的谐波检测数学模型，并结合UPQC的控制策略，对其进行了系统仿真。仿真结果表明，该谐波检测方法应用于UPQC，对负载产生的谐波电压和谐波电流抑制明显，能有效提高电力系统电能质量。

统一电能质量调节器 谐波检测 瞬时无功功率理论

0 引言

随着工业技术的发展，大量电力电子产品应用于电网，虽然提高了电能利用率，但由于电网中非线性负荷、脉冲负荷的增多，严重影响了电网质量，干扰用电设备的安全性和正常运行。

日本学者H.Akagi在1996年提出了统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC），UPQC综合了有源电力滤波器APF和动态电压恢复器DVR的功能，有效解决了抑制和补偿电网电压跌落、三相不平衡、谐波等电能质量问题。

1 UPQC的补偿原理

串联APF和并联APF各有其优缺点，统一电能质量调节器UPQC结合了串联APF和并联APF的优点，具有串联APF和并联APF两者的功能：1）在供电电压出现暂态或稳态波动的时候，UPQC可以维持负载端的电压为额定值；2）UPQC可以补偿非线性负载产生的谐波，从而保证系统电流不受畸变干扰；3）UPQC可以提供负载需要的无功功率，校正功率因数，不需要额外的功率因数校正装置；4）不需要外部装置提供直流侧电源，由并联APF单元保证稳定的直流侧电压即可。

1.1 UPQC的拓扑结构

UPQC主要包括串联APF、并联APF、直流储能单元三个部分，如图1所示。两个脉宽调制（PWM）的逆变器分别构成串联APF和并联APF的主电路，直流储能单元是两个逆变器共用的，这三个部分构成一个完整的UPQC装置。这种结构的UPQC既可用于三相系统，也可以用于单相系统，供给对电源质量要求高的重要负载，并消除非线性负载和脉冲负载对系统的影响。根据串并联APF的位置不同，拓扑结构可分为两种，即前串后并（图1(a)）与前并后串（图1(b)）。前者，串联APF的容量比并联APF大，主要补偿谐波电流；后者，并联APF的容量比串联APF大，串联APF等效于动态电压恢复器（DVR），主要用于滤除稳态谐波。

1.2 UPQC的单相简化等效电路

前串后并拓扑结构的UPQC单相等效电路如图2所示。串联APF按受控电压源方式工作，等效为一个电压源；并联APF按受控电流源方式工作，等效为一个电流源。当检测到电源电压出现畸变，控制产生补偿电压，维持负载电压稳定。当负载是非线性时，检测到系统谐波电流，控制产生相位相反、幅值和频率相同的谐波抵消危害谐波，维持负载电流稳定，同时还可控制提供负载所需的无功电流。

2 谐波检测与UPQC控制

2.1 谐波检测方法

谐波检测是准确、实时地检测出电网中瞬变的畸变电流和电压,为谐波分析和谐波控制提供依据。谐波检测的方法很多，应用于本文的谐波检测是基于瞬时无功功率理论建立数学模型。

2.1.1 谐波电压检测

下标说明：A—为1、2、0分别表示负序、正序、零序分量；为1时表示基波，(>1)表示次谐波的量。以下相同。

由（1）、（2）和（3）可以得到瞬时功率为

显然直流分量为

（5）

则电压基波正序分量为

其中:

（7）

2.1.2 谐波电流检测

用（6）式三相电源电压基波正序分量，重构三相单位正序电压，变换到坐标下的表达式为

假设电流是任意状态的，例如考虑最坏的情况，即电流是不对称且畸变的工况，其电流变换到坐标下的表达式为

（9）

把式（8）和（9）代入（1）可以得到有功功率和无功功率的直流分量为

由式（1）可得

（11）

则由（11）得电流的三相正序基波有功分量为

上面公式中所用到的变换矩阵为：

2.2 UPQC的控制

UPQC的控制包括了串联APF的控制和并联APF的控制，其中串并联控制中都增加了直流母线的控制。

串联APF和并联APF分别独立控制，各控制支路分别对电网电压和电流进行采样，并按照上节的谐波分析方法提取谐波，该谐波经相位反向单元后与逆变器输出的谐波进行比较，产生PWM控制信号，最终使逆变单元按照给定控制信号工作。

UPQC工作时，由于自身的能量损耗，以及当电网电压跌落、突升或其它原因需要对有功进行补偿时，会引起直流侧电容电压波动，因此串并联控制中都增加了直流母线电压的闭环控制。

串联APF电压控制实现过程如图3所示。并联APF电流控制实现过程与串联APF相似，只是控制信号是电流信号。

3 UPQC的仿真与分析

UPQC仿真时负载为带阻感性和阻容性负载的两个并联整流桥。

电网上的阻容负载整流器是谐波电压源，引起电网电压畸变，如图4（a）；阻感负载整流器是谐波电流源，使得电网电流含有丰富谐波，如图4（b）。由图4（c）分析看到，电压畸变非常严重，含有丰富的高次谐波；由图4（d）可以看到，谐波电流中5次、7次谐波含量大。

该仿真首先投入LC滤波装置，其次投入UPQC装置进行比较，如图5（a）和（b）。t<0.06s时,投入5次、7次单调谐LC滤波器，结果如图5（c）和（d）,5次、7次电流谐波得到抑制，但畸变仍然比较严重，电压畸变仍大于5%。t>=0.06s时,将UPQC投入电路后，电流、电压波形均大为改善，如图5（e）和（f）。

0.06 s后UPQC投入，电压和电流的正弦度明显变好，电压畸变率由5.79%降为3.35%，电流畸变率由4.19%降为2.14%。

4 结论

本文建立了基于瞬时无功理论的电压电流谐波检测的数学模型，并使其应用于UPQC数字化仿真。结果表明，基于瞬时无功理论的谐波检测方法应用于UPQC，对负载产生的谐波电压和电流抑制效果明显，能有效提高电力系统电能质量。

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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

A

1003-4862（2017）03-0058-04

2016-12-15

刘树华（1964-），男，高级工程师。研究方向：船舶电力系统。