统一电能质量调节器检测与控制技术研究

信质量；重者导致信息丢失、使通信系统无法正常工作。

1.2.3 电能质量问题的解决方案美国 EPRI 学者 N.G.Hingorani 博士提出的用户电力技术（Custom Power）可以看作是由他本人所提出的柔性交流输电系统（FACTS）技术在配电系统中的延伸。主要是通过把一些先进的电能质量调节装置及其有机的组合应用于配电系统中，根据用户对供电可靠性和电能质量的不同要求为用户配置所需要的电力。用户电力技术中已得到实际应用的典型的电能质量调节装置有多种，但基本都是针对一种或一类电能质量问题。

用户电力技术中已得到实际应用的典型的电能质量调节装置主要有：（1）动态电压恢复器 DVR（Dynamic Voltage Restorer）；（2）静止无功发生器 SVG（Static Var Generator）／配电型静止同步补偿器 DSTATCOM（DistributionStatic Synchronous Compensator）；（3）有源电力滤波器 APF（Active PowerFilter）；（4）动态不间断电源 DUPS（Dynamic Uninterruptible Power Supply）；（5）不间断电源 UPS（Uninterruptible Power Supply）；（6）蓄电池储能系统BESS （ Battery Energy Storage System ）；（ 7 ）超导磁能存储系统 SMES（Superconducting Magnetic Energy Storage）；（8）固态断路器 SSB（Solid StateBreaker）；（9）晶闸管投切电容器组 TSC（Thyristor Switched Capacitors）；（10）避雷器 SA（Surge Arrester）等。用户电力技术中，除固态断路器和由其派生的故障电流限制器（FCL）等，根据各种装置与系统相连的方式和所实现的功能不同，主要分为串联型电压补偿装置、并联型电流补偿装置（还有派生的混合型）和储能型装置等形式。串联型电压补偿装置用于调节电网提供给负荷的电压，以保障负荷侧的电压质量；并联型电流补偿装置用于调节负荷注入电网的电流，以降低最终注入电网的无功和谐波电流含量等。储能型装置用于当电网因故障中断供电时向负荷提供不间断电源功能，储能容量足够大时可实现负荷峰谷调节等。

用户电力中的电力电子设备对不同的电能质量问题可以进行有针对性的克服，如有源电力滤波器（APF）来补偿电网谐波；功率因数校正器（PFC）来提高负载的输入侧功率因数，降低电力电子设备对电网的污染；配电用静态同步补偿器（DSTATCOM）来补偿配电网的过电压、欠电压及电压波动等；对电压质量问题的补偿设备主要有不间断电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）和统一电能质量调节器（UPQC）等。目前，电力系统中同时出现多种电能质量问题的几率很大。从性价比和预防机制考虑，能够更有效的处理多种电能质量问题的设备就备受青睐，UPQC可以看作是串联型有源滤波器或DVR和并联型有源电力滤波器的结合，其可快速补偿供电电压中的突变、波动、中断和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡，还能补偿无功功率使功率因数为 1，其一机多能，具有更高的性价比，是用户电力技术发展的最新趋势和关键设备[10~16]。这也正是本文选择UPQC作为研究对象的重要原因之一。

1.3 统一电能质量调节器的研究现状随着配电网结构和电力负荷成分的日趋复杂，若干种电能质量问题在同一配电系统中或在同一用电负荷中同时出现的情况也会越来越多。例如，对于在同一配电母线上既有电压敏感负荷、又有非线性负荷、还有冲击负荷的情况下，就需要同时安装串联型电压补偿装置和并联型电流补偿装置。若针对每一种电能质量问题都分别采取一种类型的调节装置，这样多种装置同时使用将会大大增加治理措施的成本，还会增加装置运行维护的复杂程度，并且各装置之间还存在着协调配合问题，影响联合运行的可靠性。既不经济，又不现实。于是，日本学者Akagi H在1996年分析有源滤波器新趋势一文中[10]，首次提出了集串联型和并联型装置于一体的综合型电能质量调节装置的概念。统一电能质量调节器 UPQC（Unified Power Quality Conditioner）又称为统一电能质量控制器（Unified Power Quality Controller）。UPQC作为用户电力的第三代产品，可以同时实现电压、电流和无功及平衡等多项电能质量问题的调节，是目前用户电力研究的重点之一。

1.3.1 UPQC 的基本原理Akagi H 提出的 UPQC 的拓扑如图 1-1 所示。主要由串联单元、并联单元两部分通过直流电容 C 耦合而成。其中，串联单元由串联型有源滤波器及串联变压器组成；并联单元由并联型有源滤波器及并联变压器组成。串联单元具有谐波隔离、电压调整功能；并联单元具有无功补偿、谐波电流补偿、平衡化补偿功能，并负责调节直流侧电容电压等功能。Akagi H 提出的 UPQC只是简单的将串联型有源滤波器和并联型有源滤波器合并在一起，UPQC 的具体电路形式有待进一步深化和扩展，综合功能也有待进一步丰富和完善。经各国学者的努力和研究，目前 UPQC 从信号检测、控制方式和拓扑结构等方面都有了很大的变化，但仍有许多问题需进一步深入的研究，以使 UPQC能充分发挥其强大的综合补偿和调节功能。

1.3.2 UPQC 的拓扑结构由图 1-1 可知，UPQC 是由电压源型换流器构成的并联部分和串联部分通过直流电容 C 背靠背连接在一起的，其实际是为电网中的谐波提供了另一通路，该通路是典型的 AC-DC-AC 结构，而正序基波功率通过图 1-1 中的线路传输，以保证非线性负载产生的谐波不会对电网造成污染以及为负载提供对称的正序基波电压，满足用户的要求。之后 Akagi H 又提出了一种拓扑结构，与图 1-1 的结构基本相同，但连接次序不同，如图 1-2 所示。文献[17]详细地分析了两种连接方式的特性和优缺点，其中第二种连接方式有一定的缺点。因此，目前研究的 UPQC，基本都是针对图 1-1 的拓扑结构进行的。

以上方法各有优缺点，其中模拟带通（或带阻）是最早的谐电流检测方法，概念清晰，电路结构简单，但滤波器对元件参数非常敏感，受外界环境影响较大，很难同时得到理想的幅频特性和相频特性，在电网频率发生变化时检测精度很差，而且不能分离出无功电流，因此现在已很少使用。傅里叶变换方法是典型的频域分析方法，作为最经典的信号处理手段在电能质量检测中发挥了重要作用。该方法在理论上可以分离出任意次的谐波量，各种算法的离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）已成为谐波分析的基础，但其运算量大，实时性差，对于快速变化的电能质量问题，该方法已不能很好地满足[34]。基于 Fryze 时域分析的有功电流分离法，基本原理是将负载电流分解为两个正交分量，即与电压波形完全一致的分量和广义无功电流分量。该方法的主要缺点是要对一个电网周期的电压和电流进行积分运算来获得有功电流，所以检测的广义无功电流至少有一个周期以上的延时，而且其在电网电压波形畸变或含有负序成分时，检测的“有功电流”也会含有谐波或负序电流，不能正确的补偿。自适应干扰对消方法[27]，其检测延时大于 20ms，动态响应较慢，难以保证实时性，它比较适合对缓慢变化负荷的检测；人工神经网络与自适应干扰对消相结合的方法[36]，其动态跟踪效果比单纯的自适应干扰对消方法有所提高，但计算复杂。小波变换方法[26]，由于其具有时－频局部化的特点，特别适合于对突变信号和不平稳信号的分析，但将其检测结果直接作为电压、电流的实时补偿信号时，其在兼顾动态跟踪速度和准确度方面还有待进一步改善，需要寻找一种更快速的小波算法和性能更好的小波基函数来实现电压、电流补偿信号快速而准确的检测。另外，还有一些将以上方法与其它智能方法相互结合的改进算法[37]，但这些方法总的来说实现起来较复杂。目前被广泛采用的是基于瞬时无功功率理论（Instantaneous ReactivePower Theory）的αβ变换方法[38,39]或dq0 变换方法[22]。

瞬时无功功率理论最早由日本学者Akagi H提出，是目前三相有源电力滤波器中应用最广的实时谐波和无功电流检测方法之一，其自上世纪 80 年代提出后，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时有功功率、瞬时无功功率等瞬时功率量，因此又称为pq理论。它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况，使谐波和无功成分UPQC拓扑的另一发展趋势是与无源滤波装置的结合，一方面对于某些实际系统和现实条件的制约，例如为减少投资成本和扩大补偿系统容量等要求的基础上采取与无源滤波器混合进行补偿，已有有关拓扑结构的报道[19]。另一方面，从用户的角度，由于某些负载有一定的固有特性，与混合型有源滤波器的原理相同，可以结合无源滤波装置来承担主要的补偿容量而减小UPQC的容量，使投资更经济、更合理。文献[19]在此基础上则提出了新的混合型拓扑，称为HPQC，无源滤波装置不是单独接入而是作为UPQC并联侧的构成部分，称为并联滤波支路。其由一个容量较小