UPQC补偿量综合检测方案设计

郭鹤翔，智泽英，吴 英

(1.太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024；2.国网临汾供电公司调控中心，山西 临汾 041000)

随着科技水平的不断提高，电力网络中的负载变得多样化，许多负载对电能质量的要求很高，但自身在运行过程中会产生谐波，电能质量受到影响。治理电能质量问题的补偿装置种类较多，但功能单一，无法实现电能质量综合治理。统一电能质量调节器(Unified power quality conditioner ，UPQC)将串联型有源滤波器[1-2]与并联型有源滤波器结合在一起，综合了两种装置的补偿性能，对多种电能质量[3]问题的治理效果良好，是一种很有前途的电能质量调节装置。UPQC是一种电力系统网侧的装置，实现电能补偿的前提是对补偿量的精准快速检测。瞬时无功功率理论已广泛应用于UPQC的补偿量检测，在电网电压理想情况下可精准快速检测出补偿量，在电网电压谐波畸变且三相不平衡状态下[4-8]，补偿量的检测受到影响。解决这一问题可通过锁相环检测单相电压的相位信息，根据相位信息构造标准电压信号，使检测结果不受电压状态的影响，弊端在于对锁相环的性能要求很高，电路结构复杂，计算量大，锁相环中的滤波器会产生时延。

若能从畸变电压中直接分离出基波正序电压，则无需构造标准电压信号，省去了锁相环，简化了检测电路。基于这种思想，本文采用具有频率选择功能的正弦幅值积分器获取基波正序电压，实现了电压补偿量的检测；采用结构简单、计算量小的FBD[9]谐波电流检测法，实现了电流补偿量的检测。仿真结果表明提出的检测方案可实现电压畸变且不对称状态下UPQC补偿量的检测。

1 UPQC检测方法分析

UPQC对电能质量的调节过程分为检测与补偿两个环节。检测环节根据电网电压和电流的采集值计算出补偿电压和补偿电流的参考信号；补偿环节以参考信号为基准，通过逆变器跟踪输出补偿电压和补偿电流。补偿量的检测计算是实现精准补偿的前提。传统UPQC补偿量检测原理图如图1所示，此法通过锁相环检测电源侧电压usa的相位信息，经正余弦函数发生器与负载电压指令运算环节，得到期望标准电压，将标准电压与电网电压做差得到补偿电压；又通过ip-iq谐波电流检测电路计算出并联变流器的补偿电流，相位信息同样由锁相环提供。

图1 UPQC指令信号的统一生成方法
Fig.1 The generated method of UPQC command signal

此法对锁相环的性能要求很高，必须保证在电压畸变且不对称状态下，锁相环仍能精准快速锁定电压相位信息。基于同步参考坐标系变换的锁相环将三相电压变换到两相旋转dq坐标系，引入q轴分量的反馈，对相位信息实时调节，当电压处于不平衡状态时，负序分量会对dq轴分量产生100 Hz的波动量，相位无法锁定。基于解耦双同步坐标变换的锁相环,将输入电压分解于正序dq坐标和负序dq坐标下，通过解耦，使同步信号提取不受负序分量的影响，但结构过于复杂，且在电压畸变时无法实现相位锁定。自适应陷波器和基于二阶广义积分的锁相环，均可实现不对称工况下基波电压的提取，但必须通过瞬时对称分量运算分解对称分量与不对称分量，导致计算量增加，使检测过程趋于复杂化，同时造成不必要的延时。

谐波电流检测电路采用ip-iq谐波电流检测法，检测过程计算量大，包含四次坐标变换，且变换矩阵C和C-1必须以电源侧电压usa的相位信息为参考，当电压畸变或不对称时，谐波电流检测受到影响。

2 UPQC补偿量检测方案设计

针对UPQC补偿量检测方法存在的缺陷，在检测环节引入基于正弦幅值积分器(sinusoidal amplitude integrator，SAI)的电网基波电压同步信号检测电路和基于FBD法的谐波电流检测电路，可在电网电压不对称且畸变的状态下，实现补偿量的快速检测。UPQC补偿量综合检测方案原理图如图2所示。

图2 电压电流补偿指令综合检测原理图
Fig.2 The principle diagram of offsets detection

2.1 电压补偿量检测原理

在自动控制系统中，反馈环节中加入积分环节，可实现直流输入信号的无静差跟踪。同理，输入信号为正弦信号Acos(ωt) 、Asin(ωt)的自动控制系统，若其输出为：

(1)

则系统对正弦信号的幅值进行了积分，可对正弦信号无静差跟踪。正弦幅值积分电路可实现此功能，其结构图如图3所示，构造复系数传递函数进行分析，令：

X(t)=A[cos(ωt)+jsin(ωt)]

(2)

Y(t)=A[cos(ωt)t+jsin(ωt)t]

(3)

图3 正弦幅值积分电路
Fig.3 The circuit of the sinusoidal amplitude integrator

可得传递函数为：

(4)

在积分环节前加入值为ω的比例环节，令ω=2π50 rad/s，此时传递函数的频率特性如图4.

根据正弦幅值积分器的频率特性，角频率ω处幅值达到最大，ω以外的频率所对应的幅值趋向于零。证明正弦幅值积分器具有较强的频率选择特性，实际传递函数为：

图4 正弦幅值积分器的频率特性
Fig.4 The frequency characteristics of the sinusoidal amplitude integrator

(5)

正弦幅值积分器的中心频率ω=2π50 rad/s时，可将基波正序电压从畸变且不对称的电压中分离出来。将提取出的基波正序电压变换为三相坐标系下的三相基波正序电压，它与电网电压的差值即电压补偿量。采用正弦幅值积分器提取基波正序电压，电压检测电路的结构简化，时延减小,检测结果不受电压畸变和不对称状态的影响。

2.2 电流补偿量检测原理

FBD法[10-11]是基于三相的瞬时功率理论，其原理是假设电路的负载均为理想电导元件，分别串接于三相， 功率都无损失地消耗在等效电导上。电流包含谐波分量与无功分量时，只需提取等效有功电导的直流分量与其同相位电压相乘，得到基波电流的有功分量，电流的补偿量即基波电流有功分量与负载电流之差。其原理框图如图5所示：

图5 FBD法谐波电流检测
Fig.5 The harmonic current detection based on FBD

传统FBD法将锁相环与正余弦发生器构造的标准电压作为参考电压(图5虚线部分)。在本方案中不再采用此结构，由于在电压检测过程中已实现基波正序电压的分离，提取出的基波正序电压可直接作为FBD法谐波电流检测电路的参考电压。FBD法计算谐波电流的过程不受电压幅值参数的影响，为方便分析，令三相电压的幅值为1，参考电压为：

(6)

三相三线制系统无中性线，没有零序电流，只包含电流的正序分量和负序分量，则负载电流表达式为：

式(7)中：Ian、Ibn、Icn为n次谐波电流的幅值，φan、φbn、φcn为n次谐波电流的功率因数角，下标1,2分别表示正序电流、负序电流。

等效有功电导为：

I2n[(n+1)ωt+φ2n]}

(8)

由式(8)可知，当n=1时，等效有功电导表达式中存在直流分量I11cosφ11，n>1时，等效有功电导为余弦量的叠加。将低通滤波器的截止频率设为45 Hz，滤除式(8)中的余弦量，提取有功电导的直流分量。低通滤波器LPF的输出Gpf乘以与其同相位的参考电压得到三相基波正序有功电流：

(9)

电流的补偿量为：

(10)

3 仿真结果分析

通过Matlab/simiulink对提出的UPQC检测方案进行仿真验证。三相三线制系统线电压为330 V，谐波源为三相桥式整流电路，直流侧负载电阻值为10Ω，电感值为1 mH，仿真时间为0.2 s，通过三相可编程电压源在0.06 s设置单相电压跌落，跌落值为 0.2 pu；0.1 s注入5次和7次电压谐波(5次和7次谐波的含量最高)。对补偿前电压电流进行频谱分析，电压的谐波总畸变率为17.86%，电流的谐波总畸变率为25.07%，补偿前网侧电压、负载电流波形图如图6.

图6 补偿前网侧电压、负载电流波形图
Fig.6 The voltage and current waveform curves before compensation

图7(a)中0.06 s至0.1 s为检测出的基波负序电压分量，0.1 s至0.2 s为检测出的基波负序电压、5次负序谐波电压与7次正序谐波电压的叠加；图7(b)为检测出的谐波电流。在0.06 s和0.1 s电压状态变化时，提出的综合检测方法可快速计算出电压电流补偿量，电压变化没有造成暂态变化过程。

图7 电压电流补偿量
Fig.7 The compensation amount of voltage and current

图8为补偿后电压、电流波形图，电压的不对称分量、谐波分量以及电流谐波被抵消，对补偿后的负载电压和电源电流进行频谱分析，谐波总畸变率分别为1.58%、2.57%，满足谐波总畸变率低于5%的要求。在0.06 s和0.1 s电压状态发生变化，补偿效果不受影响，动态补偿性能良好。电流补偿量中包含无功电流，补偿后电压电流为正弦波且同相位，无功功率得到补偿。

图8 补偿后电压电流波形
Fig.8 The voltage and current waveform curves after compensation

4 结 论

针对UPQC在电压畸变且不对称状态下的补偿量检测问题进行了研究。对电压补偿量检测中的同步信息提取方法进行了分析和研究，提出了一种UPQC补偿量的综合检测方案，实现了基波正序电压的直接获取，省去了锁相环与电压构造环节，分离出的基波正序电压直接用于电压、电流补偿量的计算，简化了检测电路，电压状态发生变化时，补偿量的检测不受影响，补偿后电压和电流的谐波总畸变率低，电压电流同相位，实现了谐波抑制与无功补偿。仿真证明了该方案的可行性。

参考文献：

[1] 王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998．

[2] 姜齐荣，赵东元．有源电力滤波器——结构、同步信号的检测[J]．仪器仪表学报：2010，31(1)：78-84．

[3] 刘勇平，张井冈，赵志诚，等．基于LabVIEW的电能质量监测实验平台设计[J].太原科技大学学报：2016，37(2)：92-97．

[4] 田桂珍，王生铁，林百娟，等．电压不平衡时风电系统中基于双同步变换的锁相环设计[J]．电气传动：2010，40(7)：53-57．

[5] 程启明，胡晓青，吴凯，等．统一电能质量调节器的谐波检测与补偿策略研究[J]．电测与仪表：2012，49(3)：19-23．

[6] 徐海亮，章玮，胡家兵，等．电网电压不平衡及谐波畸变时基波电压同步信号的检测[J]．电力系统自动化：2012，36(5)：90-95．

[7] YUAN X，MERK W，STEMMLER H，et al．Stationary Frame Generalized Integrators for Current Control of Active Power Filters with Zero Steady-state Error for Current Harmonics of Concern under Unbalanced and Distorted Operating Conditions[J]．IEEE Transactions on Power Electronics：2002，38(2)：523-532．

[8] 康静，郑建勇，曾伟，等．FBD 法在三相四线制系统电流实时检测中应用[J]．电力自动化设备：2006，26(8)：36-39．

[9] 刘开培，陈艳慧，张俊敏．基于p- q- r 法的电力系统谐波检测方法[J]．中国电机工程学报：2005，25(14)：25-29．

[10] 马立新，王月晓，王晓丹，等．无低通滤波器FBD电流检测方法实现[J]．电力电子技术：2012，46(7)：58-60．

[11] 史丽萍，刘鹏，徐天然，等．一种改进无锁相环FBD谐波和无功电流检测方法[J]．电测与仪表：2014，51(16)：56-61．