（电力系统及其自动化专业论文）统一电能质量控制器（upqc）检测及控制方法的研究.pdf

r e s e a r c ho nd e t e c t i n ga n dc o n t r o l m e t h o d0 fu n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n t r o l l e r a b s t r a c t t h ep l e n t yo f h a r m o n i c sp r o d u c e db yn o n l i n e a r ，i m b a l a n c ea n di m p a c tl o a dc a l l m a k et h ew a v e f o r mo f c u r r e n ta n d v o l t a g ei np o w e rs y s t e mp r o d u c es e r i o u sd i s t o r t i o n , w h i c hp r o d u c es o m ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m s t h es a f e t yo fp o w e rs y s t e ma n dt h e q u a l i t yo fp o w e rs u p p l yh a sb e e nt h r e a t e n e d t h ei d e aw h i c hr e s t r a i np o w e rq u a l i t y f r o mw a v e f o r mo f c u r r e n ta n dv o l t a g ed d ? , o m e d e v e l o p m e n tt e n d e n c y u n i f i e dp o w e rq u a l i 哆c o n t r o l l e r ( u p q c ) i so n et h em o s t u p - t o d a t e d e v e l o p m e n tt r e n d so fc u s t o mp o w e ra n d a l li m p o r t a n tr e p r e s e n ti nt h ea c t i v ep o w e r f i l t e rf a m i l y i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so f b o t ht h es e r i e sa c t i v ef i l t e ra n dt h ep a r a l l e l a c t i v ef i l t e r , w h i c hp r o v i d e sc o m p r e h e n s i v ep o w e rq u a l i t yc o m p e n s a t i o n s i tc a n c o m p e n s a t ev o l t a g e ，c u r r e n ta n dp r o m o t ep o w e rq u a l i t y a tf i r s t , t h et o p o l o g ya n dt h ef u n c t i o no f u p q ca r ee x p l a i n e di nt h et h e s i s t h e n , t h ed e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c ha r et h ei m p o r t a n tp a r t sa f f e c t i n g t h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to ft h eu p q c ，a r ed i s c u s s e da n di n v e s t i g a t e di nd e t a i li nt h e t h e s i s i nt h eb a s i so f a p f d e t e c t i n gm e t h o d t i l et h e s i sd e d u c e st h ed e t e c t i n gm e t h o d o f v o l t a g ea n de r a r e n tb a s e do ug e n e r a l i z e di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y t h i s p a p e ra l s o s h o w st h e d e t e c t i n gm e t h o do fv o l t a g ea n dc u r r e n tb a s e do np a r k t r a n s f o r m a t i o ni sc o r r e c ti n t h e o r y t h i sp a p e ra s e ss p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) a sc o n t r o lm e t h o do f u p q ci n v e g e r t h eb a s i cp r i n c i p l eo f s v p w mi sd e s c r i b e di nd e t a i li nt h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t sg i v e ni nt h et h e s i sv e r i f y t h ec o r r e e t n e s so f t h ed e t e c t i o nm e t h o do f v o l t a g ea n dc u r r a n ta n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y p r o p o s e di nt h et h e s i s t h es t u d i e sp r e s e n t e di n t h i st h e s i si su s e f u lt op o w e rg r i dc o m p a n i e st o i m p r o v ee l e c t r i cq u a l i t ya n di sa l s ou s e f u lt op o w e re q u i p m e n tm a n u f a c t u r e st o d e v e l o pt h e i rp r o d u c t s k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；u p q c ；d e t e c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g y ；s v p w m i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成 果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表 或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的 研究成果。也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提 供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：卿年7 月j 开 学位论文使用授权说明 本人完仑了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存沦文； 在不以赢利为日的的6 口提下，学校可以公和论文的部分或全部内容。 请选择发御时f h j ： 矗驯时发布口解密后发靠 ( 保密论文需注l n 】，并红解密后遵i r 此规定) 论姗肯签名：】珏禾洲签铭：翔、啦叼年7 月h 广西大学硕士掌位论文 统一电能质量控制器( u p q c ) 检测反控彻方法的研究 第一章绪论 随着电力系统中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路的不断增加， 这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使电网中的电压、电流波 形发生畸变。另一方面，随着各种复杂精密的装置( 如计算机) 的普及应用，这些 敏感性负荷对电能质量提出了越来越高的要求。仅靠传统的无源滤波技术已经 不能满足要求，有源滤波技术获得了日益广泛的应用，并且成为改善电靛质量 的一种有效手段。 1 1电能质量问题的历史背景 众所周知，电能是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能 源形态，又是一种由电力部门向用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特 殊产品，在理想的电力系统中，电能是以单一恒定的频率( 5 0 r e 或6 0 h z ，我国 采用5 0 h z ) 和规定的电压水平向用户供电，电能质量的优劣主要用频率和电压来 衡量。在实际的电力系统中，由于系统运行状态的变化、电网规划的不恰当、 电力负荷本身存在的随机性以及其他不可预见的电力系统故障等原因，电力系 统的频率和电压不仅不能保持恒定不变，而且还会出现暂态过程，因此就提出 了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。因此，电能质量问题可以说是交流输配电系 统与生俱有的，并同电力系统自身的发展同步并随着电力系统的发展而不断增 添新的内容。 早在1 9 2 0 一1 9 3 0 年间，德国提出了静态整流器产生的电压波形畸变问题， 从此揭开了电能质量问题研究的序曲。5 0 年代- 6 0 年代期间，高压直流输电技 术迅速发展，由于换流器的非线性特性，在交流系统和直流系统中将出现谐波 电压和电流，有关换流器谐波问题的研究成为一个研究热点。各国对谐波问题 给予重视，定期召开国际性的学术讨论会，许多国家都制定了对电力系统谐波 和用电设备谐波的国家标准或电力部门的规定。 1 9 9 5 年，欧洲共同体在英国标准的基础上，颁农了一个电能质量标准，称 为公用配电系统供电特性，作为欧洲共同体对电能质量的统一标准【2 1 。相应 地以i e e es t d5 1 9 一1 9 9 2 和i e e es t d1 1 0 0 1 9 9 2 等为代表的美国标准较为详细规 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制墨( u p q c ) 检测反控制方法的研究 定了电力系统谐波、电压缺口( n o t c h e s ) 、闪变( f l i c k e r ) 等现象的定义、测量以及 减轻的措施。 1 9 9 6 年，i e e e 将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波 与电能质量学术会议，把电能质量提高到一个新的高度来认识1 3 。 1 2电能质量问题产生的原因【4 】【5 l 嘲 近年来，由于电网本身的非线性特征和大量非线性、波动性、冲击性负荷 的接入，使得电网污染越来越严重，电力部门和电力用户也越来越关注电能质 量。造成电能质量问题的原因有很多，但归结起来主要有以下几个方面造成的。 ( 1 ) 电网本身存在谐波源，如旋转电机和变压器等。在电网正常的稳态运行 条件下，这些非线性元件本身并不在电网中产生大的畸变分量，但是在扰动或 瞬态时和在其正常状态范围之外运行时，会产生大量谐波。 厨步发电机是电力系统的电源，它由原动机带动，当在转子的励磁绕组中 通以直流电源，并在磁极下产生按正弦分布的磁场时，定子绕组中将感应出正 弦电势。在实际电机中，由于磁极的结构本身的原因，转子和定子之间空气气 隙中的磁场并非完全按正弦分布，因此，发电机感应电势也就不完全是正弦波 形，必然含有谐波分量。谐波电势取决于发电机本身的结构和工作状况，其值 很小，因此根据国际电工委员会( i e c ) 的规定，发电机端电压的波形畸变率不得 大于5 ，因此，通常可以认为发电机的电动势是纯正弦波形而忽略其谐波分量。 变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯线圈的电路。若不计磁滞的影响， 当铁芯尚未饱和时，这电路就是线性的。当电压是正弦波时，电流也是正弦波， 反之也一样。当铁芯饱和后，它就是非线性的，电压也是正弦波时，电流就不 是正弦波，反之电流是正弦波时，电压就不是正弦波。饱和的程度愈深，波形 畸变也愈严重。在变压器正常运行状态下，励磁电流只占总电流的5 左右，电 流波形接近正弦波，波形畸变可以忽略。而在空载时，非正弦的励磁电流在变 压器一次侧绕组的漏感上产生压降，使变压器感应电动势上包含谐波分量。变 压器空载合闸时瞬态过程中，常常会出现很大的励磁涌流，其大小取决于铁心 材料、剩磁大小和合闸初相角。更有甚者，涌流波形强烈畸变，不但幅值可高 达数十倍的额定空载电流，而且正负半周的波形极不对称。 ( 2 ) 电力电子器件的广泛使用。电力电子器件是种典型的非线性负载，极 2 广西大掌硬士学位论文统一电能质量控制馨( u p q c ) 检测反控删方法的研究 易造成电压( 流) 波形的畸变。随着硅整流技术的发展和不断完善，硅整流装置在 各行各业中得到日益广泛的应用，大到直流输电用的整流和逆变装置，小到电 视机、电池充电器与节能灯等，其应用遍布于电力系统的各电压等级，这些大 大小小的谐波源都给电力系统造成了谐波污染。这些装置的接线和工作情况千 差万别，所产生的谐波电流也不尽相同。以广泛应用三相六脉动不可控整流为 例，其原理图如图1 1 。 c 奉 u n i v e r s a lb d d g e 图1 1三相六脉不可控整流器原理图 f i g 1 i t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f t h r e ep h a s eu n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r 当负荷为纯阻性时，直流侧电压与交流侧a 相电流如图l - 2 ( r = 1 0 0 q ，u a = 2 2 0 v ) 1 0 d 1 0 交流侧电流( a ) ! ； c 峙 0 0 f l ，5 口0 1 ( 3 0 1 5 讹( 1 9 2 图1 2 直流侧电压波形与交流侧a 相电流波形 f i g 1 - 2 t h e w a v e f o r m s o f d c a n d a cs i d e a p h a s e 很显然，交流侧电流存在大量的谐波。 ( 3 ) 电弧设备及大负荷切换对电网的污染。如现代大型超高功率炼钢电弧 炉，它具有功率因数低( 甚至低到o 1 ) ，无功波动负荷大且急剧变动，产生有害 的高次谐波电流，三相负荷严重不平衡产生负序电流等对电网不利的因素，使 得电网电能质量恶化，危及发配电和大量用户，也影响电炉自身的产量、质量， 使电耗、电极消耗增大，从而成为电网的主要公害之一1 7 l 。 在电网中，大负荷切换是引起电网暂态过程的一个相当普遍的问题，它可 以波及其他附近的电器设备，这种暂态过程可以产生大的惊人的电压幅值，由 于持续时间很短( 通常只有几个毫秒) ，它的能量非常小，但是那些对电压冲击非 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制器( u p q c ) 检测夙控制方法的研究 常敏感的电器设备可能由此导致运行混乱。例如，在大电机启动的过程中，电 机向电网吸收其正常运行所需6 - 7 倍的电流。这种在电网中突然增加的负荷会引 起电压下陷，下陷的幅度由电网的阻抗和电机的启动电流决定。 1 - 3 电能质量污染的危害 电能质量污染带来一系列的问题，如：影响变压器、发电机、电动机、电 容器的正常运行，使其损耗增大、发热、绝缘老化、寿命降低；引起异步电机 转矩降低、震动加剧、噪声增大；引起继电保护自动装置误动作；引起计算机 等精密电子设备运行不正常：对通讯线路、测量线路产生辐射干扰等。据美国 电力科学研究院( e p i l r ) 有关专家估计，当前电能质量的相关问题在美国每年造成 的损失可达数百亿美元嗍。电网电能质量污染的危害和影响主要涉及三个方面， 即电力系统本身、电力用户和相关行业等。 1 3 1电能质量污染对电力系统的危害 电能质量的恶化给电力系统安全稳定性带来严重的危害。主要表现：线损 增加、变压器寿命降低、计量仪表误差、继电保护和自动装置的误动作等 9 1 。 ( 1 ) 线路损耗增加。谐波污染引起谐波电流在输电线路上的流动，由于集肤 效应和邻近效应，使线路阻抗随频率的升高而增加，引起附加能耗，造成电能 浪费。当系统发生谐振或谐波放大，尤其是商次谐波的情况下，谐波电流污染 对线损的影响将更明显。 ( 2 ) 一次运行设备寿命降低。比如，谐波电流使变压器的铜耗、铁耗及噪声 增大，引起变压器振荡。对三角形连接的变压器，零序谐波电流和3 次谐波及 其整数倍的谐波电流，在其绕组中形成环流，使绕组过热，温度过高，降低变 压器的工作年限。对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中 分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3 次谐波谐振， 使变压器附加损耗增加。 由于电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，在电网低谷负荷下当电网电 压上升而使谐波电压也升高的时刻，更容易造成绝缘击穿的事故。谐波引起电 缆损坏的主要原因是浸渍绝缘的局部放电、介损和温升的增大。通常电缆的额 定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。 4 广西大学硕士掌位论文 筑一电能质量控制嚣( u p o c ) 检渊覆控制方法的研究 ( 3 ) 计量仪表误差。比如：感应式电度表对谐波频率有负的频率误差特性， 电度表对谐波消耗的功率计量是不足的，畸变电源供线性负荷时，电度表记录 的是基波电能及部分谐波电能，用户不但多交电费，而且受到损害。正弦波电 源供非线性负荷时，电度表记录是基波电能并扣除小部分谐波电能，用户产生 的谐波不但污染了电网，还少交了电费。 ( 4 ) 继电保护和自动装置的拒动或误动。电网电能质量指标恶化会引起各类 继电保护和自动装置的拒动和误动，谐波分量较高的情况下，会引起过电压保 护、过电流保护动作；如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小， 此时当三相严重不对称、正序谐波、负序谐波含量较高的情况下，则可能会干 扰装置，会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统的安全。 1 3 2 电能质量污染对电力用户的危害和影响 电能质量指标的下降给电力用户安全生产、生活及用电设备带来了不良的 影响。主要表现：威胁用户电力设备的安全稳定运行、影响电力用户生产的产 品质量等。 ( 1 ) 危害用户用电设备。谐波对电动机的危害主要是产生附加的损耗、效率 降低、机械振动和噪声。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率增高而使在电 动机的铁芯和绕组中产生的附加损耗增加。当三相供电电压不对称时，负序电 压在定子绕组上产生负序电流，并励磁产生负序旋转磁场，该制动磁场降低了 电机的最大扭矩和过载能力，增加铜耗，并且负序过电流可以将电机定子绕组 烧毁。实验表明，在额定出力下持续承受为3 额定电压的负序电压时，电动机 的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机 承受的负序电压不宜超过额定电压的2 。 谐波会使电视机、微型电子计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化， 并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，甚至数据的丢 失。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器、荧光灯和汞灯来说， 会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器 因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使 控制回路误触发。 ( 2 影响电力用户生产的产品质量，给用户造成重大损失。例如，上海浦东 会桥开发区内的华虹n e c 电子有限公司( h h n e c ) ，是一家生产硅晶片的高科技 广西大学硕士掌位论文 统一电能质量控制嚣( u p q c ) 检测及控制方法的研究 企业，对电能质量要求非常严格。h h n e c 由三路3 5 k v 电源供电，其中有一路 电源来自小系统，电压波动比较严重，每次电压波动，就可能引起生产设备停 机或工作异常，造成产品报废。每发生一次类似事故，估计造成的直接经济损 失在2 0 0 万元人民币以上【埘。 1 3 3电能质量污染对相关行业的危害 ( 1 ) 对通信的干扰 电力网和电信网的架设距离一般较近，很多情况下甚至同杆架设，随着低 压电网电能质量的污染日益加剧，电能质量问题对通信的影响也日益严重。谐 波干扰会在通信线路上产生声频干扰，引起通讯系统的噪声，降低通话的清晰 度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和其基波频率的共同作用下引起电 话铃响，甚至在极端情况下，甚至还会威胁通信设备和人身安全。 ( 2 ) 对其他行业的干扰。 电能质量污染对其他行业的影响主要有如下两个方面：供电质量的下降直 接危害正常的生产运行，如精密制造业，增加其生产产品的废品率，降低设备 的使用年限；通过电磁感应产生影响，如对有线电视、广播的信号干扰等。 1 4电能质量污染的治理j 电能污染日益严重，如何提高电能质量，有效抑制电网中的谐波和无功功 率，引起电力研究人员广泛的关注。许多学者和专家对电能质量问题进行了大 量的理论和实验研究，致力于研究和开发补偿装置来解决电能质量问题。通过 对这些装置和补偿方法的分析，主要分为以下两类： 1 4 1 改善电能质量的传统方法 ( 1 ) 调节有载调压变压器的分接头，可保持电压稳定，保证电压质量，但不 能改变系统无功需求平衡状态，同时也可能影响变压器运行的可靠性【屹1 。 ( 2 ) 局部并联电容器组，可补偿系统无功功率，解决电压偏低的问题，但对 轻载电压偏高的电能质量问题却无能为力，此外，在谐波负载下用电容器进行 无功补偿时，会产生谐波电流严重放大，甚至引起谐振现象。 ( 3 ) 无源滤波器是传统的抑制谐波电流的主要手段，安装在电力电子设备的 交流侧，它通过l c 谐振回路吸收电网中的谐波电流，是目前采用的抑制谐波 6 广西大掌硪士掌位论文 统一电艇质量控制嚣( u p o c ) 检测a 控制方法的研究 及无功补偿的主要手段。但它易受系统参数的影响，耗费多、体积大，而且只 能抑制固定频率的谐波，同时也可能造成系统谐振。 一 ( 4 ) 通过备用发电机组和机械式双电源切换装置等方法对重要用户连续供 电。 以上传统方法都能在一定程度上解决电能质量问题，但在实际应用中也越来 越暴露出本身无法克服的缺陷，因此必须提出新的解决电能质量问题的方法 d 3 1 1 4 。 1 4 2基于用户电力技术的解决方法 电力电子技术的应用给解决电能质量问题开拓了广阔的前景【l5 1 ，1 9 8 8 年， 用户电力技术( c u s t o mp o w 砷的概念首次被提出f 1 6 】。这是一种将电力电子技术、 微处理技术，控制技术等运用于中低压配电和用电系统，可很好地解决谐波畸 变、电压波动和闪变、电压不对称等问题，提高供电可靠性和电能质量。9 0 年 代以来，随着各种大功率电力电子器件的相继问世，随之形成一系列的电能质 量补偿控制设备，从而大大提高了电网的电能质量1 1 7 】【1 8 1 。用于改善电网电能质 量的用户电力技术主要使用的装置或设备有1 1 9 】f 2 0 】： ( 1 ) 静止调相机( s t a t c o m ) ，正常工作时并联连接在电网中，通过调节电力 半导体的通断，改变交流侧与电网同频率的输出电压的幅值，使该电路吸收或 发出满足要求的无功功率，来实现无功补偿的目的。 ( 2 ) 固态电子转换开关( s s t s ) ，克服传统的机械开关响应速度慢的弊端，用 于保障由多回独立馈线对重要负荷的供电质量，当馈线发生故障或电压跌落时， 利用s s t s 的快速切换特性( 切换速度不到半个周期) 将重要负荷切换到由另一条 馈线供电，保证对重要用户可靠供电。 ( 3 ) 动态电压恢复器( d v r ) ，是目前保证敏感负荷供电质量非常有效的串联 补偿装置，因为它通过自身的储能单元，能在毫移级内将电压跌落补偿至正常 值，因此是抑制动态电压干扰的有效补偿装置，保证敏感负荷对电压质量的要 求，如半导体生产厂家等。 ( 4 ) 不间断稳压电源( u p s ) ，当系统供电正常时，u p s 将交流整流成为直流 并向电池充电，从而交流电能储存为直流电能，供电中断时，u p s 将储存在电 池中的直流电能逆变成为交流电能，用于保证重要负荷的不问断供电，如银行、 医院、厂矿等的紧急供电。 7 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制嚣( u p q c ) 检涮反控制方法的研究 1 5 有源滤波器的发展及统一电能质量控制器的提出 由于谐波是影响电能质量的最主要因素，因此有源滤波技术利用电力 电子技术来控制谐波是用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 实施的主要手段之一，已经 成为一种非常有前途的滤波技术。 早在7 0 年代初期，日本学者就提出了有源滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r ，缩写 为a p f ) 的概念。由于受到当时功率半导体器件水平的限制，a p f 一直处于实验 研究阶段。而进入8 0 年代以来，新型电力半导体器件的应用，脉宽调制技术 的发展以及基于瞬时无功功率理论的检测方法的提出，使a p f 得到了迅速发展 和完善。随着电力系统的集成化及各种电能质量的出现，日本学者a k a g i 在1 9 9 6 年分析有源滤波器新趋势一文中，首次提出了统一电能质量控制器 p q c 叫m i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 的概念。 u p q c 即是本文的主要研究对象。 1 6 本文的主要工作 本文在分析a p f 的功能和原理的基础上，以一种新型的有源滤波装置 统一电能质量控制器( u p q c ) 为研究对象，进行理论分析与仿真研究。 1 、课题研究的i ； 期，查阅了大量国内外有关电能质量问题的文献，分析了 电能质量产生的原因、危害和治理电能质量一些手段以及特点。 2 、u p q c 主电路的拓扑结构的研究，u p q c 是从a p f 发展而来的，离不开 a p f 的本性。在此基础上，深入分析了u p q c 的工作原理。 3 、在现有检测方法的基础上，结合u p q c 的补偿思想，理论推导了基于对 称分量法和瞬时无功理论的u p q c 电压电流综合检测方法和基于p a r k 变换的 u p q c 电压电流综合检测算法，在s i m u l i n k 仿真软件上搭建两种算法模型， 并进行仿真研究。 4 、在u p q c 的逆变器控制方法上，侧重对逆变器的控制，采用基于s v p w m 控制方式，并对s v p w m 的控制算法进行详细地分析与推导，利用m a t l a b 中 s i m u l i n k 动态仿真工具实现s v p w m 控制算法的动态仿真，验证了s v p w m 控制算法的在u p q c 装置中的有效性。 8 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制嚣( u f q ( ：) 柱测覆控制方法的研究 第二章统一电能质量控制器( u p q c ) 研究现状 及工作原理的分析 电力系统的发展趋于大型化，电力负荷越来越复杂，出现的问题也会越来 越多，若针对每种问题都采取特定的措施，安装特定的装置，则非常不经济、 不现实。统一电能质量控制器( u p q c ) 是c u s t o mp o w e r 技术中的关键设备，它由 串、并联有源电力滤波组成，结合了两者的优点，实现了电能质量补偿与控制 的多重功能，是电力有源滤波器的发展新趋势。 2 1 统一电能质量控制器( u p q c ) 的提出及其研究现状 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 同一配电母线上即有电压敏感负荷、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往，既不经济，又不现实。 在这种背景下，日本学者a k a g i 在1 9 9 6 年分析有源电力滤波器新趋势一文 中，首次提出了统一电能质量调节器( u p q c u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 的 概念【2 l j 【2 “，也称为统一电能质量控制器u p q c ( u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n t r o l l e r ) 1 2 3 】 2 4 1 。u p q c 是用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 中的新兴装置，由串联 型a p f 和并联型a p f 通过公用的自流母线电压藕合而成( 故又有文献称其为串 并联复合型有源滤波器) ，集电压补偿装黄、电流补偿装置和储能装置于一体， 不仅可以补偿由非线性负载产生的谐波、无功、负序电流，还可以调节负载端 电压为幅值一定的三相对称电压，统一实现多重电能质量调节功能，是用户电 力技术发展的最新趋势和关键设备，也是f r i e n d s 技术中的关键设备，因此 u p q c 已成为该领的研究热点。 近年来，国外许多先进国家都已在研制这种能综合解决多种电能质量问题 的装置，如：德国西门子公司在其串联型、并联型电能质量调节器产品基础上 9 广西大掌硕士掌位论文 兢一电艟质量控制器( u p q c ) 检测反控制方法的研究 开展了u p q c 同类综合型电能质i 调节器r ( s i p c o n - u ) 的研发【2 5 1 ，但至今世界上 未有此种综合装置投入现场实际运行，相信髓着电力用户对电能质量要求的不 断提高和该类装置成本的降低，不久的将来u p q c 将得到实际应用。 目前在国内，清华大学在成功研制s t a t c o m 基础上也开展了u p q c 同 类装置，即用户电力统一调节器u c p c ( u n i v e r s a lc u s t o mp o w e rc o n d i t i o n e r ) 实验 样机的研制，并取得阶段性成果 2 6 1 。哈尔滨工业大学、东南大学、武汉大学等 也在u p q c 的研究中取得了进展 2 2 , 2 7 , 2 8 1 。可见，u p q c 作为一种较理想的综合 电能质量调节装置倍受青睐，进入了研究高潮。由文献可知日本学者a k a g i 给 出的只是将串联型有源滤波器和并联型有源滤波器合并在一起的u p q c 拓扑 结构的雏形，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，特别是u p q c 多重补偿信号的快速同时检测方法、u p q c 串、并联 单元的协调控制策略等问题更需要深入系统的研究，以使u p q c 能充分发挥其 强大的综合功能，创造一个绿色的高效供用电环境。 2 2 最基本有源电力滤波器的工作原理 有源电力滤波器( a p f ) 根据与补偿对象的连接方式不同，分为串联型与并联 型两种2 9 l 【3 0 1 。按照目前的工业应用和实践，串联型a p f 主要用于补偿电网电压 的各种畸变分量，使用户端得到标准的正弦波电压；并联型a p f 主要用于抑制 非线性负载的电流谐波，避免谐波污染电网电流。 2 2 1 并联型a p f ( 补偿谐波电流) 图2 - 1 并联型有源电力滤波器( p a p f ) f i g 2 - lp a r a l l e l a p f ( p a p f ) 1 0 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制嚣( u p q c ) 检测及控舶方法的研究 流进非线性负荷的周期性非正弦电流( f ) 可用傅立叶级数展开为： t ( f ) = 1 m ( s i n m o t + o ) = ( s i n c o t + o f ) + l ( s i i l 删+ 或) 2 c o s 哆s l n 耐+ s m 够c o s 耐+ n = 2 ，删( s m ，删+ 或) ( 2 1 ) = 易s m 拼+ c o s 耐+ 1 ( s i n n o j t + o ) = 名o ) + ( f ) + ( f ) = i ( t ) + i h ( f ) 式( 2 一1 ) 中i f ( t ) 为基波电流，f 自( f ) 为基波有功电流，0 ( ，) 为基波无功电流， 毛( f ) 为高次谐波电流。 当补偿电流之( ，) = ( ，) 时，系统侧电流( r ) 将等于i l ( t ) ，即达到了滤波效 果；当补偿电流( f ) = i q ( t ) + i h ( t ) 时，系统侧电流( f ) 将等于名( ，) ，即同时达 到了滤波和无功功率补偿地效果。因此，并联型a p f ( p a p f ) 可等效为一受控电 流源。 2 2 2 串联型a p f ( 补偿谐波电压) 图2 - 2 串联型有源电力滤波器( s a p f ) f i g 2 - 2s e r i e s a p f ( s a p f ) 串联型a p f ( s a p f ) f f j 等效为一受控电压源。s a p f 可产生与负载端谐波电压 大小相等的补偿电压，从而将系统侧电压补偿为标准正弦电压。s a p f 主要用于 消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电 网一 吾一l 广西大学磺士掌位论文 筑一电能质量控制嚣( u p q c ) 检测夙控制方法的研究 压谐波与电压波动对敏感负载的影响。 由图2 - 1 和图2 - 2 可以看出，a p f 主要由两大部分组成。1 实时谐波检测 电路。它根据从系统中采集的电压和电流信号，通过某种算法实时地计算出所 要补偿的谐波量。2 p w m 逆变电路。脉宽调制( p w m ) 逆变电路本质上是一 个线性放大环节。它利用脉宽调制( p w m ) 技术，将实时谐波检测电路中计算 出的补偿谐波信号放大后再注入一次系统，以实现谐波补偿。 2 3u p o c 工作原理【3 。，3 2 ，3 3 ，3 ”5 1 统一电能质量控制器u p q c 与f a c t s 中的统一潮流控制器u p f c f o n i i i e d p o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 具有一样的主电路拓扑结构，但它们应用的场所和所实现 的功能不同，u p f c 应用于输电系统，而u p q c 应用于配电系统。u p q c 作为 功能最强大的电能质量综合补偿装置，其串联单元具有d v r 、d u p s 功能，其 并联单元具有s v g 、a p f 功能。u p q c 的串联、并联单元可解祸后独立运行实 现各自功能：也可联合运行实现统一的综合功能。 如图2 3 所示，可见u p q c 主要由串联单元、并联单元两部分通过直流 电容c d 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p t i 组成； 并联单元由并联型有源滤波器及并联变压器p t 2 组成。如文献所述：这里的 u p q c 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、平衡补偿功能。 ，、i 毒 t宁 巴 负载 图2 - 3u p q c 的基本拓扑结构 f i g 2 - 3 t h eb a s i ct o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f u p q c 1 2 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制嚣( u p q c ) 检测覆控翻方法的研究 如图2 3u p q c 的基本拓扑结构所示，串联有源滤波器通过耦合变压器连接 在电网与负载之间，按受控电压源方式工作，主要用来调节负载电压辐值和补 偿电源电压谐波。并联有源滤波器并联连接在负载上，按受控电流源方式工作， 主要作用是补偿负载谐波、基波无功和负序电流，并调节两个有源滤波器闻的 直流母线电压。 + u s 图2 4u p q c 等效原理图 f i g 2 - 4 t h ee q u i v a l e n tp r i n c i p l ed i a g r a mo f u p q c + u l 图2 4 为u p q c 的补偿等效原理图，“。为系统电网电压；砧，和。分别是负 载电压和串联有源滤波器提供的补偿电压；和，。分别对应负载电流和电源电 流；是并联有源滤波器提供的补偿电流；z 为系统非线性负载。 若电网电压是非正弦畸变信号，通过傅立叶分析，可被分解为基波正序、 基波负序和谐波分量。如图2 - 4 所示，当u p o c 的串联a p f 提供电网中的基波 负序和谐波分量时，则负载侧电压即可补偿成为三相对称正弦电压。同样，并 联a p f 提供的补偿电流满足负载电流中除基波正序有功电流外的其他分量，那 么希望补偿的负序、无功和谐波电流将不再流进电源，而直接进入并联a p f ， 从而电源电流将只提供负载中的基波正序电流有功分量。 广西大掌硬士掌位论文 筑一电能质量控制嚣( u p q c ) 检测及控制方法的研究 第三章统一电能质量控制器( u p q c ) 综合检测方法研究 统一电能质量控制器u p q c 作为综合型电能质量补偿装置，常常需要同时 解决多重电压、电流质量问题，这样就要求u p q c 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u p q c 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，这样才能保证u p q c 综合补偿的实时性和 准确性。因此，本章将对u p q c 的电压、电流补偿信号检测方法展开深入研究。 最后，通过仿真实验对所提出的u p q c 的电压、电流补偿信号检测方法进行了 有效验证。 3 1现有检测方法的分析【3 7 ，3 8 , 3 9 电能质量信号的检测技术一直是电能质量问题方面的研究热点。下面主要 列举几种有代表性的检测方法，并分析它们各自的特点： ( 1 ) 基于f r y z e 功率定义的检测方法 该检测方法的原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分 量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立 在平均功率的基础上，所以要求瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加 上其它运算电路，会有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电 流”实际是几个周期i ； 的电流值。 ( 2 ) 快速傅里叶变换( f f d 检测法 快速傅里叶变换( f f t ) 的出现，大大减少了时域一频域之间相互变换的运算 量，以快速傅里叶变换( f f t ) 为基础的全数字频域滤波方法应运而生。该方法能 自动跟踪电网频率的波动，自适应地提取基波分量。但此方法需进行两次f f t 变换，运算量仍很大，并且为防止混频干扰，往往还要对采样信号加前置滤波 器以滤去高频成分，所以该方法仍存在时延较大、实时性较差、补偿效果不好 等缺点。 ( 3 ) 自适应检测法 自适应检测法是利用自适应干扰对消原理，从负载电流中消去基波有功分 量，从而得到所需的补偿电流指令值，它通过不断的自我调整使系统处于最佳 1 4 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制嚣( u p q c ) 检测a 控制方法的研究 状态。其优点是抗干扰能力强，体现在：当电网电压畸变或基频扰动时，检测 系统仍能正常工作，运行特性基本上不受元件参数影响。其缺点也非常明显， 那就是实时性不好，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。为了解这一问题，有人提出了用神经网络实现的自适应检测法。 人工神经网络与自适应干扰对消相结合的方法：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。 ( 基于小波变换检测方法 基于小波变换的检测方法由于其具有时频局部的特点，可以检测出某一个 时刻不同频率信号的组成，特别适合于对突变信号和不平稳信号的分析，可以 跟踪变化突然的谐波信号，但实时性与检测效果不能同时兼顾，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。 3 2 基于对称分量法和瞬时功率理论的u p q c 检测方法 当u p q c 要同时实现a p f 和d v r 两者的功能时，它既要检测电流补偿量又要 检测电压补偿量，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 得到电流补偿量和电压补偿量，两者之间没有联系和基准，之问的不同步会造 成互相干扰和系统不稳定。因此在检测方面，在a p f 检测方法基础上，提出基于 对称分量法和瞬时功率理论的u p q c 电压电流综合检测方法。 3 2 1 检测原理f 4 0 4 i ，4 2 】 该方法首先从三相电源电压中提取电压单位正序分量，以其为基准得到所 需电压和电流补偿量。为得到基波电压正序分量可以将采样得到的三相电源电 压经低通滤波器滤去谐波后，再利用瞬时序分量分解。 ( 1 ) 求取基波正序电压分量 三相电压经l p f 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。其中，低通滤波器像其他任何检测方法一样，是不可 省略的环节，对检测精度和速度的影响最大。 广西大掌硕士掌位论文 统一电能质量控制器( u p q c ) 检测反控制方法的研究 根据电路理论及对称分量法可知： + = ；( 屹+ 口+ a 2 。c ) + = ；( 口2 + + 口酢) ( 3 - d = ；( 口+ a 2 + 虬) 式中口= 一”= c o s l 2 0