统一电能质量控制器的研究
内蒙古工业大学
硕士学位论文
统一电能质量控制器的研究
姓名：赵卫东
申请学位级别：硕士
专业：电力电子与电力传动指导教师：李含善
20060601
摘要
随着电网中非线性负载和电力电子装置的大量使用，由此引起的电能质量问题日益严重，针对电能质量问题的研究越来越引起人们的重视。本文主要研究了一种基于双变流器结构的统一电能质量控制器（UPQC-Unified Power Quality Controller），它具有对来自电网侧和负载侧的多种电能质量问题进行补偿的特性。
文中首先阐述了UPQC的研究背景和研究意义，分析了其系统结构和工作原理；接着，对几种指令信号的检测方法进行了简单的比较，提出了适合于UPQC的指令信号的检测方法；对比了目前广泛使用的几种跟踪型PWM控制方式，选取定时控制的瞬时值比较方式作为UPQC中PWM变流器的控制方法；随后分别对并联型有源电力滤波器（APF- Active Power Filter）、串联型APF、UPQC的参数选取以及参数的取值对补偿特性的影响进行了理论分析；最后在理论研究的基础上，应用MATLAB中的SimPowerSystems工具箱分别对并联型APF、串联型APF、UPQC 进行了建模和仿真研究，在电网中发生电压畸变、电压跌落、负载突变等几种有电能质量问题的用电环境下，对比了它们的补偿特性。仿真结果证明了UPQC结合了并联型APF和串联型APF的优点，具有较好的补偿特性，能够同时解决配电系统中的多种电能质量问题。
关键词：电能质量，统一电能质量控制器，指令信号检测，仿真
内蒙古工业大学科研基金资助项目（ZD200413）
Abstract
With the wide application of the nonlinear loads and all kinds of power electronics equipment, the power quality issues become more severe, so the study on power quality has aroused more and more attention. The unified power quality controller (UPQC) with double converter structure has been proposeed in this paper, which can effectively solve multiple power quality problems either from the load or from the line side.
Firstly the research background and signification of the UPQC is introduced, ane the system configuration and basic operation principles are discussed. Then, several kinds of detecting methods of compensation signals are discussed, and a kind of detecting method based on instantaneous reactive power theory is presented for the UPQC. The theoretic analyses and the simulation result examine the feasibility and validity of this detecting method. Subsequently, the two tracing pulse wide modulation control approaches which have been widely used are discussed , and the timer-control hysteresis pulse wide modulation control method is fit on the UPQC better. Moreover, the circuit parameters of the UPQC, series active power filter (APF) and shunt APF, which have great influence on the compensation effectiveness are studied. At last, based on the theoretical analysis, the simulation models of the UPQC, the series APF and the shunt APF, are built up with SimPowerSystems Blockset of MATLAB/SIMULINK. The simulation results show that the UPQC can solve multiple power quality problems in power systems, and its compensation function is better than other compensation equipments.
Key Words: Power quality；Unified power quality controller； Dictating signal detecting；Simulation
This project is funded by Science Foundation of Inner Mongolia University of Technology (ZD200413)
原 创 性 声 明
本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内蒙古工业大学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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第一章绪论
第一章绪论
1.1 引言
随着现代工业技术的发展，电力负荷的种类越来越多，特别是非线性、冲击性负荷在容量上、数量上日益增大，使公用电网中的各种干扰成分不断增加，电能质量日益恶化。
同时，现代工业的发展也对电能质量提出了越来越高的要求。目前工业中大量使用变频调速装置、精密加工工具、计算机信息系统等先进设备，这些设备对电源的波动和干扰十分敏感，任何供电质量的恶化都将影响这些设备的正常工作，对生产过程和产品质量造成危害。
由此可见，一方面是大量的非线性、冲击性负荷的应用对电网的电气环境产生了越来越严重的污染，另一方面是用电设备对电能质量提出了更加严格的要求，这就使供电和用电之间产生了矛盾]4~1[。如何解决这个矛盾，提高电能质量，是供、用电双方的共同愿望，也成为了电力行业的重要课题。目前，有源滤波技术是电能质量控制中较常用的技术，主要可分为串联型有源电力滤波器(Active Power Filter，简写为APF)和并联型有源电力滤波器两种，在发达国家有源滤波技术已经得到广泛的应用。
但是单一的串联或并联有源电力滤波器只能改善某一方面的电能质量，例如电网电压波动、电网电压谐波、或负载电流谐波等。于是，日本学者赤木泰文提出了统一电能质量控制器（Unified Power Quality Controller，简写为UPQC)的概念。在这种系统中，一个并联型有源电力滤波器和一个串联型有源电力滤波器通过公共的直流侧母线组合到一起，它结合了并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的优点，既能补偿非线性负载引起的谐波、无功电流问题，又能补偿电源电压畸变、电压跌落、波动等电能质量问题，是一种具有综合补偿功能的电能质量控制装置]95[?，所以对统一电能质量控制器进行研究具有重要的现实意义。
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1.2 电能质量理论
1.2.1 电能质量定义
研究电能质量的目的是为了优质供电，目前人们对电能质量的认识角度不同，电能质量还没有一个完全统一的定义。供电方把电能质量看成电压偏差和频率偏差的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能99%或者更高是符合质量要求的；而电力用户则认为合格的电能质量就是指电源特性能完全满足电气设备正常工作的需要，但实际上不同企业和不同用电设备对电源特性的要求可能相差甚远。伴随着电力市场的形成和发展，电能这种特殊的商品同其它商品一样也要遵循经济规律，最终将面临买方市场。因此，电能质量优劣，电力用户的衡量标准将占主导地位。这里有关电能质量的定义引用文献4中的叙述：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。
1.2.2 电能质量的特点
电能质量与一般产品的质量不同，有其特殊性，主要特点有：
（1）其质量问题不完全取决于电力系统，有些质量指标由用户干扰所决定，如谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡等；
（2）对于不同的供用电点，在不同的供用电时刻，电能质量指标往往是不同的，电能质量在时间上和空间上均处于动态变化中；
（3）电能质量不仅仅反映“电”的质量，也和用电设备的性能密切相关。因此，提供优质电能是由供用电双方共同保证的。
1.2.3 电能质量标准
我国根据自己的基本国情和参考国际电工委员会的标准，颁布了一系列符合我国国情的电能质量国家标准，对电能质量现象给出了具体的描述和分类]10[。主要有：
第一章绪论
（1）供电电压允许偏差（GB12325—1990）
供电电压偏差是指实测电压与额定电压之差，以额定电压的百分数表示。35KV 及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%，如果供电电压上下偏差同号（均为正或负）时，按较大的偏差绝对值作为衡量依据。10KV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%，220KV单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%、-10%。
（2）电力系统频率允许偏差（GB/T15945—1995）
电力系统频率偏差是指系统频率的实际值与额定值之差。电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz。当系统容量较小时，偏差值可放宽到±0.5Hz。用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2Hz。根据冲击负荷性质、大小及系统条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电机组和用户的安全、稳定及正常供电。当偏离值超过±0.5Hz时，则不仅仅使设备效率降低，而且会危及设备的安全。轻则引起不可逆转的累积性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃。
（3）三相电压允许不平衡度（GB/T15543—1995）
三相电压允许不平衡度是指三相电力系统中三相电压不平衡的程度，用电压或电流负序分量与正序分量的均方根百分比表示。电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。接于公共连接点的每个用户引起该点正常电压的不平衡度允许值一般为1.3%，根据连接点的负荷状况及邻近发电机、继电保护和安全自动装置运行的要求，可作适当变动。
（4）公用电网谐波（GB/T14549—1993）
谐波（分量）是指对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量，谐波含量是从周期性交流量中减去基波分量后所得的分量，谐波含有率是指周期性交流量中含有第n次谐波分量的均方根植与其基波分量的均方根值之比（用百分数表示），总谐波畸变率是指周期性交流量中谐波含量的均方根值与其基波分量的均方根值之比（用百分数表示）。
（5）电压允许波动和闪变（GB12326—2000）
电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期性变化，为电压调幅波中相邻2个极值电压均方根之差，以额定电压的百分数表示。即电压波动值ΔU为：
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N
U U U U min max ?=Δ （1-1） 电压闪变是指人眼对电压波动所引起的照明异常而产生的视觉干扰，它通常是
以白炽灯的通光量作为判断。闪变可分为周期性和非周期性两种，前者主要是由于
周期性电压波动引起的，如往复式压缩机，电弧炉等；后者往往与随机性电压波动
有关，如电焊机等。
1.2.4 电能质量问题的危害
经统计认为电压跌落和电压间断是目前影响最大的电能质量问题，一次很短时
的电压跌落或电压间断可以给现代企业造成很大的损失，英国1995年就电能质量
问题对容量超过1MW 的100家用户做了调查，结果显示在12个月内，69%的用户
的生产过程因电能质量问题而受到破坏，83%的事故由电压跌落和瞬时供电中断造
成]4[。其它电能质量问题对公用电网和用户的影响也不容忽视，主要包括以下几个
方面：
（1）电压波动会使电动机转速不均匀，危及电机安全运行，影响产品质量。
引起照明的闪变，使人的视力疲劳而降低工效。电压波动和闪变还会对数字系统形
成干扰，造成误动。
（2）电网谐波含量的增加，将造成电气设备寿命缩短，甚至损害，网损加大，
系统发生谐振的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置误动，仪表指示和
电度计量不准以及通讯受干扰等一系列问题。
（3）三相电压不平衡将会引起电机附加振动力矩和发热，变压器漏磁增加和
局部过热，电网线损增加，干扰通讯以及多种保护和自动装置误动等。
1.3 电能质量的研究状况
1.3.1 国外的研究状况
电能质量控制是一个复杂的系统工程,主要涉及电力系统、电工理论、电力电子
技术、自动控制理论等学科。国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所适用
第一章绪论
的功率理论的扩展，到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义；各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年，IEEE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。
理论方面国外积极开展电能质量指标的评价体系研究。如何评价电能质量的好坏，通常使用的几种定量评价电能质量的指标，如总谐波畸变率，功率因数等，当波形为非周期信号、频率为分数次谐波频率时，上述评价指标就有不协调的问题。这涉及到如何处理畸变、不平衡现象的功率定义问题，这方面国外已经作了大量研究，并给出了一些建议，但至今尚未取得一致意见。
此外，针对各种电能质量问题，国外还提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置]91[?。主要包括：无源滤波器（TF）、有源电力滤波器（APF）、电池贮能系统（BFSS）、配电用静态同步补偿器（STATCOM）、动态电压恢复器（DVR），静止无功补偿器（SVC），晶闸管开关电容器（TSC），不间断电源（UPS），统一电能质量调节器(UPQC)等。其中有源电力滤波技术是电能质量控制装置中的关键环节，主要可分为串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器，在日本和美国等发达国家已经得到了广泛应用。统一电能质量控制器是一种串并联混合型有源补偿装置，它结合了并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的优点，可以综合补偿系统的电压、电流扰动，具有较高的性价比，是有源电力滤波技术的发展新趋势。
1.3.2 国内的研究状况
我国对电能质量的研究处于起步阶段，但也取得了相当的进展。自20世纪90年代以来，通过借鉴国外的先进经验，并结合本国实际情况，先后制定了供电电压允许偏差（GB12325-1990）、电压允许波动和闪变（GB12326-2000）、公用电网谐波（GB/T14549-1993）、电力系统频率允许偏差（GB/T15945-1995）、三相电压允许不平衡（GB/T15543-1995）、暂时过电压和瞬态过电压（GB/T18481-2001）等电能质量标准]10[。对于电能质量问题，我国的理论研究和装置开发都还处于尝试应用阶段。有关电能质量的检测、分类和识别的分析方法的研究已展开，并且成为电能领
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域的热点问题]12,11[。目前国内也正在研究开发多种用以提高电能质量的装置，如有
源电力滤波器（APF ），配电用静止同步补偿器（DSTATCOM ），动态电压恢复器
（DVR ），统一电能质量控制器（UPQC ）等，有些装置已进入试验阶段]13,8[，但总
的来说和国外的差距还是明显的。
1.4 统一电能质量控制器
1.4.1 用户电力技术
为了解决电能质量问题，满足高质量供电的需求，以及电力系统本身向电力市
场发展的要求，用户电力技术应运而生。美国学者N.G .Hingorani 博士于 1988年提
出了用户电力（Custom Power ）技术]1613[?。用户电力技术是将现代电力电子技术、
微处理机技术、现代控制理论、数字信号处理技术、配电自动化技术等诸多学科技
术交叉结合而产生的新一代供电技术，以实现为不同质量要求的电力用户提供不同
质量电力供应，特殊要求特殊供应，优质高价，使供用电水平达到高度的灵活性、
可靠性、智能化和信息化，创造一个无污染的绿色供用电环境，为电力市场的发展
创造技术条件。
目前用户电力新技术主要是指利用GTO 、IGBT 等大功率电力电子器件组成的
控制设备，向用户提供高质量的、高可靠性的电力。随着研究的不断深入，国外已
经推出了一系列基于现代电力电子技术的新型电能质量控制设备，如有源电力滤波
器（APF ）、配电用静止同步补偿器（STATCOM ）、动态电压恢复器（DVR ）、功率
因数校正电容器（PFCC ）、统一电能质量调节器(UPQC )等。
1.4.2 统一电能质量控制器的系统结构和工作原理
统一电能质量控制器的系统结构如图1.1所示，可见UPQC 主要由串联型有源
电力滤波器（APF ）、并联型有源电力滤波器和储能电容三部分组成，其中串联型有
源电力滤波器（APF ）和并联型有源电力滤波器通过直流侧储能电容耦合在一起
]19,9[。串联型APF 具有谐波隔离、电压调节功能；并联型APF 具有无功补偿、谐
第一章绪论
波电流补偿功能，并且负责调节直流侧电容电压。
图1.1 UPQC的系统结构
U偏离正常值时，串联型UPQC的一般工作原理：一方面，当配电网母线电压
s
APF中的变流器将直流电容电压进行PWM调制变换为交流补偿电压，经串联变压器注入系统中，以补偿非正常电压与正常电压之差，最终使用户侧负荷电压保持正常值，从而确保对电压敏感的用电设备的可靠工作；另一方面，当用电负荷从电网吸收无功电流并向电网注入负序电流和谐波电流时，UPQC的并联型APF的变流器将直流电容电压进行PWM调制而改变变流器的输出电压，进而来调节并联型APF 的补偿电流，使之与负载中的无功电流、负序电流和谐波等畸变电流大小相等、方向相反，从而保证用电负荷对电网不产生污染。
1.4.3 研究统一电能质量控制器的现实意义
随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，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越来越多。例如，对于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，就需要同时安装电压补偿装置和电流补偿装置。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。即不经济，又不现实。于是，综合型电能质量调节装置的研究便由此产生。日本学者赤木泰文在1996年首次提出了统一电能质量控制器的概念]9,5[。在这种系统中一个并联型有源电力滤波器和一个串联型有源电力滤波器通过公共的直流母线组合到一起，既能补偿负载引起的谐波、无功电流等问题，又能补偿电源电压畸变、电压不稳及瞬时电压跌落等电能质量问题，是一种具有综合功能的电能质量控制器，
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是用户电力技术发展的最新趋势。目前国内华北电力大学、清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、华中科技大学、西安交通大学等在UPQC的研究中都取得了一定的进展]22~17,14[，可见，UPQC作为用户电力技术最具代表性的新兴技术设备，可以实现电能质量的综合治理，改善供用电环境，符合电力市场的发展要求，所以对统一电能质量控制器的研究具有十分重要的现实意义。
1.5 本文的主要工作
本文在广泛阅读有关文献基础上，针对统一电能质量控制器（UPQC）进行了理论和仿真研究，主要工作由以下几个部分组成：
（1）在阅览了国内外研究成果的基础上，叙述了电能质量的定义、特点以及电能质量问题的性质、危害。
（2）能否快速准确地检测出需要补偿的电能质量信号，是决定补偿效果的一个前提条件。推导了基于瞬时有功功率理论的指令信号检测方法，最后采用了较适合UPQC的基于dq0变换的检测方法，并进行了仿真研究，该方法具有较好的检测效果。
（3）统一电能质量控制器的补偿效果除了取决于指令信号检测方法外，还取决于变流器控制方法，文中分析比较了目前较常用的三角波调制方式、瞬时值比较方式和定时控制的瞬时值比较方式三种跟踪型PWM控制方法的工作原理，指出了它们的优缺点，选取定时控制的瞬时值比较方式作为UPQC的控制方法，并且进行了仿真研究，仿真结果证明采用此种控制方法，补偿信号能够实时跟踪指令信号的变化，控制效果较好。
（4）分别对串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器进行了参数设计和仿真分析，对其补偿性能进行了分析对比。
（5）在前面工作的基础上，对统一电能质量控制器进行了参数设计和仿真研究，并模拟电网电压跌落、电压闪变、过电压、欠电压、带有非线性负载等用电环境，仿真分析了UPQC在这些用电环境下的补偿特性，仿真结果证明了UPQC能够同时解决多种电能质量问题。
第二章 统一电能质量控制器的指令信号检测方法
第二章 统一电能质量控制器的指令信号检测方法
统一电能质量控制器作为一种综合型电能质量控制装置，常常需要同时解决几
种电压、电流质量问题，这就要求 UPQC 能够同时将电压、电流各自的畸变信号
快速检测出来，然后控制PWM 变流器产生补偿信号，来补偿电网中的畸变信号。
能否快速准确的检测到各种畸变信号直接影响到统一电能质量控制器的补偿特性。
因此，研究指令信号的检测方法具有非常重要的意义。本章介绍了瞬时无功功率理
论，通过详细的公式推导，验证了基于瞬时无功功率理论的指令信号检测方法。
2.1 指令信号检测方法的发展现状
指令信号的检测方法一直是人们研究的热点问题，方法有很多。最早的检测方
法是用模拟带通滤波器来实现]13,8[；然后有基于Fryze 功率定义的检测方法]8[；基
于FFT 的采样数字计算方法]24,23,8[；基于自适应干扰对消的检测方法]26,25[；基于瞬
时无功功率理论的检测方法]31~27[；基于人工神经网络与自适应干扰对消相结合的方
法]33,32[；基于小波变换的检测方法]35,34[等。
其中基于瞬时无功功率理论的检测方法是目前应用最广的一种检测方法，最早
是由日本学者赤木泰文提出的，经过不断改进，现在发展有 p-q 法、 ip-iq 法以及
dq0变换法。其中 p-q 法适用于电源电压无畸变时的指令信号检测；ip-iq 法的检测
结果不受电网电压畸变的影响；而基于dq0变换的方法能够适用于非正弦、非对称
三相电路的信号检测，该方法的检测效果也不受电源电压畸变的影响。
2.2 三相电路瞬时无功功率理论
在三相电路中，设各相电压和电流的瞬时值为a u 、b u 、c u 和a i 、b i 、c i 。为了
分析问题方便，通过3-2变换将它们分别变换到两相α-β正交坐标系中研究。由下
面的变换可得到α，β坐标系中两相瞬时电压αu ，βu 和两相瞬时电流αi ，βi 分别
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为： ?????????
????=??????232302121132βαu u ??????????c b a u u u ＝32C ??????????c b a u u u （2-1） ???????????????=??
????232302121132βαi i ??????????c b a i i i ＝32C ??????????c b a i i i （2-2） ??????=??
????βαi i C i i q p （2-3） 式中：
3211122022C ????=??? ， sinwt coswt C coswt sinwt ???=??????
在α-β平面上，把电压αu 、βu 矢量合成为u ，电流矢量αi 、βi 合成为i ：
βαu u u += （2-4）
βαi i i += （2-5）
αβ
i αu
图2.1 α-β坐标系下电压、电流向量图
定义三相电路瞬时有功电流p i 和瞬时无功电流q i 分别为电流矢量i 在电压矢量
u 及其法线上的投影，即：
θcos i i p = (2-6)
θsin i i q = (2-7)
式中，i 、u 分别表示向量i 和u 的模，θ为i 和u 之间的夹角。
定义三相电路瞬时有功功率为：
第二章 统一电能质量控制器的指令信号检测方法
ββααθu i u i iu p +==cos (2-8)
定义三相电路瞬时无功功率为：
αββαθu i u i iu q ?==sin (2-9)
写成矩阵形式为： ???????=??????αββαU U U U q p ??
????βαi i (2-10)
下面分析三相电压和电流为正弦波时的瞬时有功功率和瞬时无功功率的具体表达式。此时，三相电压电流的表达式为：
()???????????
????++=???????+=+=32sin 32sin sin π?ωπ?ω?ωv m c v m b v m a t U u t U u t U u (2-11) ()???????????
????++=???????+=+=32sin 32sin sin π?ωπ?ω?ωi m c i m b i m a t I i t I i t I i (2-12) 式中，m U 为相电压的峰值，m I 为相电流的峰值，v ?为相电压初相位，i ?为相电流初相位。分别把(2-11)、(2-12)代入(2-1)、(2-2) 得
()v m t U u ?ωα+=sin 2
3 (2-13) ()v m t U u ?ωβ+?=cos 2
3 (2-14) ()i m t I i ?ωα+=sin 2
3 (2-15) ()
i m t I i ?ωβ+?=cos 23 (2-16) 把(2-13)—(2-16)代入(2-10)中可得到下两式：
())cos(3cos 2
3i v i v m m UI I U p ?????=?= (2-17)
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())sin(3sin 2
3i v i v m m UI I U q ?????=?= (2-18) 式中U 、I 分别为相电压和相电流的有效值。
从上式可以看出，当三相电压和电流均为正弦波时，p 、q 均为常数，其值与按传统功率理论计算出来的有功功率和无功功率完全相同]28[。因此，瞬时无功功率理论包容了传统功率理论，可以看成是传统功率理论的延伸和扩展。
2.3 基于瞬时无功功率理论的检测方法
前文提到，以瞬时无功功率理论为基础的检测方法现在有 p-q 法、ip-iq 法以及 dq0变换法，下面以三相系统为例对各种检测方法进行简单介绍。
2.3.1 p-q 运算方式的检测方法
该检测方法的原理如图2.2所示]29,28[。a e 、b e 、c e 为三相电源电压，a i 、b i 、c i 为三相电源电流，根据瞬时无功功率理论计算出p 、q , 经过低通滤波器LPF 得到p 、q 的直流分量p 、q 。电网电压无畸变时，p 为基波有功电流与电压作用所产生，q 为基波无功电流与电压作用产生。于是，由p 、q 即可计算出被检测电流的基波分量af i 、bf i 、cf i ： ????????=????????=???????????q p C C e q p C C i i i pq pq cf
bf af 2321231 （2-19）
i i i ah bh ch
图2.2 p-q 法检测指令电流原理图
第二章 统一电能质量控制器的指令信号检测方法
上图中 ????????
?????????????=23212321013223C ，?????????=αββαe e e e C pq 将af i 、bf i 、cf i 与a i 、b i 、c i 相减，即可得出a i 、b i 、c i 的谐波分量ah i 、bh i 、ch i 。
当三相电压对称且无畸变时，p-q 法能检测出全部谐波和无功电流，当有源电力滤波器用于全补偿时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流，在这种情况下，只需断开图2.2中计算q 的通道即可，这时，由p 计算出被检测电流的基波有功分量apf i 、bpf i 、cpf i ：
????????=????
???????0123p C C i i i pq cpf bpf apf （2-20） 将apf i 、bpf i 、cpf i 与a i 、b i 、c i 相减，即可得出a i 、b i 、c i 的谐波分量和基波无功分量之和ad i 、bd i 、cd i ，下标中的 d 表示检测电路得出的检测结果。
由于采用了低通滤波器 LPF 求取p 、q ，故当被检测电流发生变化时，需经一定的延迟时间才能得到准确的p 、q ，从而使检测结果有一定的延时。但当只检测无功电流时，则不需低通滤波器，而只需 q 反变换即可得出无功电流，这样就不存在延时了，得到的无功电流如下式所示：
??????=????
??????q C C e
i i i pq cq bq aq 01232 （2-21） 2.3.2 ip-iq 运算方式的检测方法
图2.3是ip-iq 运算方式原理图，a e 为a 相电源电压，a i 、b i 、c i 为三相电源电流，由该图可以看出，ip 、iq 理论中，电源电压不直接参与运算，代之以与电源电压同相位的正弦信号t ωsin 和与之对应的余弦信号t ωcos ，它们由一个锁相环
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（PLL ）和一个正、余弦信号发生器得到。运算过程如下：
设A 相电压为： t E e a ωsin 21= （2-22） 而三相电流为： )sin(21
n n n a t n I i ?ω+=∑∞
= （2-23）
]32(sin[21
n n n b t n I i ?πω+?
=∑∞= （2-24） ]32(sin[21
n n n c t n I i ?πω++
=∑∞= （2-25） 其中,13±=k n ,k 为整数（k=0时，只取+号，即只取n=1），ω是电源角频率，n I 、n ?是各次电流的有效值和初相角。
i i i ah bh ch
图2.3 ip-iq 法检测指令电流原理图
图中????????????????????=23212321013223C ，??
???????=t t t t C ωωωωsin cos cos sin 则按照ip-iq 运算方式有：
?????
?????????±=???????????????????=?
?????????=????????∑∑∞?∞?113232])1sin[(])1cos[(3sin cos cos sin n n n n n n c b a c b a q p t n I t n I i i i C t t t t i i i CC i i ?ω?ωωωωωm m （2-26） 式中n=3k+1时取上符号，n=3k-1时取下符号。
第二章 统一电能质量控制器的指令信号检测方法
将上式所得电流经过低通滤波器滤除交流分量，得到ip 、iq 的直流分量
????????=???
?????)sin()cos(31111ωωI I i i q p （2-27） 再由图2.3求得：
????????????????+++?+=?????????????????=????????=???????????)32sin(2)32sin(2)sin(2sin cos cos sin 11111123123?πω?πω?ωωωωωt I t I t I i i t t t t C i i C C i i i q p q p cf
bf af （2-28）
这样，ip-iq 理论运算方式就精确地计算出了三相电流的基波分量，再经过一次简单的减法运算，就可以得到需要补偿的谐波电流分量：
????
?????????????????=??????????cf bf af c b a ch bh ah i i i i i i i i i （2-29） 进一步的分析结果表明]29,28[，对于三相三线制电路，只要电网电压发生畸变，而不论三相电流是否对称， p 、q 运算方式的检测结果都有误差，只是误差的形式将有所不同；而按ip 、iq 运算方式检测时，由于只取t ωsin 、t ωcos ?参与运算，电网电压畸变或不对称成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变或不对称的影响，检测结果是准确的。
2.3.3 基于dq0变换的检测方法
文献[31]中提出了一种能适用于非正弦、非对称三相电路的坐标系下广义瞬时无功功率的定义，并给出了各种电流分量的测量方法，即dq0变换法。采用该方法可有效的检测出三相广义瞬时无功电流，并可分离出三相瞬时有功电流、基波正序瞬时无功电流和基波不对称及高次谐波瞬时无功电流]37,36,31,30[。
内蒙古工业大学硕士学位论文
图2.4给出了dq0变换法的原理图。a e 为a 相电源电压，a i 、b i 、c i 为三相电源电流，根据对称分量法，设系统中的三相电流表达式为：
ac i bc i cc i
图2.4 dq0变换法检测畸变电流原理图
()()()
?????????++++=++++=++++=∑∑∑∞=?+?+∞=?+?+∞=?+?+202020n cn cn c c c n bn
bn b b b n an
an a a a i i i i i i i i i i i i i i i i i i （2-30） 式中：a i ，b i ，c i 表示三相电源电流；+a i ，+b i ，+
c i 表示三相基波正序分量；?a i ，
?b i ，?c i 表示三相基波负序分量；0i 表示零序分量，对三相三线系统有00=i ；+an i ，+bn i ，
+cn i 表示n 次谐波正序分量；?an i ，?bn i ，?cn i 表示n 次谐波负序分量，且有： ????
?????++=+?=+=+++++++++)32cos()32cos()cos(?πω?πω?ωt I i t I i t I i c b a （2-31） ????
?????+?=++=+=?????????)32cos()32cos()cos(?πω?πω?ωt I i t I i t I i c b a （2-32） 03
0=++=c b a i i i i （2-33）