胜业电气股份有限公司 王惠东

在社会经济飞速发展的背景下，大量电力电子设备被接入低压配电网系统中，不仅大大增加了电网输配电环节与用电终端的非线性负载，还会降低低压配网供电线的负荷功率因数，为切实提升电网的电能质量，需合理应用统一电能质量调节器。

1 当前低压配电网存在的电能质量问题

随着对生活质量要求的不断提高，220V/380V低压配电网电能供应的质量受到广泛关注，但受接入低压配电网中的供电设备数量不断增加的影响，低压配电网系统出现了诸如无功功率缺额、谐波量增加、电压质量下降、负载三相不平衡问题严重等情况。

首先，在新农村建设过程中，为推动现代化农业的发展，电镀机、转水泵等机械设备得到了广泛的普及，使得农机在运行过程中消耗的无功功率在低压配电网中所占比例不断增加，导致低压配电网的电能质量大幅度下降；其次，家庭中各类用电设备的普及度不断提升，使得大量谐波对电网产生了一定的冲击。如，电视机在运行过程中会产生大量的3次、5次、7次、9次谐波，在城市中广泛使用的荧光灯3次谐波含有率在75%左右，家庭常用电冰箱、洗衣机、空调等电气设备低频谐波含有率在40%左右。同时，计算机在低压配电网谐波源中所占的比例不断增加，上述情况都在极大程度上增加了低压配电网中谐波的含量。

再次，低压配电网区域性、时段性负荷增加情况较为频繁，会导致低压配电网负荷严重分布不均，用电随机性大、负荷性质多样等情况出现，进而对正常用电产生极为不利的影响。如，夏季干旱时大范围的灌溉活动、夏冬季节空调设备的大范围应用，都会导致区域性、时段性的负荷增加，进而影响低压配电网的电压质量；最后，单相生活电器设备有着单相功率大、使用随机等特点，大量接入低压配电网会导致三相不平衡问题出现，不仅会影响低压配电系统运行的安全性与稳定性，还会增大输电线路与配电变压器的损耗，严重情况下会引发电力事故[1]。

2 统一电能质量调节器拓扑结构及其检测技术

当前提升低压配电网质量的方法主要有两种：一是通过提升供电企业电能供应质量的方式，从源头上保证电力资源需求能够得以满足；二是通过在低压配电网上加装质量控制装置的方式，通过技术手段解决电能质量问题。过去一段时间内较常用的电能质量控制装置包括动态电压恢复器、静止无功发生器、有源电力滤波器等，但在实际应用过程中上述装置无法同时解决低压配电网的无功不足、谐波量大、电压质量偏低、三相不平衡等问题。而统一电能质量调节器作为一种既可对电压电能质量问题加以补偿、又可对负载电流电能质量问题进行补偿的装置，其应用情况受到广泛关注。

2.1 统一电能质量调节器的拓扑结构

2.1.1 拓扑结构的分类方式

近年来，随着科学技术的不断发展，统一电能质量调节器技术研究也在不断深入，为保证统一电能质量调节器能够更好地适应不同的电网环境条件，其拓扑结构也出现了一定的差别。统一电能质量调节器的拓扑结构分类方式较多，较为常见的分类方式包括基于变换器拓扑的分类，其中包括电压源型与电流源型两种；基于供电系统的分类，其中包括单项双线制、三相三线制、三相四线制等；基于统一电能质量调节器结构的分类，依据并联变流器相对于串联变流器的位置，可将其分成右并联与左并联两种；基于不同相路相互连接的统一电能质量调节器；多路转换统一电能质量调节器等。

2.1.2 主电路拓扑

图1为在低压配电网上工作的统一电能质量调节器主电路拓扑，该拓扑结构中有两个变换器，一个作为并联APF单元与负荷相连，另一个作为串联APF单元与电源相连；无源滤波器将变换器与电网系统连到一起，起到了平滑电流波形的作用，同时为实现变换器与电网间的电气隔离，可在此添加隔离变压器；普通的直流连接可由电容器或电感器完成，串联绝缘变压器与电网中的串联变换器相连；串联侧的无源低通滤波器可帮助电网去除高频开关波并形成变换器，实现电压的正常输出[2]。

图1 统一电能质量调节器主电路拓扑图

2.1.3 功率流动分析

统一电能质量调节器能对用户侧的谐波进行补偿（图2）。具体来说，统一电能质量调节器在工作过程中，网侧电压源能为统一电能质量调节器提供流动功率PS，为对网侧电压质量问题加以弥补，统一电能质量调节器串联单元可通过串联变压器向电网传输功率PSC，并联单元从电网吸收PPC的功率，然后将功率分成PSC与直流侧电容器存储功率PdC，串联变压器提供能通过负载所需功率PL与PPC。对上述功率流动情况进行总额及可得到统一电能质量调节器与电网负载间的功率流动方程：

图2 统一电能质量调节器功率流动分析

对方程进行分析可了解到，在该拓扑结构中，由于串并联单元的直流侧电容相同，这就使得两个变换器在工作过程中存在强耦合关系，若交流电源侧出现电压降低或电压谐波、电压分布不平衡等情况时，串联单元将会对并联单元直流侧电压产生影响，并对并联侧电流补偿能力产生不利影响。

2.1.4 直流侧拓扑方案

在实际应用过程中，为切实解决统一电能质量调节器串并联单元的耦合问题，可通过构建电阻隔离型拓扑结构、虚拟阻抗隔离型统一电能质量调节器拓扑等方式，降低因串联单元电网电压质量问题对并联单元直流侧电压的影响。

具体来说，电阻隔离型拓扑是一种利用电阻将统一电能质量调节器串并联单元直流侧电容进行隔离、降低电功率流动与并联单元直流侧电压影响的方式，在实际应用过程中可提高并联单元的补偿精度，有效提高装置电流的补偿性能；虚拟阻抗隔离型统一电能质量调节器拓扑在实际使用过程中，有着较高的稳定性与补偿效果，但需要注意的是，若电网系统出现电压质量问题时，那么虚拟阻抗隔离型统一电能质量调节器拓扑直流侧间将会出现较大的能量波动，进而导致直流侧隔离电阻产生大量的能量损耗，降低统一电能质量调节器整体的效率[3]。

2.2 统一电能质量调节器谐波与无功检测方法

2.2.1 无功检测方法的原理

目前常用的无功检测方法主要包括以下几种，其检测原理如下：

p-q瞬时无功检测算法。在经过αβ和dq后，对三相电压ua、ub、uc与电流ia、ib、ic的坐标进行变换，在此基础上对瞬时有功和无功功率p、q进行计算，然后通过低通滤波器的使用，对其直流分量加以提取，之后，继续变换器坐标，最终方能获得补偿指令信号；ip-iq检测算法。这种算法是在上述算法基础上创新而成的无功检测算法，两种算法之间最大的差别是该算法需要利用信号sinωt和cosωt，同时，还要借助定义对瞬时有功和无功电流进行准确计算。

理想谐波消除法。是一种对瞬时无功功率理论与UPF法进行优化的算法，在实际应用过程中，能够对负载产生的全部谐波和无功进行补偿，在此基础上消除不平衡，从而保证网侧电流和电网电压基波正序分量u1+同相(isref=Ku1+)是该算法主要目的。在这一过程中，网侧电源的输出功率为Ps=u isref=uKu1+=K(uαuα1++uβuβ1+)；延时信号消除法。这种方法被广泛应用于电网电压正负序分量提取过程中，这种算法既可将经过αβ坐标变换的畸变三相系统中的电网电压延时1/4周期，又可实现谐波的延时，便于系统在后续工作过程中实现谐波的抵消。

2.2.2 无功检测方法仿真分析

为对上述几种算法的应用效果进行准确评价，将网侧电压是否存在畸变现象或不平衡等情况作为依据设计了多种工况，并在三相三线制统一电能质量调节器系统检测环节中予以应用。分析结果如下所述：

在电源电压三相平衡且不存在谐波的工况条件下，p-q瞬时无功检测算法、ip-iq检测算法和理想谐波消除法的应用效果较为突出，具体表现为响应速度快，且检测出的无功、有功因素较为优异；在负载为三相不对称性负载的工况下，p-q瞬时无功检测算法、ip-iq检测算法和理想谐波消除法的应用效果较为突出，具体表现为响应速度快，且检测出的无功、有功因素较为优异；在电压平衡无谐波和电流不平衡有谐波的工况条件下，上述几种算法的检测效果并不显著。其中检测效果最理想的算法为延时信号消除法，这种方法可将电网电流谐波进行有效清除，与检测要求相符，但功率波动问题却没有得到改善。

2.3 统一电能质量调节器工作现状

在实际应用过程中，统一电能质量调节器的控制器主要工作方式为，由逆变器实现内层控制的跟踪指令值获取与外层控制指令值的获得。其中，统一电能质量调节器实现内层控制的方法主要包括三角载波线性控制、滞环控制、滑动模控制、模糊控制。

具体来说，首先，三角载波线性控制是最为简单的线性控制方法，且开关频率恒定，但其跟踪速度较慢；其次，指环控制是一种给出允许容差带，当发现高次谐波超出容差带后，逆变器开关自行动作，实现控制的方法；再次，滑动模控制是一种开关控制方式，在实际应用过程中，可实现系统状态频繁、快速的切换；最后，模糊控制是一种将专家知识、经验转化为预言控制规律，然后以此为基础，实现系统控制的方式。

对外层控制策略进行分析可发现，外层控制策略可依据其策略的不同，将其分成直接补偿与直接控制两种，具体来说，第一，直接补偿方式实现需先将要补偿的电压电流基变量检测出来，设为补偿参考值，然后由变换器发出参考分量，实现统一电能质量调节器性能补偿，在实际应用过程中，可实现谐波检测的方法包括基于快速变换的傅里叶变换法、人工智能法等；直接控制方式则是不经过谐波检测，直接控制电源电流，使其与电网的正序基波同步，形成标准正线电流，然后通过对负载侧电压进行控制，使其成为标准额定正弦电压的方式，避免统一电能质量调节器补偿过程中产生延时时间过长的情况出现。

现阶段，应用直接控制方式的统一电能质量调节器补偿方法包括电压电流双闭环控制法，即在应用过程中，这种控制方法并不需要对电网中电流的谐波成分进行检测，直接控制电网电流成为与电压同步的正弦波，当电流侧电压上升时，由于电网电流指令值将会下降，并联逆变器对指令值进行跟踪，同时这种对串联部分波长电压进行控制的方式，可保证负载侧电压为标准正线电压[4]。

总而言之，在新农村建设、城市化进程不断推进的背景下，大量非线性用电设备被接入低压配电网系统中，由于这些设备在实际使用过程中大多采用了高频逆变技术，这种情况的出现会增加配电网系统中的谐波含量、降低电力供应质量。现阶段为切实解决上述问题，合理应用统一电能质量调节器，成为了一项极为必要的工作。