摘要

統一電能質量調節器（UPQC）是用戶電力中一機多用、具有綜合電能質量調節能力的設備，它既可以改善電網輸入電流的品質，也可以改善負載側電壓的品質，是最能解決多種電能質量問題的有效設備之一。目前，UPQC還未能廣泛進入工業應用領域，其相關的檢測和控制技術還有待進一步完善和提高。本文針對 UPQC 信號檢測、控制模型和控制方法等方面存在的問題展開深入研究，并提出了新的檢測與控制方法。這些工作對于豐富 UPQC 的檢測與控制的基礎理論，對于推動 UPQC 向大規模工業應用，均具有重要意義。UPQC 的電壓電流信號中除包含正序基波分量外，還可能存在負序和零序基波分量以及其它諧波成分。目前普遍采用基于瞬時無功功率理論的 dq0變換方法提取正序基波分量，并由此實施對原始信號中非基波分量的補償。dq0 變換方法計算量較大，硬件實施較復雜，且不適用于單相檢測場合。針對此問題，本文在分析三角函數提取基波電壓電流成分有關信息的基礎上，提出了一種檢測 UPQC 電壓電流信號的新方法。該方法利用待檢測信號與正弦和余弦參考信號的少量乘除法運算，快速獲得待檢測信號中的基波電壓和基波電流表達式，為高效補償待檢測信號中的非基波分量奠定了基礎。

同時，該方法能夠動態實時跟蹤系統頻率和正序基波成分幅值與初相位的變化，提高了方法對系統運行工況變化的適應性。某些電力設備，在將其模型由 abc 坐標系變換到 dq 坐標系后，仍然存在d、q 軸間的交叉耦合，無法實施完全解耦控制。UPQC 的 dq 坐標模型也不例外。針對此問題，本文提出了一種實現完全解耦的新方法：在原模型由 abc坐標系變換到 dq 坐標系的基礎上，再增加一次由 dq 至 αβ 間的變換，就可使得再變換后的模型，其各軸分量間具有完全解耦的特性。利用此新方法，建立了 UPQC 的完全解耦模型。完全解耦后的模型，為在一定控制模式和控制方式下實現 UPQC 的解耦控制或控制系統的解耦設計提供了便利，有助于提高系統控制或系統設計性能。根據 UPQC 串并聯部分在系統控制目標上的不同分工，可以將 UPQC 的控制模式劃分為串壓并流模式和串流并壓模式，兩種模式都可以分別采用開環方式和閉環方式進行控制。本文分別從兩種控制模式和兩種控制方式入手，哈爾濱工業大學工學博士學位論文提出了相應的控制策略，給出了不同控制策略下給定參考量、檢測量等的計算與檢測方法。

其中，對開環控制，相關參數的計算充分利用了 UPQC 的解耦模型；對閉環控制，由于控制目標是通過特定的偏差信號進行自動調整，可以不依賴于 UPQC 串并聯部分的具體數學模型，但可以利用解耦模型對閉環控制系統的參數進行設計。仿真與實驗結果表明：無論哪種控制模式，按照本文提出的控制策略，都可以實現 UPQC 的控制目標，且對相同的控制方式，兩種控制模式的性能相近。UPQC直流電容電壓的控制，常采用PI控制器。PI控制器由于受到設計參數數量的限制，其控制性能可能難以達到比較理想的程度。由于分數階PIλDμ控制器在傳統PID控制器的基礎上增加了調節參數的個數，提高了控制器設計與控制規律優化的空間。鑒于此，本文將分數階PIλDμ控制器引入UPQC直流電容電壓的控制，設計的分數階PIλDμ控制器經仿真分析表明：分數階PIλDμ控制器與傳統PI控制器相比，有助于提高UPQC直流電容電壓的動態控制性能。本文研究工作得到了國家自然科學基金項目(項目編號：50467002)的資助。

1.1 課題研究的目的和意義

1.1.1 研究背景隨著我國電力工業持續快速發展，電力系統的規模不斷擴大，輸電線路傳輸功率與電壓等級在不斷提高，同時電力系統的元件成員也在不斷增加。其中，以電力電子技術為基礎的各種裝置和設備不斷提出并逐漸應用于系統之中。電力電子裝置的應用可以節約能源，提高電能的利用率，增加系統調控的靈活性；但另一方面，由于電力電子設備使用了像晶閘管等具有非線性半導體開關器件，使得其具有不可避免的缺點：這些非線性設備和負載使得大量的諧波電流注入電網，其中的一些設備需要系統提高大量無功功率，并可能引起三相不平衡和零序電流等。同時，隨著現代科學技術的發展，許多敏感性負載，如各種復雜的、精密實驗儀器和生產過程的自動化控制設備等，對于電網電能質量的要求非常高。所以，在電力系統中，就存在著如下兩方面的矛盾。一方面，伴隨著系統異常情況的瞬時供電中斷、電壓跌落等動態電能質量問題，會給用戶造成巨大的經濟損失。其中，以電力電子、計算機為代表的信息產業和高新技術產業中的很多電子設備，精密過程控制器、通訊設備等，對電能質量非常敏感，電能質量問題可能導致數據錯誤甚至丟失；控制達不到預計效果，影響產品質量，甚至可能出現設備的損壞和事故的發生。

另一方面，大量負荷也成為電能質量下降的主要原因。非線性元件和非線性負荷越來越多的應用于電力系統的用戶端，其產生的無功及諧波電流大量向中、高壓配電系統滲透，長期得不到治理，增加了系統的損耗；不對稱負荷加劇了電壓的不平衡度；快速沖擊負荷(軋鋼機、焊機、大型沖床等)從電網吸收無功，同時產生電壓波動和閃變，降低電動機的有效輸出，使產品成品率降低，縮短設備使用壽命。此外，由這些負荷造成的擾動也使遙控誤動、電纜過熱、變壓器中渦流損耗增加、保護誤動、電表測量錯誤等。- 1 –

第 1 章 緒論

國際大電網會議 36 學術委員會（電力系統電磁兼容）也把電能質量控制列入到電磁兼容的范疇[5]。因此，電能質量已被提高到了一個新的認識高度。

1.1.2 研究意義UPQC 在電力系統中的應用研究的必要性主要表現在以下幾個方面：（1）用戶對于電能的要求。科學技術及社會的不斷進步與發展，尤其是以信息技術為先導的知識經濟時代的來到，使許多的生產設備(如數控機床、醫療器械、高精度儀器和計算機控制系統等)要求電網提供綠色的電力，而且許多生產過程的自動化和智能化，使得這些越來越復雜、先進的現代生產過程對于諧波、動態過電壓、電壓凹陷、短時停電等問題非常敏感，不良的電能質量問題可能引起工業生產過程非計劃的停產或設備故障，導致用戶的生產成本增加，產品質量下降，造成巨大的經濟損失。（2）電力系統自身的要求。在電力系統規模擴大的同時，出現了許多特殊性的負荷，特別是沖擊性、非線性負荷，如冶金、化工、礦山等行業大量使用的晶閘管整流電源和電弧爐；工業生產中的變頻調速裝置；電氣化鐵道中的電力機車；高壓直流輸電中的換流站等。這些性質的負荷都可稱為諧波源，它們從電網吸收或注入諧波電流，可以導致電網的功率因數降低、電網電壓波形畸變、電壓波動及三相電壓不平衡等問題。（3）新型能源的分布式發電設備（如風能發電、太陽能發電和再生資源發電）的并網及利用等問題。上述新型能源由于其自身特點不能與電力網絡直接連接，而電力電子設備（主要是逆變單元）則是首選方案。該特點可以增大 UPQC 在電力系統中的應用范圍。綜上所述，任何一種電能質量問題都可能對用戶造成很大的負面影響。UPQC 作為能解決多種電能問題的設備，研究其對電力系統的作用，具有重要理論意義和實用價值。考慮到社會發展的背景和用戶的迫切需求，為更好地提高 UPQC 的功能，本文重點研究“統一電能質量控制器檢測與控制方法”。該課題的深入研究，不但有助于緊跟國際同類問題的研究步伐，而且具有重要的理論意義和實用價值。實現電能質量的綜合治理，改善供用電環境，既符合電力市場發展的要求，可為電力用戶提供純凈、可靠、穩定的綠色電源，也可以為供用電部門帶來可觀的增值效益。

1.2 電能質量的基本內容理想的供電系統中，電能應以單一恒定的頻率和穩定的電壓為用戶提供電力，而且希望負荷為電阻性負載，即功率因數為 1，以提高電能的利用率。但是由于系統規劃不恰當、調控手段不完善、負荷變化隨機性以及其它不可預見的各種故障等原因，理想的供電狀態在實際當中并不存在。因此就提出了電能質量的概念[10]。早期的電能質量標準只包含頻率、電壓和可靠性（不斷電）三個方面[11]。通過電力研究者的不斷努力，電能質量制定的標準從以電力企業自身需要出發轉為以電力用戶“所感受到的”影響為依據、從可靠性和供電質量兩個方面來考慮。制定的內容，除了常規的各項穩態及部分動態質量標準外，還新增了若干動態質量標準。國內外有關電能質量控制的研究已掀起高潮，其內容包括所適應的功率理論的擴展，電能質量評價指標體系的建立，新的電能質量分析方法的提出以及基于用戶電力技術