基于Park变换的UPQC检测方法研究

收稿日期 :2004211219 文章编号 :167220792 (2005) 0120017205 基于 Park 变换的 UPQC 检测方法研究 梅慧楠 ,朱中华 ,程时杰 (华中科技大学 电气与电子工程学院 ,湖北 武汉 430074) Detection Method of Unified Power Quality Conditioner Based on Park Transformation MEI Hui2nan , ZHU Zhong2hua , CHENG Shi2jie (Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China) Abstract :The Unified Power Quality Conditioner is a kind of compos2 itive compensation equipment combining the series active power filter and parallel active filter. This paper introduces its function and sys2 tem configuration , and analyzes the difference of detecting method be2 tween UPQC and alone active power filters. This paper also presents an improved detecting method based on instantaneous reactive power theory. In this method , by using Park transformation , the peak am2 plitude and phase of positive basic frequency voltage are detected sep2 arately from unbalanced and distorted voltage in the series portion of UPQC , and the current reference of parallel portion of UPQC is deter2 mined by the detection of series portion and the theory of power bal2 ance. Compared with the existing detection method of UPQC , the proposed method avoids complex phasor calculation , and it does not need phase2locked loop and filter for three2phase unbalanced or dis2 torted voltages. The simulation verifies the correctness of the method. Key words : UPQC ; compositive compensation ; Park transformation ; active power filter 摘要 :介绍了一种综合型的电能质量补偿装置 UPQC 的功能 和结构 , 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了它的检测方法与单独的串、并联有源滤波器的 不同之处。在此基础上 ,提出利用瞬时无功功率理论中的 Park 变换法 ,分别提取三相不对称及畸变电压系统中基波正 序的幅值和相角 ,并让电源参考电流跟踪基波正序电压的检 测方法。该方法与现有的 UPQC 检测方法相比 ,简单易行 ,实 时性好 ,避免了大量的相量计算 ,且无须对三相不对称及畸变 电压进行锁相和滤波。仿真结果验证了这种方法的正确性。 关键词 :UPQC ;综合检测 ;Park 变换 ;有源滤波器 中图分类号 :TM53 　　　文献标识码 :A 近年来 ,随着电力电子器件的迅速发展和瞬时无 功功率理论的提出并应用于实践 ,APF (有源电力滤 波器)已成为解决电网电压畸变问题的最有前景的滤 波手段[1 ,2 ] 。但当电网电压和负载电流同时发生畸 变时 ,单独的串联 APF 和并联 APF 都难以达到理想 的补偿效果[3 ] 。而日本学者 Akagi 在 1996 年首次提 出的由串并联有源滤波器整合起来所构成的统一电 能质量调节器 UPQC (Unified Power Quality Condition2 er) [4 ] ,则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 ,具有综合的电能质量调节功能[5 ] ,被 公认为是极有发展前途的一种装置 ,也得到了广泛深 入的研究。 三相不平衡和谐波检测技术是关系到 UPQC 性 能好坏的关键技术之一。在实际中电网电压多为三 相不对称且畸变系统[6 ] ,如何从中快速准确地提取出 基波正序分量 (即检测出不对称及谐波电压之和) ,关 系到 UPQC 串联部分和并联部分的整体补偿效果 ,具 有重要的研究价值。 本文利用对三相电压进行 Park 变换后的结果分 别提取基波正序电压的幅值和相位 ,然后据此确定 UPQC中的正序有功电流 (即电源参考电流) 。它具 有良好的实时性 ,且算法简单 ,易于实现 ,能够方便地 应用于 UPQC 检测中。与现有的 UPQC 的检测方法 相比 ,它计算量小 ,且无需对三相畸变电压进行锁相 和带通滤波[6 ] ,避免了由此带来的检测误差。在三相 电压不对称且畸变 ,而负载为三相整流负载情况下的 仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明了该方法的有效性。 1 　UPQC 的结构及检测原理 111 　基本结构 UPQC的拓扑结构图如图 1 所示 ,它主要由串联 有源滤波器和并联有源滤波器构成。串、并联有源滤 波器的直流侧使用共同的母线电容 Cd 连接起来。 ·71· №1 2005 　　　　　　　　　　　　　 电力科学与工程 ELECTRIC POWER SCIENCE AND ENGINEERING 串联有源滤波器通过耦合变压器连接在电网和负载 之间 ,按受控电压源方式工作 ,主要用来补偿电压谐 波和不平衡 ,以及调节电压幅值。并联有源滤波器并 接在负载端 ,按受控电流源方式工作 ,补偿无功、谐波 和不平衡电流 ,并调节 2 个有源滤波器之间的直流母 线电压恒定。 图 1 　UPQC拓扑结构图 Fig11 　Topology of UPQC 112 　检测原理 UPQC的检测分为电压补偿分量检测和电流补 偿分量检测两部分。尽管 UPQC 由串联 APF 和并联 APF 复合而成 ,但它的电压检测和电流检测却不是分 别进行的 ,因为 UPQC 作为一个整体 ,其内部存在着 能量的交换和平衡 ,所以其检测原理采用文献[7 ]提 出的近似同步检测法 ,即先进行电网电压的检测 ,再 根据检测出的基波正序电压分量以及功率平衡的原 理来计算出负载电流的参考值 ,从而确定电流补偿分 量。故可知电压检测的灵敏度对整个统一电能质量 调节器的补偿效果影响极大。本文首先介绍 Park 变 换的原理 ,再比较 UPQC 的检测与单独串、并联有源 滤波器的区别 ,最后详细说明这种新型 UPQC 检测方 法的步骤。 2 　基于 Park 变换的 UPQC 检测方法 首先以 A 相为例 ,则通过傅里叶分析 ,可知电网 电压分为基波正序、基波负序和谐波分量。即 : usA ( t) = u1pA ( t) + u1nA ( t) + ∑ ∞ k = 2 ukA (1) 式中 : u1pA ( t) 为基波正序电压 ; u1nA ( t) 为基波负序电 压 ; ukA为 k 次谐波电压。 设基波正序分量 : u1pA ( t) = Vmcos (ωt +θ) (2) 式中 :Vm 为基波正序的幅值 ;θ为 A 相初始相角。 由瞬时无功功率理论可知 ,在 abc 坐标系中的三 相电压可以通过 Park 变换 , 变换到 dq0 坐标系中 , 即 : ud uq u0 = P ua ub uc (3) 式中 : P 为 Park 变换矩阵 ,即 : P = 23 cosωt cos (ωt - 2π3 ) cos (ωt - 2π 3 ) - sinωt - sin (ωt - 2π3 ) sin (ωt + 2π 3 ) 1 2 1 2 1 2 (4) 且易知 abc 坐标系的第 k 次正序电压变换到 dq0 坐标系后 , 在 d , q 轴上的分量将变为角频率为 ( k - 1) ω的正余弦量 , 而 0 轴分量为零 ; abc 坐标系 下的第 k 次负序电压变换到 dq0 坐标系后 , 在 d , q 轴上的分量将变为角频率为 ( k + 1) ω的正余弦 量 , 而 0 轴分量为零。因此 , 三相不对称且畸变电 压的所有各分量中 , 经过 Park 变换后只有基波正序 电压分量在 dq0 坐标系下呈现为直流量 , 而其他各 分量仍为交流量。则我们可以通过低通滤波器将基 波正序分量提取出来。由此可以看出 Park 变换是对 瞬时值进行分析 , 所以将它应用到谐波检测中具有 良好的实时性。 将瞬时无功功率理论应用于谐波检测促进了有 源滤波技术的快速发展。在如今的有源滤波器 , 包 括串联有源滤波器和并联有源滤波器的研究中也多 采用瞬时无功功率理论来检测谐波和不对称分量[2 ] 。 单独的串联有源滤波器中 , 利用 Park 变换检测畸变 电压的方法如下 : 先对三相电压 Us ( t ) 进行 Park 变 换 , 再使用一个低通滤波器滤出其直流量 (由上分 析知该直流量对应的是 abc 坐标系下的基波正序分 量) , 再对检测出的直流分量进行 Park 逆变换 (对 应变换矩阵为 P - 1 , 即将 dq0 坐标系下的量再反变 换回 abc 坐标系下) , 便得到我们所需要的基波正序 电压 u1p ( t) ,最后 , 将所得基波正序电压从电源电压 中减去 , 就得到了待补偿的包括基波负序和谐波电 压在内的所有畸变分量 uc ( t) 。其原理方框图如图 2 所示。 在单独的并联滤波器谐波电流检测中 , 基于瞬 时无功功率的检测方法经过不断改进 , 现有 p - q 法 , ip - iq 法 ,以及 d - q 法 (即 Park 变换法) [2 ] 。其 中 d - q 法具有适应性强、检测精度高且检测电路简 单的优点 ,详细内容见文献[7 ] ,在此不再赘述。 而在 UPQC 的串联部分检测中 ,虽然仍是根据瞬 ·81· 电力科学与工程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2005 图 2 　串联有源滤波器检测原理图 Fig12 　Schematic diagram of detection method of series active power filter 时无功功率理论 ,但具体检测步骤却与单独串联有源 滤波器有所不同。原因在于 :由于 UPQC 并联部分的 补偿目标是使得电源电流为基波正序有功电流 ,也就 是说电源电流 i s ( t ) 必须时刻跟踪基波正序电压 u1p ( t) 的相位。所以在 UPQC 中一般采用基波正序电压 幅值Vm 和相位 (即初相角θ) 分别检测的方法。在 UPQC的研究中 , 关于相位检测 , 文献 [8 ]采用对称 分量法得到基波正序分量的瞬时相位信息 , 未考虑 谐波对电压相位的影响 , 当谐波含量增大时 , 误差 也随之增大。文献[9 ]提出采用带通滤波器先滤出电 压中的基波成分 , 再经对称分解运算求出基波正序 电压相位的改进方法 , 但带通滤波器本身会对基波 电压产生附加相移 , 影响检测精度。况且对称分量 法要引入大量的相量计算 , 为减少运算量 , 文献 [10 ]提出一种实用的计算方法 , 即以某一相的相电 位为基准 , 并将该相分别后移 120°和 240°, 这样构 造一组单位三相对称正弦信号作为其近似值。但这 种方法仅在电网电压正常供电的稳态补偿中适用 , 要求电网电压不平衡度 < 10 %。近年来还有学者提 出将小波分析法应用到 UPQC 的电压相位检测 中[11 ] , 但它的原理和算法都较为复杂 , 且具体效果 还需要进一步研究和探讨。 利用 Park 变换同时检测基波正序电压的幅值和 相角 , 则无需使用传统的锁相和带通滤波技术[5 ] , 避免了由此带来的检测误差 , 同时它简单快速 , 在 实际应用中也可以很方便的实现。下文对这种检测 方法的原理进行详细阐述。 将电网电压 us ( t ) 中的基波正序分量带入 Park 变换式 (1) 中 ,可得它在 dq0 空间的对应量为一直流 分量 ,且数值与 abc 系统中的基波正序的幅值 Vm 和 相角θ之间存在着如下关系 : udf = Vmcosθ uqf = Vmsinθ (5) 可知经过 Park 变换后 ,三相电网电压的负序和 谐波分量仍为交流分量 ,则我们通过 2 个 LPF (低通 滤波器) 可将 udf , uqf分别提取出来 ,再根据 : udf 2 + uqf 2 = V2m (cos2θ+ sin2θ) = V2m (6) 可得 Vm = udf 2 + uqf 2 (7) 另 uqf / udf = Vmsinθ/ Vmcosθ= tanθ (8) 则 θ = arctan ( uqf / udf ) (9) 至此 ,已经提取出基波电压的幅值和相位信息 , 据此可以确定串联部分检测出的负载电压的参考指 令值 (即基波正序电压分量) 为 : u1pA = Vmcos (ωt +θ) u1pB = Vmcos (ωt +θ- 2π/ 3) u1pC = Vmcos (ωt +θ+ 2π/ 3) (10) 则串联侧应予补偿的电压指令值为 : ucA = usA - Vmcos (ωt +θ) ucB = usB - Vmcos (ωt +θ- 2π/ 3) ucC = usC - Vmcos (ωt +θ+ 2π/ 3) (11) 并联有源滤波器部分的电源参考电流 ,根据 UP2 QC补偿谐波、不对称及无功电流的原理 ,电源参考电 流仅为纯粹的基波正序有功电流 ,即它的相位要求与 基波正序电压的相位保持一致 ,可设电源参考电流 为 : i sAp ( t) = 2 Is u1pA 3 i sBp ( t) = 2 Is u1pB 3 i sCp ( t) = 2 Is u1pC 3 (12) 式中 : Is 为电源参考电流的有效值 ; u1pA 3 , u1pB 3 , u1pC 3 为单位基波正序电压分量 ,即只包含相位信息 : u1pA 3 = cos (ωt +θ) u1pB 3 = cos (ωt +θ- 2π/ 3) u1pC 3 = cos (ωt +θ+ 2π/ 3) (13) 根据能量平衡的原理 ,可知电网提供的能量与负 载消耗的能量和 UPQC 调节器消耗的能量之和平衡 , 故 Is 应为负载有功电流有效值 Ilp与并联 APF 有功 电流 Icp的有效值之和 : Is = Ilp + Icp (14) 其中负载电流有效值可根据三相负载消耗的功 率求得 : Ilp = 2 3 TVm∫ T 0 ( u1pA i lA + u1pB i lB + u1pC i lC) d t = 2 3 T∫ T 0 ( u1pA 3 i lA + u1pB 3 i lB + u1pC 3 i lC) d t (15) ·91·№1 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电力科学与工程 　　对于并联有源滤波器部分 ,上文中已经述及 ,它 除了补偿电流畸变量以外还负责调节直流母线电压 Vd 恒定。由于电力变换器实际工作中存在着有功损 耗 ,如果电网不向 UPQC 输入一定的有功功率 ,则电 容 Cd 的初始电压 Vd 将不断减少 ,造成 UPQC不能正 常工作。所以电网每个电周期都要给电力变换器补 充能量 ,向并联有源滤波器输入一定的有功电流 ,其 有效值 Icp可根据直流母线电压 Vd 的实际值和给定 值 Vdr进行比较 ,由比例积分 (PI) 算法给出 : Icp = kp ( Vdr - Vd) + ki∫t - ∞ ( Vdr - Vd) d t (16) 式中 : kp , ki 为 PI调节器的系数。 这样 ,当我们计算出电源参考电流的有效值 Is 后 ,以 2 Is 与单位相电位基波正序分量相乘 ,即可得 到如式 (12) 所示的电源参考电流 ,则并联有源滤波器 部分补偿电流的参考指令值为 : icA = i lA - 2 Iscos (ωt +θ) icB = i lB - 2 Iscos (ωt +θ- 2π/ 3) icC = i lC - 2 Iscos (ωt +θ+ 2π/ 3) (17) 整个检测过程的原理图如图 3 所示。 图 3 　UPQC检测原理框图 Fig13 　Schematic diagram of proposed detection method of UP2 QC 由前述检测原理可知 ,该检测方法无须对三相 电压进行锁相和带通滤波 ,因为三相基波正序电压初 相角的确定是以 Park 变换后 d , q 轴的电压分量计算 得出 ,而不是以实际三相电压为基准的 ,故可以避免 对三相电压进行锁相和带通滤波所造成的附加相 移[10 ] 。同时 ,在检测中 ,我们把 UPQC 的串联部分和 并联部分作为一个整体来考虑 ,保证了其内部之间以 及 UPQC和外界电网之间的能量平衡。 3 　仿真分析 为验证上述检测方法的正确性和有效性 ,采用 MATLAB SIMULINK中的 SimPowerSystem 库对下述情 况进行了仿真。 设 50 Hz 三相不对称且畸变电网电压与三相整 流负载接成三相三线制 ,UPQC 接在负载端 ,如图 1 所 示。其中三相电网电压成分为 :基波正序电压的有效 值为 220 V ,A 相初相角为 60°;基波负序电压的有效 值为 20 V ,初相角为 30°;三次谐波有效值为 15 V ,初 相角为 0 ;五次谐波有效值 10 V ,初相角为 0。 图 4 为电源电压 us ( t)的波形 ,从中可以看出电源 t/ s 图 4 　三相不对称且畸变电源电压波形 Fig14 　Waveforms of three2phased unbalanced and distorted volt2 ages 图 5 　三相基波正序电压波形 Fig15 　Waveforms of three2phased positive fundamental voltages电压不对称且发生了严重的畸变 ;图 5 为检测出的基波正序电压 u1p ( t)的波形 ,图 6 为基波负序和谐波电压之和 ,即为串联部分需要补偿的电压分量 uc ( t) 。且通过对仿真过程的分析计算可得 ,基波正序初相角θ的 ·02· 电力科学与工程 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2005 检测误差 < 2. 5 % ,有效值 Vm 的误差 < 1. 5 % ,可见 这种方法具有相当的准确性。 图 6 　UPQC的电压补偿指令 Fig16 　Reference voltages for compensation of UPQC 由于三相负载为非线性 ,所以负载电流也发生了 畸变 ,如图 7 所示为三相负载电流 ,而图 8 为检测出 的基波正序有功电流 ,与图 5 比较可知它很好地跟踪 图 7 　三相负载电流波形 Fig17 　Waveforms of three2phase load currents 图 8 　三相基波正序有功电流波形 Fig18 　Waveforms of three2phase positive fundamental active currents 了基波电压的相位。图 9 为 UPQC 并联部分需要提 供的电流补偿分量 ,即基波正序无功、负序和谐波电 流的和。 图 9 　UPQC的电流补偿指令 Fig19 　Reference currents for compensation of UPQC 4 　结　论 瞬时无功功率理论的提出和不断发展 ,提供了一 种有效的谐波检测手段 ,并且近年来已经在 APF 中 得到了广泛应用。对于统一电能质量调节器 ,本文介 绍了它的结构和功能 ,并分析比较了它的电压、电流 畸变量检测与单独的串、并联有源滤波器的不同之 处。在此基础上 ,详细说明如何将瞬时无功功率理论 中的 Park 变换应用到 UPQC 电压电流检测中。这种 方法方便快速 ,避免了在三相不对称且畸变系统中大 量的相量计算以及进行锁相和带通滤波带来的误差 , 并且保证了 UPQC 内部的能量平衡。理论分析和仿 真结果都证明本文所述检测方法的正确性和有效性。 参考文献 : [1 ] 吴竟昌 (WU Jing2chang) . 供电系统谐波 ( Power Supply Sys2 tem Harmonics) [M] . 北京 :中国电力出版社 , (Beijing : Chi2 nese Electric Power Publishing Company) ,1998. 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(下转 29 页) ·12·№1 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电力科学与工程 t/ s 图 4 　100 %甩负荷时床温床压变化曲线 Fig14 　Curves of flow wind at 100 % load2rejection 是围绕保持一定的床温而进行的。甩负荷前给煤线 空转零给煤量 , 投 3 只床上油枪 , 甩完负荷后 , 因 为汽温汽压上升较快 , 所以又撤了 2 只油枪 ; 后由 于床温下降过快 , 再增投至 6 只油枪 , 最后在汽机 并网时投 24 t/ h 给煤量保持床温。从整个燃料量的 操作过程来看 , 变化较多 , 但它始终围绕 2 条线来 协调 , 一是保床温 , 二是防止锅炉超温超压 , 其中 主要是保床温 , 保好床温是循环流化床锅炉甩负荷 试验成功的一个标志。 5 　结　论 (1) 此次甩负荷试验锅炉的各主要参数都在控 制范围之内 : 锅炉床温未低于最低投煤温度点 640 ℃, 无须切风投床下油枪 ; 锅炉未出现严重超温现 象 , 只是再热汽温轻微短暂的超温 ; 安全门未动作 , 锅炉未超压。因此 , 此次甩负荷试验是成功的。 (2) 由于循环流化床锅炉热惯性大 , 甩负荷时 , 汽温上升较快 , 减温水投用要有前瞻性而且减温水 量的控制方面要精心调整。 (3) 此次循环流化床锅炉甩负荷试验成功的经 验值得同类型锅炉甩负荷试验借鉴 , 但具体运行参 数的控制量要针对具体的锅炉来制定。 参考文献 : [1 ] 岑可法 , 倪明江 , 骆仲泱 , 等 1 循环流化床锅炉理论设 计与运行 [M] 1 北京 : 中国电力出版社 , 1997. [2 ] 殷立宝 , 张月 , 李加护. 循环流化床锅炉氮氧化物生成 与控制分析 [J ] 1 电力科学与工程 , 2001 , (3) : 1 - 4. [3 ] 鲁松林 , 梁绍华 , 黄磊 1 甩负荷试验锅炉参数控制方法 与分析 [J ] 1 江苏电力技术 , 1997 (3) . 作者简介 : 徐齐胜 (1970 - ) , 男 , 湖北黄冈人 , 工学硕士 , 广 东省电力试验研究所高级工程师 , 从事锅炉的调试、试验、数值计 算、燃烧优化分析及污染控制等方面的研究。 (上接 21 页) [4 ] AKAGI H. 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Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering , 2001. 作者简介 : 梅慧楠 (1980 - ) , 女 , 河南南阳人 , 华中科技大学硕士 生 , 主要从事有源滤波技术及 FACTS装置在电力系统中的应用研究 ; 朱中 华 (1979 - ) , 男 , 湖北武汉人 , 华中科技大学硕士生 , 主要从事电力系统 微机继电保护和牵引变电所综合自动化方面的研究 ; 程时杰 (1945 - ) , 男 , 湖北武汉人 , 华中科技大学教授 , 博士生导师 , IEEE高级会员 , 主要 从事电力系统稳定分析与控制、超导和 FCATS 技术在电力系统中的应用、 人工智能在电力系统中的应用、电力载波通信等方面的研究。 ·92·№1 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　电力科学与工程