统一电能质量调节器（UPQC）是用户电力中一机多用、具有综合电能质量调节能力的设备，它既可以改善电网输入电流的品质，也可以改善负载侧电压的品质，是最能解决多种电能质量问题的有效设备之一。目前，UPQC还未能广泛进入工业应用领域，其相关的检测和控制技术还有待进一步完善和提高。本文针对 UPQC 信号检测、控制模型和控制方法等方面存在的问题展开深入研究，并提出了新的检测与控制方法。这些工作对于丰富 UPQC 的检测与控制的基础理论，对于推动 UPQC 向大规模工业应用，均具有重要意义。UPQC 的电压电流信号中除包含正序基波分量外，还可能存在负序和零序基波分量以及其它谐波成分。目前普遍采用基于瞬时无功功率理论的 dq0变换方法提取正序基波分量，并由此实施对原始信号中非基波分量的补偿。dq0 变换方法计算量较大，硬件实施较复杂，且不适用于单相检测场合。针对此问题，本文在分析三角函数提取基波电压电流成分有关信息的基础上，提出了一种检测 UPQC 电压电流信号的新方法。该方法利用待检测信号与正弦和余弦参考信号的少量乘除法运算，快速获得待检测信号中的基波电压和基波电流表达式，为高效补偿待检测信号中的非基波分量奠定了基础。

同时，该方法能够动态实时跟踪系统频率和正序基波成分幅值与初相位的变化，提高了方法对系统运行工况变化的适应性。某些电力设备，在将其模型由 abc 坐标系变换到 dq 坐标系后，仍然存在d、q 轴间的交叉耦合，无法实施完全解耦控制。UPQC 的 dq 坐标模型也不例外。针对此问题，本文提出了一种实现完全解耦的新方法：在原模型由 abc坐标系变换到 dq 坐标系的基础上，再增加一次由 dq 至 αβ 间的变换，就可使得再变换后的模型，其各轴分量间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，为在一定控制模式和控制方式下实现 UPQC 的解耦控制或控制系统的解耦设计提供了便利，有助于提高系统控制或系统设计性能。根据 UPQC 串并联部分在系统控制目标上的不同分工，可以将 UPQC 的控制模式划分为串压并流模式和串流并压模式，两种模式都可以分别采用开环方式和闭环方式进行控制。本文分别从两种控制模式和两种控制方式入手，哈尔滨工业大学工学博士学位论文提出了相应的控制策略，给出了不同控制策略下给定参考量、检测量等的计算与检测方法。

其中，对开环控制，相关参数的计算充分利用了 UPQC 的解耦模型；对闭环控制，由于控制目标是通过特定的偏差信号进行自动调整，可以不依赖于 UPQC 串并联部分的具体数学模型，但可以利用解耦模型对闭环控制系统的参数进行设计。仿真与实验结果表明：无论哪种控制模式，按照本文提出的控制策略，都可以实现 UPQC 的控制目标，且对相同的控制方式，两种控制模式的性能相近。UPQC直流电容电压的控制，常采用PI控制器。PI控制器由于受到设计参数数量的限制，其控制性能可能难以达到比较理想的程度。由于分数阶PIλDμ控制器在传统PID控制器的基础上增加了调节参数的个数，提高了控制器设计与控制规律优化的空间。鉴于此，本文将分数阶PIλDμ控制器引入UPQC直流电容电压的控制，设计的分数阶PIλDμ控制器经仿真分析表明：分数阶PIλDμ控制器与传统PI控制器相比，有助于提高UPQC直流电容电压的动态控制性能。本文研究工作得到了国家自然科学基金项目(项目编号：50467002)的资助。                                     

1.1 课题研究的目的和意义

1.1.1 研究背景随着我国电力工业持续快速发展，电力系统的规模不断扩大，输电线路传输功率与电压等级在不断提高，同时电力系统的元件成员也在不断增加。其中，以电力电子技术为基础的各种装置和设备不断提出并逐渐应用于系统之中。电力电子装置的应用可以节约能源，提高电能的利用率，增加系统调控的灵活性；但另一方面，由于电力电子设备使用了像晶闸管等具有非线性半导体开关器件，使得其具有不可避免的缺点：这些非线性设备和负载使得大量的谐波电流注入电网，其中的一些设备需要系统提高大量无功功率，并可能引起三相不平衡和零序电流等。同时，随着现代科学技术的发展，许多敏感性负载，如各种复杂的、精密实验仪器和生产过程的自动化控制设备等，对于电网电能质量的要求非常高。所以，在电力系统中，就存在着如下两方面的矛盾。一方面，伴随着系统异常情况的瞬时供电中断、电压跌落等动态电能质量问题，会给用户造成巨大的经济损失。其中，以电力电子、计算机为代表的信息产业和高新技术产业中的很多电子设备，精密过程控制器、通讯设备等，对电能质量非常敏感，电能质量问题可能导致数据错误甚至丢失；控制达不到预计效果，影响产品质量，甚至可能出现设备的损坏和事故的发生。

另一方面，大量负荷也成为电能质量下降的主要原因。非线性元件和非线性负荷越来越多的应用于电力系统的用户端，其产生的无功及谐波电流大量向中、高压配电系统渗透，长期得不到治理，增加了系统的损耗；不对称负荷加剧了电压的不平衡度；快速冲击负荷(轧钢机、焊机、大型冲床等)从电网吸收无功，同时产生电压波动和闪变，降低电动机的有效输出，使产品成品率降低，缩短设备使用寿命。此外，由这些负荷造成的扰动也使遥控误动、电缆过热、变压器中涡流损耗增加、保护误动、电表测量错误等。- 1 –

第 1 章 绪论

国际大电网会议 36 学术委员会（电力系统电磁兼容）也把电能质量控制列入到电磁兼容的范畴[5]。因此，电能质量已被提高到了一个新的认识高度。

1.1.2 研究意义UPQC 在电力系统中的应用研究的必要性主要表现在以下几个方面：（1）用户对于电能的要求。科学技术及社会的不断进步与发展，尤其是以信息技术为先导的知识经济时代的来到，使许多的生产设备(如数控机床、医疗器械、高精度仪器和计算机控制系统等)要求电网提供绿色的电力，而且许多生产过程的自动化和智能化，使得这些越来越复杂、先进的现代生产过程对于谐波、动态过电压、电压凹陷、短时停电等问题非常敏感，不良的电能质量问题可能引起工业生产过程非计划的停产或设备故障，导致用户的生产成本增加，产品质量下降，造成巨大的经济损失。（2）电力系统自身的要求。在电力系统规模扩大的同时，出现了许多特殊性的负荷，特别是冲击性、非线性负荷，如冶金、化工、矿山等行业大量使用的晶闸管整流电源和电弧炉；工业生产中的变频调速装置；电气化铁道中的电力机车；高压直流输电中的换流站等。这些性质的负荷都可称为谐波源，它们从电网吸收或注入谐波电流，可以导致电网的功率因数降低、电网电压波形畸变、电压波动及三相电压不平衡等问题。（3）新型能源的分布式发电设备（如风能发电、太阳能发电和再生资源发电）的并网及利用等问题。上述新型能源由于其自身特点不能与电力网络直接连接，而电力电子设备（主要是逆变单元）则是首选方案。该特点可以增大 UPQC 在电力系统中的应用范围。综上所述，任何一种电能质量问题都可能对用户造成很大的负面影响。UPQC 作为能解决多种电能问题的设备，研究其对电力系统的作用，具有重要理论意义和实用价值。考虑到社会发展的背景和用户的迫切需求，为更好地提高 UPQC 的功能，本文重点研究“统一电能质量控制器检测与控制方法”。该课题的深入研究，不但有助于紧跟国际同类问题的研究步伐，而且具有重要的理论意义和实用价值。实现电能质量的综合治理，改善供用电环境，既符合电力市场发展的要求，可为电力用户提供纯净、可靠、稳定的绿色电源，也可以为供用电部门带来可观的增值效益。

1.2 电能质量的基本内容理想的供电系统中，电能应以单一恒定的频率和稳定的电压为用户提供电力，而且希望负荷为电阻性负载，即功率因数为 1，以提高电能的利用率。但是由于系统规划不恰当、调控手段不完善、负荷变化随机性以及其它不可预见的各种故障等原因，理想的供电状态在实际当中并不存在。因此就提出了电能质量的概念[10]。早期的电能质量标准只包含频率、电压和可靠性（不断电）三个方面[11]。通过电力研究者的不断努力，电能质量制定的标准从以电力企业自身需要出发转为以电力用户“所感受到的”影响为依据、从可靠性和供电质量两个方面来考虑。制定的内容，除了常规的各项稳态及部分动态质量标准外，还新增了若干动态质量标准。国内外有关电能质量控制的研究已掀起高潮，其内容包括所适应的功率理论的扩展，电能质量评价指标体系的建立，新的电能质量分析方法的提出以及基于用户电力技术的电能质量控制装置的设计与实现。我国在电能质量方面的研究也较多，但主要在谐波与无功补偿范围，而其他许多方面还可谓起步阶段[1]。从技术含义上讲，电能质量问题主要应包括以下两个方面：（1）电压质量和供电可靠性。这主要是对供电部门的供电要求。

包括：过电压、欠电压、频率偏差、电压跌落、电压突升、电压波动、电压波形畸变、三相电压不平衡、电压中断等。（21）电流质量。这主要是对电力用户的用电要求。包括：电流谐波、无功电流、三相电流不平衡等。随着电力用户对电能质量敏感程度的提高，电能质量的定义和内涵亦会随之在不断发展，总的趋势是分得更细和要求更高。

1.2.1 电能质量扰动分类电力系统中存在的供电质量问题有：（1）电压中断或断电（Interruption, Outage） 在一定时间内，一相或多相完全失去电压（低于 0.1p.u.）称为断电。断电按持续时间长短分为三类：瞬时断电（0.5 周期~3s）、暂时断电（3s~60s）、持续断电（大于 60s）。（2）频率偏差（Frequency Deviation） 各国对此均已作出具体规定。- 4 -第 1 章 绪论（3）电压凹陷或电压下跌（Sag, Dip） 文献[11,16]称其为电压暂降。持续时间为 0.5 周期~1min，幅值为 0.1p.u.~0.9p.u.，系统频率仍为标称值。（4）电压上升或称浪涌（Swell） 持续时间为 0.5 个周期~1min，幅值为 1.1p.u.~1.8p.u，系统频率仍为标称值。（5）瞬时脉冲或突波（Impulse, Transient） 瞬时脉冲是在极短时间内在两个连续稳态之间发生的一种电压变化。瞬时脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可是发生在任一极性的阻尼振荡波第一个尖峰。（6）电压波动与闪变（Voltage Fluctuation and Flicker） 电压波动是在包络线内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出 0.9p.u.~1.1p.u.电压范围的一系列电压随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。（7）电压切痕（Notch） 电压切痕是一种持续时间小于 0.5 周期的周期性电压扰动。电压切痕主要是由于电力电子装置在相关的两相间发生瞬时短路时电流从一相转换到另一相而产生的。电压切痕的频率很高，用常规的谐波分析仪很难测量出来，这就是过去从未有过此项电压扰动内容，直到最近才正式列入的原因。（8）谐波（Harmonics） 含有基波整数倍频率的电压或电流称为谐波。谐波是由于电力系统和电力负荷的非线性特性造成的。（9）间谐波（Interharmonics） 含有基波非整数倍频率的电压或电流称为间谐波。小于基波频率的分数次谐波也属于这一类。间谐波的主要来源是静止变频器和电弧发生装置等。间谐波会使显示装置发生视觉闪变。（10）过电压（Overvoltage） 过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间大于 1min。过电压的幅值为 1.1p.u.~1.2p.u.，频率仍为标称值。（11）欠电压（Undervoltage） 欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间大于 1min。欠电压的幅值为 0.8p.u.~0.9p.u.，频率仍为标称值。

1.2.2 电能质量问题的危害现代化工商业已大量采用计算机系统、机器人和精密控制设备等，它们对电力扰动十分敏感。任何一种电能质量问题都有可能影响正常的生产和生活。特别是对计算机控制、半导体工业、信息技术产业以及精密制造业等现代高科技产业的影响巨大。在工业和生活的用电负载中，阻感性负载占有很大比例。含有电感的阻感性负载，必须吸收无功功率才能工作，所以需要系- 5 -哈尔滨工业大学工学博士学位论文由上可知，电力系统和电力用户供需双方间可能或已经存在着不可调和的矛盾，若仅仅依靠电力系统自身的传统手段解决和约束用户都不可能从根本上解决上述的矛盾，需要采取新技术，新设备来处理上述问题。电能质量问题与其解决途径越来越引起国内外有关人员及机构的严重关注。其中，美国学者N.G.Hingorani博士于 1988 年首先提出了用户电力（Custom Power）的新概念及新技术[1,2,3]；日本学者于 1996 年提出了FRIENDS(Flexible, Reliableand Intelligent Electrical eNergy DeliverySystem)供电新概念及新技术[4]。

我国学者将这一新技术称为定质电力[5]或定制电力[6]或DFACTS技术[7]或FEED技术[8]或柔性配电技术[9]。上述概念虽然在名称上各不相同，但其实质内容都是一致的，都是针对现代信息社会的发展对提高供电可靠性、改善电能质量的迫切要求和所应采取的先进技术手段。就世界范围而言，在电力市场条件下，不同用户需要不同质量的电力商品，用电要求更加个性化，供电公司不仅要满足用户对电量不断增长的需求，还必须满足用户对电能质量的多样化要求，电力用户与供电公司都在追求自己的最大利益。用户电力新技术正迎合了电力市场中供需双方的这种利益要求，此新技术的实现，可更好地保障用户正常、安全生产的秩序，可使电力用户提高生产效率和产品质量；对供电公司来讲，可提高电网和电气设备的安全、经济运行水平，可减少在电力市场条件下的停电补偿费，电力商品按质论价，可增加售电收益，树立为用户服务的良好形象，用户至上，增强企业竞争力。在我国，为了满足广大电力用户不断增长的用电需求，国家电力公司进行了大规模的城网、农网改造，供电质量和可靠性得到了明显改善，基本上满足了大多数一般电力用户的要求。但是对特殊的敏感电力用户来说，供电可靠性和电能质量还需进一步提高，这种情况在高新技术产业开发区最为明显，外商已对我国的供电质量问题相当关注，这直接关系着外商在中国的发展，特别是中国加入WTO后供电质量问题将更为突出。因此，原国家电力公司制订的 2001~2005~2015 年科技发展规划中明确将“电能质量的分析与控制技术”列为重点研究课题。可见电能质量分析与控制技术的研究不仅是电力工业适应市场竞争和可持续发展所必需的，而且也是国民生产、生活趋于国际化发展的紧迫现实需求。

总之，电能质量分析与控制的研究课题已成为从国外到国内、从电力公司、电力用户、电力设备制造厂商到大学、科研院所普遍关心的研究热点，“电能质量”一词已成为现代电力系统中频繁出现的术语。IEEE已将其电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量国际学术- 2 -哈尔滨工业大学工学博士学位论文统提供必要的无功功率。电力电子装置和变压器等非线性装置也要消耗无功功率，特别是相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器等相控装置，在工作中基波电流滞后于电压，要消耗大量的无功功率，这些装置还会产生大量的谐波电流，同时需要消耗一定的无功功率。目前，电力电子装置已经成为最大的干扰源，尤其整流装置，所以无功功率和谐波的治理也是非常突出的电能质量问题之一。电压的瞬变、波动、缺口等作为一种扰动信号，虽然作用时间短，但幅值瞬间波动却比正常时大得多，而且扰动作用可能是脉冲性的、重复性的、振荡性的，这都足以影响或损坏越发敏感的电子设备的正常工作。

电压的过压或欠压、上升或跌落，都会对设备的正常工作产生影响或损坏。电压的瞬时或持续中断，会造成生产线的巨大损失；对于计算机系统有可能造成计算机的硬件损坏或导致计算机的计算错误和数据丢失；对一些重要场合，如银行结算中心、证券交易系统、电信和移动电话通信系统、航空管理系统、大规模集成电路生产线及各种自动化生产流水线、医用监控系统、公路和铁道调度以及售票系统等等，瞬时的电压中断都会产生不可估计的严重损失。

基波无功功率对电网的影响有以下几个方面：（1） 增大了设备的容量。无功功率的增加，将导致电流增大和视在功率的增加，从而使发动机、变压器和其他送配电设备的容量和导线容量增加。同时也使用户的起动和控制设备、测量仪表的尺寸和规格加大。（2） 设备和线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而设备和线路的损耗增加。（3） 使线路及变压器的电压降增大。如果是冲击性负载，还可能使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。谐波的危害大致有以下几个方面：（1） 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率，大量的 3 次谐波电流流过中性线时会使线路过热，甚至发生火灾。（2） 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器铁损增大，可能出现局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3） 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使得前面两方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。（4） 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5） 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通信质量；重者导致信息丢失、使通信系统无法正常工作。

1.2.3 电能质量问题的解决方案美国 EPRI 学者 N.G.Hingorani 博士提出的用户电力技术（Custom Power）可以看作是由他本人所提出的柔性交流输电系统（FACTS）技术在配电系统中的延伸。主要是通过把一些先进的电能质量调节装置及其有机的组合应用于配电系统中，根据用户对供电可靠性和电能质量的不同要求为用户配置所需要的电力。用户电力技术中已得到实际应用的典型的电能质量调节装置有多种，但基本都是针对一种或一类电能质量问题。

用户电力技术中已得到实际应用的典型的电能质量调节装置主要有：（1）动态电压恢复器 DVR（Dynamic Voltage Restorer）；（2）静止无功发生器 SVG（Static Var Generator）／配电型静止同步补偿器 DSTATCOM（DistributionStatic Synchronous Compensator）；（3）有源电力滤波器 APF（Active PowerFilter）；（4）动态不间断电源 DUPS（Dynamic Uninterruptible Power Supply）；（5）不间断电源 UPS（Uninterruptible Power Supply）；（6）蓄电池储能系统BESS （ Battery Energy Storage System ）；（ 7 ）超导磁能存储系统 SMES（Superconducting Magnetic Energy Storage）；（8）固态断路器 SSB（Solid StateBreaker）；（9）晶闸管投切电容器组 TSC（Thyristor Switched Capacitors）；（10）避雷器 SA（Surge Arrester）等。用户电力技术中，除固态断路器和由其派生的故障电流限制器（FCL）等，根据各种装置与系统相连的方式和所实现的功能不同，主要分为串联型电压补偿装置、并联型电流补偿装置（还有派生的混合型）和储能型装置等形式。串联型电压补偿装置用于调节电网提供给负荷的电压，以保障负荷侧的电压质量；并联型电流补偿装置用于调节负荷注入电网的电流，以降低最终注入电网的无功和谐波电流含量等。储能型装置用于当电网因故障中断供电时向负荷提供不间断电源功能，储能容量足够大时可实现负荷峰谷调节等。

用户电力中的电力电子设备对不同的电能质量问题可以进行有针对性的克服，如有源电力滤波器（APF）来补偿电网谐波；功率因数校正器（PFC）来提高负载的输入侧功率因数，降低电力电子设备对电网的污染；配电用静态同步补偿器（DSTATCOM）来补偿配电网的过电压、欠电压及电压波动等；对电压质量问题的补偿设备主要有不间断电源（UPS）、动态电压恢复器（DVR）和统一电能质量调节器（UPQC）等。目前，电力系统中同时出现多种电能质量问题的几率很大。从性价比和预防机制考虑，能够更有效的处理多种电能质量问题的设备就备受青睐，UPQC可以看作是串联型有源滤波器或DVR和并联型有源电力滤波器的结合，其可快速补偿供电电压中的突变、波动、中断和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡，还能补偿无功功率使功率因数为 1，其一机多能，具有更高的性价比，是用户电力技术发展的最新趋势和关键设备[10~16]。这也正是本文选择UPQC作为研究对象的重要原因之一。

1.3 统一电能质量调节器的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性。既不经济，又不现实。于是，日本学者Akagi H在1996年分析有源滤波器新趋势一文中[10]，首次提出了集串联型和并联型装置于一体的综合型电能质量调节装置的概念。统一电能质量调节器 UPQC（Unified Power Quality Conditioner）又称为统一电能质量控制器（Unified Power Quality Controller）。UPQC作为用户电力的第三代产品，可以同时实现电压、电流和无功及平衡等多项电能质量问题的调节，是目前用户电力研究的重点之一。                                             

1.3.1 UPQC 的基本原理Akagi H 提出的 UPQC 的拓扑如图 1-1 所示。主要由串联单元、并联单元两部分通过直流电容 C 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组成；并联单元由并联型有源滤波器及并联变压器组成。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、平衡化补偿功能，并负责调节直流侧电容电压等功能。Akagi H 提出的 UPQC只是简单的将串联型有源滤波器和并联型有源滤波器合并在一起，UPQC 的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。经各国学者的努力和研究，目前 UPQC 从信号检测、控制方式和拓扑结构等方面都有了很大的变化，但仍有许多问题需进一步深入的研究，以使 UPQC能充分发挥其强大的综合补偿和调节功能。                               

1.3.2 UPQC 的拓扑结构由图 1-1 可知，UPQC 是由电压源型换流器构成的并联部分和串联部分通过直流电容 C 背靠背连接在一起的，其实际是为电网中的谐波提供了另一通路，该通路是典型的 AC-DC-AC 结构，而正序基波功率通过图 1-1 中的线路传输，以保证非线性负载产生的谐波不会对电网造成污染以及为负载提供对称的正序基波电压，满足用户的要求。之后 Akagi H 又提出了一种拓扑结构，与图 1-1 的结构基本相同，但连接次序不同，如图 1-2 所示。文献[17]详细地分析了两种连接方式的特性和优缺点，其中第二种连接方式有一定的缺点。因此，目前研究的 UPQC，基本都是针对图 1-1 的拓扑结构进行的。                                             

以上方法各有优缺点，其中模拟带通（或带阻）是最早的谐电流检测方法，概念清晰，电路结构简单，但滤波器对元件参数非常敏感，受外界环境影响较大，很难同时得到理想的幅频特性和相频特性，在电网频率发生变化时检测精度很差，而且不能分离出无功电流，因此现在已很少使用。傅里叶变换方法是典型的频域分析方法，作为最经典的信号处理手段在电能质量检测中发挥了重要作用。该方法在理论上可以分离出任意次的谐波量，各种算法的离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）已成为谐波分析的基础，但其运算量大，实时性差，对于快速变化的电能质量问题，该方法已不能很好地满足[34]。基于 Fryze 时域分析的有功电流分离法，基本原理是将负载电流分解为两个正交分量，即与电压波形完全一致的分量和广义无功电流分量。该方法的主要缺点是要对一个电网周期的电压和电流进行积分运算来获得有功电流，所以检测的广义无功电流至少有一个周期以上的延时，而且其在电网电压波形畸变或含有负序成分时，检测的“有功电流”也会含有谐波或负序电流，不能正确的补偿。自适应干扰对消方法[27]，其检测延时大于 20ms，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；人工神经网络与自适应干扰对消相结合的方法[36]，其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。小波变换方法[26]，由于其具有时－频局部化的特点，特别适合于对突变信号和不平稳信号的分析，但将其检测结果直接作为电压、电流的实时补偿信号时，其在兼顾动态跟踪速度和准确度方面还有待进一步改善，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。另外，还有一些将以上方法与其它智能方法相互结合的改进算法[37]，但这些方法总的来说实现起来较复杂。目前被广泛采用的是基于瞬时无功功率理论（Instantaneous ReactivePower Theory）的αβ变换方法[38,39]或dq0 变换方法[22]。

瞬时无功功率理论最早由日本学者Akagi H提出，是目前三相有源电力滤波器中应用最广的实时谐波和无功电流检测方法之一，其自上世纪 80 年代提出后，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时有功功率、瞬时无功功率等瞬时功率量，因此又称为pq理论。它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况，使谐波和无功成分UPQC拓扑的另一发展趋势是与无源滤波装置的结合，一方面对于某些实际系统和现实条件的制约，例如为减少投资成本和扩大补偿系统容量等要求的基础上采取与无源滤波器混合进行补偿，已有有关拓扑结构的报道[19]。另一方面，从用户的角度，由于某些负载有一定的固有特性，与混合型有源滤波器的原理相同，可以结合无源滤波装置来承担主要的补偿容量而减小UPQC的容量，使投资更经济、更合理。文献[19]在此基础上则提出了新的混合型拓扑，称为HPQC，无源滤波装置不是单独接入而是作为UPQC并联侧的构成部分，称为并联滤波支路。其由一个容量较小的PWM换流器通过变压器和PF串联后并联接入系统，HPQC中的串联部分主要用于隔离电源和负荷之间的相互扰动、调整负荷电压和为负荷谐波电流提供一个高阻抗通路以阻止负荷谐波电流流向系统等。其中，并联滤波支路中的PF主要是给负荷谐波电流提供一个低阻抗通路，并产生基波容性无功功率以补偿负荷无功功率。

HPQC和UPQC之间最大的不同之处是它在并联PF支路中串入PWM变换器构成并联部分，用于改善并联滤波支路的滤波特性、抑制负荷电压畸变、校正负荷功率因数的动态偏移以及提供变换器（串联部分）所需的有功功率。

1.3.3 UPQC 的检测方法UPQC 检测的目的是进行非正序基频电压和电流以及无功的补偿，对三相系统还需平衡三相间的有功功率。所以，准确、实时地提取上述的补偿量是其正常工作的前提。目前，其检测方法的研究发展状况可以概括为：瞬时无功功率理论揭开了时域检测方法的研究，同步坐标旋转变换法在实际应用中被广泛采纳，基于上述两种方法的改进措施不断的被提出，FFT 方法的改进也使得频域方法重新被拾起，基于现代数学、智能控制理论的新型控制方法的研究也是越来越多。由于UPQC可以看成是串联型和并联型有源电力滤波器的结合，其与有关的检测方法与有源电力滤波器的检测方法之间必然有着紧密的联系，或者可以认为两者是一致的。具体有模拟带通（或带阻）滤波器法，基于傅里叶变换的检测方法，基于Fryze时域分析的有功电流分离法，基于广义瞬时无功功率和dq0 坐标变换的检测法[22~24]，基于空间矢量的基波正序负序分量的实时检测方法[25]，基于小波检测[26]、自适应滤波[27,28]、同步无差拍控制[29]、单周控制[30]以及H∞理论的检测方法[31]、基于p-q-r理论的检测方法[32]、基于数- 11 -对于电力输配电系统，主要分为三相四线、三相三线结构，故对应安装的UPQC也分为三相四线[20]、三相三线拓扑形式[12]，而对于补偿的对象不同，还可以把串联部分分为基于相电压和基于线电压两种方式。

对基于相电压的拓扑，可以采用对各相的电压进行单独补偿的全桥补偿方式，其优点是补偿不受其他相的干扰，但结构复杂，使用的变换管多，对应的成本较高。对特定的要求，也可以安装单相的UPQC。文献[18]介绍了三种单相UPQC的拓扑，并对其补偿特性进行了分析，各单相UPQC不同之处在于是逆变器的选取。对于不同的环境特性和用户要求，结合资金和应用场合的不同，逆变器同样可以采取全桥逆变器、半桥逆变器以及介于两者间的混合逆变器（例如文献[18]中的第三种拓扑）。由文献[18]给出的结果可知，全桥逆变器效果最好，但考虑成本等因素，其它两种单相UPQC也能实现一定的补偿功能，选取应视具体应用情况而定。对于三相电路，换流器既可采取三相全波（每相补偿方式）又可采取三相半波结构，具有许多可能的拓扑。以上拓扑采用电压型变换器（VSC），主要是由于VSC的控制和响应快而得到了广泛的应用。目前，许多电力电子设备都是基于VSC的结构，与之对应的是基于电流型变换器（CSC）的结构，也对应的存在上面提及的拓扑结构[21]，但其控制响应速度相对慢，故在实际应用和研究中较少涉及。

瞬时无功功率理论中的概念，是对传统理论的推广和延伸。基于pq理论的检测方法是针对对称三相系统并且忽略零序电流的情况下提出的，为了应用于单相系统，还不得不进行重构才能实现单相谐波检测[40]。因此，对于单相谐波的检测需要进一步研究。经典pq理论的检测方法要求三相系统对称且系统电压是纯正弦波。实际应用三相电压可能存在谐波，也不一定对称。因此人们提出了很多基于pq理论的改进方法，主要包括以瞬时无功功率理论为基础的采用ip-iq运算方式的谐波检测方法（简称ip-iq法）[41]和基于dq0 坐标系下的广义瞬时无功功率的谐波检测方法（简称dq0 法）[22]及改进dq0 法[24]等。ip-iq法是将三相电路a、b、c三相电压和电流经变换转换到αβ两项正交的系统中来进行研究，即采取的是αβ变换，并在此基础上得到有功功率和无功功率在变换后的形式。以电流为例：1 112 22 33 302 2abciiiiiαβ⎡ ⎤−⎡ ⎤⎢ ⎥⎡ ⎤⎢ ⎥=⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦−⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦/采用ip-iq运算方式进行谐波检测方法可以用来单独检测谐波，也可以用来检测谐波与无功之和。通过对文献[24]的推导过程分析可以看出：当仅仅检测谐波，且电网频率保持不变时实际上可以不要锁相环节。基于 dq0 坐标系下的广义瞬时无功功率的谐波检测法是一种直接采用Park 变换实现的能适用于任意非正弦、非对称三相电路的谐波和无功功率检测方法，输入的三相负载电流进行 Park 变换后经低通滤波器滤除谐波，然后再进行一次反 Park 变换，来提取基波成分，其原理框图如图 1-3 所示

通过对电压的锁相，提供变换所需要的正弦信号 sinωt 和余弦信号 cosωt。图中的 Park 变换是谐波提取的关键因素，因为对三相 abc 系统经过 Park 变换后，第 n 次正序分量变成了 dq0 系统中的第 n−1 次分量，而第 n 次负序分量变换为第 n+1 次分量，所以 abc 系统中只有基波正序分量通过变换后成为 dq0 系统的直流分量，而且此时零轴分量为 0，通过低通滤波器得到 d、q 轴的直流分量，就是电流中对应的基频成分。有了基频电流之后，与系统电源侧的三相电流作减法即得到了谐波电流和无功电流成分。