国家发展改革委和国家能源局联合发布的电力发展“十三五”规划(2016-2020)中明确要求大力构建“互联网+”智能电网,而低压配电网作为智能电网中的一个重要环节,经常会发生电网电压骤升骤降、不平衡、畸变、频率波动等电能质量问题,严重威胁着用户的用电设备安全稳定运行。电能质量不仅是衡量智能电网中供电质量的一个重要标准,也是衡量一个国家工业化水平、科技水平和社会进步的尺度,是关乎整个电力系统及设备安全、经济、稳定运行,关系到电气环境工程保护,国民经济总体效益和发展战略,因此,电能质量问题的重要性不言而喻。本文以低压配电网中电能质量问题为背景,以改善用户侧供电质量为目标,基于直接控制对三相四线制统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)展开全面而深入的研究,主要研究内容如下:(1)研究了不同工况下UPQC功率流,包括电网电压波动时的功率流、非线性负载功率流、不平衡负载功率流和不同性质负载的运行区域。本文研究的UPQC通过采用直接控制策略能够同时治理电网电压和负载电流引起的电能质量问题,可以为任意负载提供补偿电流,实现四象限360°运行。(2)基波正序分量检测和锁相环是实现直接控制的关键控制策略。直接控制中,串联变换器控制电网电流为负载基波正序有功电流,实现网侧单位功率因数;并联变换器控制负载电压为稳定的基波正序分量。当电网电压不平衡、畸变或系统带不平衡、非线性负载时,利用传统低通滤波器(Low-pass Filter,LPF)方法对基波正序分量的检测存在严重的检测延时问题,降低了系统的动态性能。因此,本文提出了的二/三阶混合型广义积分器(Mixed Second-and Third-Order Generalized Integrator,MSTOGI)能够有效减小检测延时,同时还能够克服SOGI(Second Order Generalized Integrator)在非理想电网电压条件下对基波正序分量的检测误差。并将MSTOGI应用于锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)中,提出了二/三阶混合型广义积分器锁相环MSTOGI-PLL,在电网电压不平衡、畸变、含有直流分量等非理想情况下均能实现准确锁相。MSTOGI-PLL准确的锁相结果可以保证网侧单位功率因数,改善电网电流和负载电压的波形质量。(3)电网电流波形质量控制是实现UPQC网侧中线电流为零的关键控制策略。三相四线制UPQC带不平衡或非线性负载时,容易造成中性点电位不为零,有可能导致负载相电压高于或低于额定值,严重时损坏用电设备。为此,本文提出了负载基波有功电流配比补偿算法(Matching-ratio Compensation Algorithm,MCA)用于计算电网电流基准,可以在不平衡和非线性负载条件下改善电网电流的正弦度和平衡度,从而保证网侧中性点电位为零,优化系统的控制精度;可以减小直流母线电压的稳态波动,提高直流母线电压环的动态响应速度,从而改善UPQC对负载的供电质量。(4)负载电压波形质量控制是实现UPQC为负载高质量供电的关键控制策略。UPQC带非线性负载时,大量的谐波电流会导致负载电压出现畸变且幅值减小,降低了系统对负载的供电质量,严重时造成用电设备的损坏。比例积分(Proportional Integral,PI)控制器不能实现对由非线性负载产生的谐波分量的无静差调节。本文在电压电流双闭环控制的基础上加入了准谐振(Quasi-Resonance,QR)控制器,同时在并联变换器控制环路中还加入了解耦控制和前馈控制,形成了电压外环PIR+解耦控制+前馈控制,以改善负载电压的波形质量。(5)为了验证理论分析的正确性和所提出控制策略的可行性,研制了三相四线制30kW UPQC实验平台,并给出了硬件系统主要参数。从稳态和动态性能两方面对UPQC系统进行实验验证,包括MCA与传统算法的对比实验、功率流实验、不平衡负载实验、非线性负载实验以及突加突减负载实验,形成了一个较为完整的实验体系,并对以上实验结果进行了深入的分析,实验结果与理论分析一致。