CN103887797A - 一种有源电力滤波器补偿电流限流的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，该控制方法仅需在传统有源电力滤波器控制方法的基础上，添加额外的限流环节，便可以实现对有源电力滤波器输出补偿电流的精确、快速限流，从而便捷的实现有源电力滤波器的额定输出电流控制，具有较为实际的工程应用价值。本发明一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，其基于补偿电流有效值进行的，可以在有源电力滤波器最大出力的情况下尽可能的保证谐波电流补偿效果；此外，该限流方法同时采用开环控制部分和闭环控制部分，可以保证快速而精确的限流效果。

Description

一种有源电力滤波器补偿电流限流的控制方法

【技术领域】

本发明属于电力电子变流器研究控制领域，特别涉及一种有源电力滤波器补偿电流限流的控制方法。

【背景技术】

随着人们用电设备的自动化程度及精确化程度的不断提高，大量由电力电子装置构成的非线性负载被大规模接入电网系统。这些非线性负载在提高人们用电品质的同时，会产生大量的谐波电流，引起输、配电系统中流经大量畸变电流，并产生一系列电能质量问题，如占用额外的输、配电设备和线路容量，引起额外损耗和发热，可能造成输、配电网络电压畸变，甚至可能诱发谐振现象。上述电能质量问题一方面严重危害电网系统的运行效率和可靠性，一方面又会降低用户的用电质量，因此受到人们广泛的关注。

有源电力滤波器（APF）作为一种高效的电能质量治理装置，将电力电子，控制理论等先进技术集于一身，相较于传统无源补偿设备，拥有体积小、精度高、响应速度快、补偿效果好、控制灵活等众多优点，代表着未来电能质量治理装置的发展方向。在众多拓扑结构的APF中，并联型APF在补偿配电系统中的谐波电流方面具有强大的优势，并已广泛应用于各种工业、商业以及民用配电网络中，在电能质量治理领域发挥着重要的作用。

在APF的众多控制技术中，APF补偿电流的限流技术作为辅助功能往往被人们所忽视。但该限流技术用以限制APF输出补偿电流的额定电流大小，以保证APF在现场应用中的可靠性、灵活性、以及在极端情况下的运行效果，因此具有不可忽略的影响。具体来看，APF限流技术在以下情况中具有突出的作用：

1）当配电系统中待补偿谐波电流容量大于所装设的APF补偿容量时；

2）当负载随时间波动较为剧烈会间歇式产生大于APF容量的谐波电流时；

3）当配电系统发生谐振现象并希望通过限流技术保护APF本身时；

4）当应用环境温度波动较大并希望自动调整APF补偿容量时。

然而，不同于直流系统或基波系统，APF输出补偿电流中富含各次谐波分量，且各次谐波分量所占含量随负载实时变化，因此其限流技术无法像直流系统那样简单限制峰值，也无法像基波系统那样限制幅值。针对APF系统的限流技术需在限制其输出有效值的基础上进行，即当APF补偿电流大于额定值时，需等比例缩小各次谐波分量直至等于额定电流大小，以在APF最大出力的情况下仍保证最佳的谐波补偿效果。相较于其他装置，上述APF限流技术的实现较为复杂。

【发明内容】

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种有源电力滤波器补偿电流限流的控制方法。该方法简单且易于实现，仅需对现有APF控制方法进行较小改动便可实现，提高了APF系统的可靠性和灵活性，具有极大的应用价值。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，包括以下步骤：

1）设定期望的有源电力滤波器补偿电流有效值；

2）检测畸变的负载电流并通过谐波分离算法计算待补偿谐波电流有效值；用设定的有源电力滤波器补偿电流有效值除以该待补偿谐波电流有效值，并将其结果限幅于0～1之间，得到开环控制部分的限流系数；

3）检测并计算有源电力滤波器实际输出的补偿电流有效值，用设定的有源电力滤波器补偿电流有效值减去该实际输出的补偿电流有效值，并将差值用PI调节器调节后，限幅于-0.5～0之间，得到闭环控制部分的限流系数；

4）将步骤2）中开环控制部分得到的限流系数与步骤3）中闭环控制部分得到的限流系数相叠加，并将结果限幅于0～1之间，得到最终的限流系数；

5）将步骤4）中得到的最终的限流系数与谐波分离算法得到的负载电流中待补偿的谐波电流指令相乘，其结果作为有源电力滤波器补偿电流控制环节的最终谐波电流指令。

本发明进一步改进在于，步骤1）中设定期望的有源电力滤波器补偿电流有效值，其依据有源电力滤波器各功率器件容量进行预先设定，或者实时检测有源电力滤波器中半导体开关器件的运行温度进行设定。

本发明进一步改进在于，步骤2）中谐波分离算法采用快速傅立叶变换或者基于瞬时无功理论的变换算法分离出畸变的负载电流中包含的待补偿的各次谐波成分。

本发明进一步改进在于，步骤2）中通过谐波分离算法计算待补偿谐波电流有效值i_lh,rms，其计算公式如下：

$i_{\mathrm{lh},\mathrm{rms}}=\sqrt{\mathrm{\Σ}{(i_h/\sqrt{2})}^2}---\left(1\right)$

式中：i_h表示第h次谐波电流的幅值，下标h表示谐波次数。

本发明进一步改进在于，步骤3）中有源电力滤波器实际输出的补偿电流有效值i_o,rms，其计算公式如下：

$i_{o,\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{\left(i_{o,n}\right)}^2}---\left(2\right)$

式中：i_o,n表示模数转换芯片采样得到的有源电力滤波器输出补偿电流的第n个点，N表示一个工频周期的模数转换芯片采样点数。

与现有技术相比，本发明一种有源电力滤波器补偿电流限流的控制方法，其基于补偿电流有效值进行的，可以在APF最大出力的情况下尽可能的保证谐波电流补偿效果；该限流方法同时采用开环控制部分和闭环控制部分，可以保证快速而精确的限流效果，其设定的APF补偿电流额定有效值可以根据APF容量提前设定，也可以根据使用环境现场灵活调整，提高了APF现场应用时的可靠性和灵活性，具有较好的应用前景。此外，通过搭建APF系统仿真模型，对所提限流控制方法进行了仿真验证，证实了该方法的正确性和可靠性。

【附图说明】

图1为包含本发明所述的APF限流控制环节的系统整体结构及其控制方法框图；

图2为本发明所述的APF限流控制环节的具体实现框图；

图3（a）～（d）为采用本发明所述的限流控制环节后，APF系统的谐波补偿效果仿真波形，其中，图3（a）～（c）分别为非线性负载产生的畸变的负载电流、APF补偿后的电网侧电流和APF输出的补偿电流；图3（d）中SAT_REF为设定的APF补偿电流有效值，RMS_IREF为待补偿负载谐波电流有效值，RMS_IO为APF实际输出的补偿电流有效值。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1和2所示，本发明一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，包括以下步骤：

1）设定期望的有源电力滤波器补偿电流有效值；

其中，设定期望的有源电力滤波器补偿电流有效值，其依据有源电力滤波器各功率器件容量进行预先设定，或者实时检测有源电力滤波器中半导体开关器件的运行温度进行设定。

2）检测畸变的负载电流并通过谐波分离算法计算待补偿谐波电流有效值；用设定的有源电力滤波器补偿电流有效值除以该待补偿谐波电流有效值，并将其结果限幅于0～1之间，得到开环控制部分的限流系数；

其中，谐波分离算法采用快速傅立叶变换或者基于瞬时无功理论的变换算法分离出畸变的负载电流中包含的待补偿的各次谐波成分；

通过谐波分离算法计算待补偿谐波电流有效值i_lh,rms，其计算公式如下：

$i_{\mathrm{lh},\mathrm{rms}}=\sqrt{\mathrm{\Σ}{(i_h/\sqrt{2})}^2}---\left(1\right)$

式中：i_h表示第h次谐波电流的幅值，下标h表示谐波次数。

3）检测并计算有源电力滤波器实际输出的补偿电流有效值，用设定的有源电力滤波器补偿电流有效值减去该实际输出的补偿电流有效值，并将差值用PI调节器调节后，限幅于-0.5～0之间，得到闭环控制部分的限流系数；

其中，有源电力滤波器实际输出的补偿电流有效值i_o,rms，其计算公式如下：

$i_{o,\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{\left(i_{o,n}\right)}^2}---\left(2\right)$

式中：i_o,n表示模数转换芯片采样得到的有源电力滤波器输出补偿电流的第n个点，N表示一个工频周期的模数转换芯片采样点数。

4）将步骤2）中开环控制部分得到的限流系数与步骤3）中闭环控制部分得到的限流系数相叠加，并将结果限幅于0～1之间，得到最终的限流系数。

5）将步骤4）中得到的最终的限流系数与谐波分离算法得到的负载电流中待补偿的谐波电流指令相乘，其结果作为有源电力滤波器补偿电流控制环节的最终谐波电流指令。

为了对本发明进一步了解，现对其作进一步详细描述：

针对本发明APF限流控制方法，现从其开环控制部分、闭环控制部分以及限流系数实现几个方面进行阐述：

1）开环控制部分：

a)检测畸变的负载电流，并通过谐波分离算法实时地分离出负载电流中待补偿的各次谐波成分；

b)根据开环控制部分步骤a）中谐波分离算法所得谐波成分，计算其对应的待补偿谐波电流有效值；

c)用设定的额定电流有效值除以开环控制部分步骤b）中所得待补偿谐波电流有效值，并将结果限幅于0～1之间，便可以得到开环控制部分的限流系数；

2）闭环控制部分：

a)检测APF输出的实际补偿电流，并实时计算该补偿电流的有效值；

b)用设定的额定电流有效值减去闭环控制部分步骤a）中所得的实际补偿电流有效值，并对差值采用PI调节器进行调节；

c)对闭环控制部分步骤b）中PI调节器的输出值进行限幅，其限幅值于-0.5～0之间，限幅后所得值便为闭环控制部分的限流系数；

3）限流系数实现部分：

a）将开环控制部分步骤c）中所得开环控制部分限流系数与闭环控制部分步骤c）中所得闭环控制部分限流系数进行叠加，并将叠加的结果限幅于0～1之间，便可以得到最终的限流系数；

b）将限流系数实现部分步骤a）中所得最终的限流系数与开环控制部分步骤a）中负载电流中分离出的谐波成分相乘，便可以实现本发明所公开的APF限流控制方法。

如图1中所示，为最为常见的三相并联型APF主电路拓扑结构，其主体为三相电压型逆变器，直流侧与电容器C_dc相连，交流侧通过三相进线电感L并联连接于电网与待补偿非线性负载之间。

图1中同时描述了并联型APF基本控制系统框图。该控制系统检测非线性负载产生的畸变负载电流i_l和APF输出的补偿电流i_o，并主要包含以下几个基本控制环节：谐波分离环节、稳压控制环节、电流控制环节以及PWM生成环节。其中谐波分离环节用以分离出负载电流i_l中的待补偿谐波成分i_lh，稳压控制环节用以控制APF直流侧电压u_dc维持在设定值u_dc,ref，电流控制环节用以控制APF输出补偿电流跟踪电流指令i_ref（其中i_ref由用以谐波补偿的谐波电流指令i_h,ref和用以稳压控制的基波电流指令i_f,ref叠加构成），而PWM生成环节则用以将控制信号转换为PWM信号，以驱动APF各开关管工作。上述各环节作为基本APF控制环节，其具体实现方法这里不再赘述。这里重点说明本发明所公开的限流控制方法，即图1中所示限流控制环节。

本发明所介绍限流控制环节将产生限流系数k并与待补偿谐波成分i_lh相乘产生谐波电流指令i_h,ref，如图1所示，从而实现期望的限流效果。其中，产生限流系数k的限流控制环节的具体实现方式由图2详细说明。

图2所示限流控制环节包含开环控制部分和闭环控制部分两部分，而额定电流设定值i_o,def即为设定的APF补偿电流有效值。

开环控制部分：

检测畸变的负载电流i_l，并通过谐波分离算法分离出其中的待补偿谐波电流成分i_lh，进而计算待补偿谐波电流成分的有效值i_lh，rms；将额定电流设定值i_o,def除以前述待补偿谐波电流有效值i_lh，rms，并将结果限幅于0～1之间，便可以得到开环控制部分所产生的限流系数k_o。

闭环控制部分：

检测APF输出的补偿电流i_o，并实时计算其有效值i_o,ref；将额定电流设定值i_o,def减去前述实际输出补偿电流的有效值i_o,ref，并将其差值利用PI调节器进行调节；将PI调节器输出值限幅于-0.5～0之间，便可以得到闭环控制部分所产生的限流系数k_c。

将上述开环控制部分产生的限幅系数k_o与闭环控制部分产生的限幅系数k_c相叠加，并将叠加结果限幅于0～1之间，便可以得到最终的限流系数k。

参见图3（a）～（d），为采用本发明所述的限流控制环节后，APF系统的谐波补偿效果仿真波形，其中图3（a）～（c）分别为非线性负载产生的畸变的负载电流、APF补偿后的电网侧电流和APF输出的补偿电流；图3（d）中SAT_REF为设定的APF补偿电流有效值，RMS_IREF为待补偿负载谐波电流有效值，RMS_IO为APF实际输出的补偿电流有效值。仿真中，0.2s时非线性负载发生跳变，所产生的畸变负载电流发生突增；0.4s前设定的APF补偿电流的限流有效值为80A，APF处于正常运行状态，未进行限流；0.4s后设定的APF补偿电流限流有效值为40A，APF输出电流被有效、快速的限流至设定值。

从上述说明可以看到，本发明公开的APF限流控制方法是基于有效值限流的方法，可以在APF最大出力时仍尽可能地保证补偿效果；此外，该方法同时包含开环控制部分和闭环控制部分，保证了快速而精确的限流效果。因此该方法极大的提高了APF在现场应用时的可靠程度和灵活程度。

本发明中给出了一种精确而快速的APF补偿电流限流控制方法，并利用仿真软件PSIM对该控制方法进行了仿真验证。从仿真结果可以看到，该控制方法能够APF在最大出力的情况下尽可能的保证谐波补偿效果，并具有快速而精确的限流效果，是一种有效、可靠的APF限流控制方法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）设定期望的有源电力滤波器补偿电流有效值；

2）检测畸变的负载电流并通过谐波分离算法计算待补偿谐波电流有效值；用设定的有源电力滤波器补偿电流有效值除以该待补偿谐波电流有效值，并将其结果限幅于0～1之间，得到开环控制部分的限流系数；

3）检测并计算有源电力滤波器实际输出的补偿电流有效值，用设定的有源电力滤波器补偿电流有效值减去该实际输出的补偿电流有效值，并将差值用PI调节器调节后，限幅于-0.5～0之间，得到闭环控制部分的限流系数；

4）将步骤2）中开环控制部分得到的限流系数与步骤3）中闭环控制部分得到的限流系数相叠加，并将结果限幅于0～1之间，得到最终的限流系数；

5）将步骤4）中得到的最终的限流系数与谐波分离算法得到的负载电流中待补偿的谐波电流指令相乘，其结果作为有源电力滤波器补偿电流控制环节的最终谐波电流指令。

2.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，其特征在于，步骤1）中设定期望的有源电力滤波器补偿电流有效值，其依据有源电力滤波器各功率器件容量进行预先设定，或者实时检测有源电力滤波器中半导体开关器件的运行温度进行设定。

3.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，其特征在于，步骤2）中谐波分离算法采用快速傅立叶变换或者基于瞬时无功理论的变换算法分离出畸变的负载电流中包含的待补偿的各次谐波成分。

4.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，其特征在于，步骤2）中通过谐波分离算法计算待补偿谐波电流有效值i_lh,rms，其计算公式如下：

$i_{\mathrm{lh},\mathrm{rms}}=\sqrt{\mathrm{\Σ}{(i_h/\sqrt{2})}^2}---\left(1\right)$

式中：i_h表示第h次谐波电流的幅值，下标h表示谐波次数。

5.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器补偿电流的限流控制方法，其特征在于，步骤3）中有源电力滤波器实际输出的补偿电流有效值i_o,rms，其计算公式如下：

$i_{o,\mathrm{rms}}=\sqrt{\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{\left(i_{o,n}\right)}^2}---\left(2\right)$

式中：i_o,n表示模数转换芯片采样得到的有源电力滤波器输出补偿电流的第n个点，N表示一个工频周期的模数转换芯片采样点数。

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