CN104218584B - 一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，采用多机冗余、主从控制结构，整机系统根据负载谐波含量在两种运行模式下切换：1)当谐波容量小于整机补偿容量时，按照功率单元运行数量最少化原则分配补偿容量，通过协调各功率单元投切，实现整机补偿容量的最充分利用；2)当谐波容量大于整机补偿容量时，考虑三方面限容因素，即额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以及主电路器件运行温度，按照变步长策略输出限容系数，优先补偿含量较高的低频次谐波，实现对整机补偿能力的最大化利用。本发明通过上下层主从控制器间的协调配合，实现了多机并联型APF补偿容量的最优利用，具有很好的可行性和实用价值。

Description

一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法

技术领域

本发明涉及一种多机并联型大容量APF(有源电力滤波器)的容量最优利用方法以及限容策略，属于电力电子技术在电力系统中应用的技术领域。

背景技术

随着大量电力电子设备投入使用，电网谐波含量日益增大。受到可控硅器件技术的限制，单机APF很难实现大容量输出，目前较多采用多机并联结构。采用多机并联结构时，涉及到两方面问题：1)当谐波含量较小，低于整机补偿容量时，如何协调各单元投入运行，在保证补偿性能的基础上，实现对整机补偿容量的最充分利用；2)当谐波含量较大，高于整机补偿容量时，如何保证装置安全可靠运行，并且实现整机补偿能力的最大化利用。

针对第一个问题，目前广泛应用的多机并联方案优缺点分析如下：

1、多机分次方案：各个功率单元容量不同，高次谐波分配低容量、高开关频率运行，低次谐波分配高容量、低开关频率运行，从而减少开关损耗、提高补偿容量利用率。缺点：所有功率单元同时运行，当谐波含量较少时，整机补偿容量利用率低；发生单点故障时，整机补偿性能将会受到影响。

2、“级联式”方案：从负载侧开始，每个功率单元只补偿前级单元剩余谐波，靠近负载侧的功率单元补偿容量大，各个功率单元无关联，真正实现单元化运行和冗余，在线更换和维护简单。缺点：需要多个CT，成本高且采样电流同步性较差；离负载侧最近的APF长期满负荷连续运行，容易出现硬件老化；各个功率单元之间缺少配合。

3、IGBT+GTO方案：靠近负载侧功率单元的开关器件选择容量较大而开关频率较低的GTO，而靠近网侧功率单元的开关器件选择容量较小而开关频率较高的IGBT；后级功率单元(GTO)补偿低次谐波，前级功率单元(IGBT)补偿高次谐波。缺点：扩展性较差；如果后级功率单元失效，而前级补偿容量不足，容易导致前级功率单元过载运行。

4、按负载分配方案：各个功率单元容量相同，集中控制，将谐波容量平均分配给所有功率单元，通过协调各个单元的电流指令，可以成倍提高等效开关频率，提高补偿精度。缺点：当谐波容量较低时，造成资源浪费；扩展容量时，需要修改主控制器参数，单元化运行与集中控制存在矛盾；发生单点故障时，各个功率单元有可能过载运行。

针对第二个问题，实际应用中制定最优的限容策略，需要考虑在什么情况下进行限容。一般情况下应该考虑三方面因素，即装置额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以及主电路器件运行温度，分述如下：

1、对于装置额定补偿能力，目前有两种限容策略：1)截断限容，将指令电流峰值限制在安全运行区间，该方法实现简单，只需要在指令电流运算环节增加一级比较器即可，但是容易产生新的谐波频谱分量；2)容量比例限容，当大电流谐波负荷出现时，各次谐波输出电流等比例减小，导致整机滤波能力大幅度下降。

2、对于直流侧电压有效利用范围，三角载波调制情况下输出相电压最大值为u_dc/2(取调制比M＝1)。为了达到良好的滤波性能，APF应该有能力输出相电压瞬时分量的最大值，以a相为例，如下式所示：

$\begin{array}{c}\frac{u_{\mathrm{dc}}}{2}>E_m\cos \mathrm{\ωt}-\mathrm{\ω}{\mathrm{LI}}_{\mathrm{cqa}}\sin (\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\θ}}_1)-\underset{n=6k\±1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{n\ω}{\mathrm{LI}}_{\mathrm{cna}}\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n){|}_{\max }\\ =E_m+\mathrm{\ω}{\mathrm{LI}}_{\mathrm{cqa}}+\underset{n=6k\±1}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{n\ω}{\mathrm{LI}}_{\mathrm{cna}}\end{array}---\left(1\right)$

式中，u_dc为直流侧电压；L为并网电抗；I_cqa为无功电流分量峰值；I_cna为n次谐波电流分量峰值；E_m为电网电压峰值；ω为基波角频率；θ₁和θ_n分别为无功分量和n次谐波分量的初始相位。

3、对于主电路器件运行温度，一般只考虑IGBT。为了防止热击穿损毁，一般要求IGBT结温最大值满足T_jmax<150。利用IGBT功率损耗仿真软件，可以发现结温和输出电流有效值呈近似线性关系，如下式所示。其中T_f为散热片表面温度，K_T为温度系数，与IGBT功率损耗、反向恢复二极管损耗、结壳热阻以及IGBT壳与散热器热阻有关，I_RMS为输出电流有效值。

T_j＝T_f+K_TI_RMS(2)

综上所述，无论是多机并联方案还是限容策略，都存在不同程度的缺陷，需要针对谐波含量的不同情况，以实现补偿容量的最优利用为目标，对现有的多机并联方案和限容策略作进一步改进。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，能够对大电流谐波污染源进行最优治理。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，采用多机冗余、主从控制结构，上层主控制器负责谐波检测、分配补偿容量、补偿优先级生成、限容系数下发和载波移相，同时上层主控制器还负责接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状态指令和所属功率单元的补偿容量，下层从控制器负责对谐波的独立控制；

当谐波容量小于并机容量时，整机运行于冗余模式，按照功率单元运行数量最少化原则分配补偿容量，并且当某功率单元运行时间超过预设值，上层主控制器指定冗余功率单元(未开机的功率单元，冗余功率单元预充电完成后，即转为待机模式)投入运行；

当谐波容量大于并机容量时，整机运行于优先补偿限容模式，考虑三方面限容因素，即额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以及主电路器件运行温度，整机按照补偿优先级指令的设定优先补偿含量较高的低频次谐波。

所述上层主控制器包括多机并联实时监测单元、谐波频次分析单元、多机并联分配单元、载波移相单元和人机界面(HMI)；

多机并联实时监测单元：接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状态指令；

谐波频次分析单元：负责各次谐波电流的计算，并下发补偿指令；

多机并联分配单元：根据谐波容量以及各功率单元的补偿容量，计算需要运行功率单元的最少数量，并分配各功率单元的补偿容量，接收人机界面的谐波补偿频次设定量并生成补偿优先级指令，并下发投切指令、限容系数；

载波移相单元：用于分配各功率单元的载波移相角；

人机界面：负责谐波补偿频次设定、显示系统运行参数；

所述下层从控制器包括电压外环、电流内环、状态反馈单元和PWM调制单元；

电压外环：负责接收直流侧电压，稳定直流侧电压在给定值阈值范围内；

电流内环：负责接收桥臂电流以及负载电流，形成偏差信号；

状态反馈单元：向上层主控制器发送所属功率单元的运行状态指令；

PWM调制单元：接收电流内环形成的偏差信号，形成控制主电路IGBT的驱动脉冲。

在冗余模式下，上层主控制器根据谐波容量以及各功率单元的补偿容量，计算需要运行功率单元的最少数量，并分配各功率单元的补偿容量；功率单元投入运行后，并机时间计时启动：冗余模式时，若某一功率单元并机时间t大于预设时间T，选择冗余功率单元预充电等待投入，在该功率单元转为待机模式的同时冗余功率单元投入运行。

在优先补偿限容模式下，多机并联分配单元接收人机界面的谐波补偿频次设定量，按照频次由低到高生成补偿优先级指令；整机按照设定的补偿优先级指令优先补偿含量较高的低频次谐波，限容系数S从0开始依次递增，保证整机的安全运行；限容系数S递增采用变步长策略，步长τ随着频次的增加而逐渐减小，直至整机输出容量达到额定补偿能力并且不超过直流侧电压有效利用范围；当主电路器件运行温度超出所设范围时，限容系数递减采用定步长策略；所述三方面限容因素中，额定补偿能力和主电路器件运行温度为有效值约束条件，直流侧电压有效利用范围为峰值约束条件。

在优先补偿限容模式下，谐波电流指令及有效值表述如下：设定补偿优先级依次为基波无功、5次负序、7次正序、…、n次，n＝1或6k±1，k为正整数，M为需要补偿的谐波频次个数，各次谐波的补偿程度在0～1范围内取值，总的限容系数在0～M范围内取值，此时各次谐波电流指令变为：

$I_{\mathrm{cn}}^{\&prime;*}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{cn}}^{*}& n<N\\ (S-M_0)I_{\mathrm{cn}}^{*}& n=N\end{array}\right.$

$i_{\mathrm{crms}}^{*}=\sqrt{{\left(i_{\mathrm{cp}}^{*}\right)}^2+{\left(i_{\mathrm{cq}}^{*}\right)}^2+\underset{n<N}{\mathrm{\&Sigma;}}{\left(i_{\mathrm{cn}}^{\&prime;*}\right)}^2+{\left[(S-M_0)i_{\mathrm{cN}}^{\&prime;*}\right]}^2}$

其中：和分别为限容前后补偿指令电流，为限容后的指令电流有效值，为基波正序有功分量有效值，为基波正序无功分量有效值，为完全输出的谐波电流分量有效值，为不完全输出的谐波电流分量有效值，N为整机输出的最高次谐波次数，M₀为完全输出的谐波频次个数，由下取整函数得到：

有益效果：本发明提供的有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，相对于现有技术，具有如下优势：

1、扩展容量时无需修改主控制器参数，主控制器自行更新运行状态指令；出现单点故障时，主控制器重新分配各单元补偿容量，实现了多机并联型APF容量的可靠利用；

2、上层主控制器可以接收功率单元的运行状态指令以及补偿容量，多机并联分配单元可以合理分配各单元补偿容量，因而可以采用并联不同容量的功率单元，提高整机输出容量；

3、当某功率单元运行时间超过预设值，主控制器指定原待机单元预充电等待投入，原功率单元转入待机模式后重新投入指定功率单元，避免某一单元长期连续运行导致硬件老化，实现了多机并联APF容量的最充分利用；

4、当谐波容量大于并机容量时，设定补偿优先级，优先补偿含量较高的低频次谐波，限容系数从0开始依次递增，实现了整机补偿能力的最大化利用，并且保证了整机的安全运行；

5、采用变步长限容策略，大大加快了APF运行于优先补偿限容模式下的响应速度。

附图说明

图1为优先补偿限容策略控制框图；

图2为优先补偿限容策略系统结构图；

图3为限容系数运算流程图；

图4为整机结构示意图；

图5为冗余模式下各单元投切流程图；

图6为定步长限容策略仿真结果：(a)限容保护系数变化；(b)限容后指令电流；(c)限容前后有效值变化趋势，虚线为限容前有效值；

图7为变步长限容策略仿真结果：(a)限容保护系数变化；(b)限容后指令电流；(c)限容前后有效值变化趋势，虚线为限容前有效值

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，采用多机冗余、主从控制结构，上层主控制器负责谐波检测、分配补偿容量、补偿优先级生成、限容系数下发和载波移相，同时上层主控制器还负责接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状态指令和所属功率单元的补偿容量，下层从控制器负责对谐波的独立控制；

当谐波容量小于并机容量时，整机运行于冗余模式，按照功率单元运行数量最少化原则分配补偿容量，并且当某功率单元运行时间超过预设值，上层主控制器指定冗余功率单元投入运行；

当谐波容量大于并机容量时，整机运行于优先补偿限容模式，考虑三方面限容因素，即额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以及主电路器件运行温度，整机按照补偿优先级指令的设定优先补偿含量较高的低频次谐波，按照变步长策略输出限容系数。

如图4所示，上层主控制器包括多机并联实时监测单元、谐波频次分析单元、多机并联分配单元、载波移相单元和人机界面(HMI)，各个部分具体功能描述如下。

多机并联实时监测单元：接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状态指令；

谐波频次分析单元：负责各次谐波电流的计算，并下发补偿指令；

多机并联分配单元：根据谐波容量以及各功率单元的补偿容量，计算需要运行功率单元的最少数量，并分配各功率单元的补偿容量，接收人机界面的谐波补偿频次设定量并生成补偿优先级指令，并下发投切指令、限容系数；

载波移相单元：用于分配各功率单元的载波移相角；

人机界面：负责谐波补偿频次设定、显示系统运行参数。

如图4所示，所述下层从控制器包括电压外环、电流内环、状态反馈单元和PWM调制单元，各个部分具体功能描述如下。

电压外环：负责接收直流侧电压，稳定直流侧电压在给定值阈值范围内；

电流内环：负责接收桥臂电流以及负载电流，形成偏差信号；

状态反馈单元：向上层主控制器发送所属功率单元的运行状态指令；

PWM调制单元：接收电流内环形成的偏差信号，形成控制主电路IGBT的驱动脉冲。

如图1所示为优先补偿限容策略控制框图，采用谐波分次检测，电流内环采用PI控制器。考虑到传统PI控制器对周期性变化的交流分量不能无静差跟踪，采用幅值和相角静差校准方法，加入限容环节，其中，补偿系数K'_n由幅值校准增益A_n和限容系数K_n组成，A_n＝1/A″_n，A″_n为幅值增益，δ'_n＝-δ_n，δ_n为相角偏差。

$\stackrel{\&RightArrow;}{I_n^{\&CenterDot;*}}=\stackrel{\&RightArrow;}{I_n^{*}}{K}_n^{\&prime;}{e}^{j{\mathrm{\&delta;}}_n^{\&prime;}}=\stackrel{\&RightArrow;}{I_n^{*}}{A}_n{K}_n{e}^{-j{\mathrm{\&delta;}}_n}$

其中，和分别为校准及限幅前后的指令电流。

图2所示为优先补偿限容策略系统结构图，当谐波容量小于并机容量时，按照功率单元运行数量最少化原则分配补偿容量，并且当某功率单元运行时间超过预设值，上层主控制器指定冗余功率单元投入运行，避免某一功率单元长期运行导致硬件老化；当谐波容量大于并机容量时，有限补偿含量较高的低频次谐波，并且采用变步长策略加快APF的响应速度。多机并联分配单元接收HMI下发的谐波补偿频次设定量，生成补偿优先级指令，然后通过上层主控制器下发限容系数。

图3为限容系数运算流程图，U_max为根据指令电流计算的主电路交流侧输出相电压最大值；为指令电流有效值；表征装置额定补偿能力。考虑三方面限容因素，即装置额定补偿能力(对应②)、直流侧电压有效利用范围(对应①)以及主电路器件运行温度(对应③)。当谐波电流指令超出额定电流时，立即封锁输出电流，限容系数归零，S输出逐步递增(S₀)，直至处于装置额定容量以及直流侧电压有效利用范围约束条件的临界值，当IGBT出现过温时，S输出逐步递减(S₁)，直至满足所有约束条件，装置稳定运行。考虑到实际测温误差，IGBT结温阀值设定为125℃。

设补偿优先级顺序按频次顺序，优先补偿低频次谐波。H₁、H₅、H₇、H₁₁、H₁₃…H_n分别为补偿指令电流的各次谐波补偿系数，取值范围0～1，限容系数S＝H₁+H₅+H₇+H₁₁+H₁₃…+H_n，则S取值范围为0～M(比如有5、7、11、13次谐波需要补偿时，则M＝4)；当谐波电流指令有效值大于APF并机容量时，S归零后依次增加步长τ：当0＜S≤1时，H₁＝S，其余各次谐波补偿系数为0；当1＜S≤2时，H₁＝1，H₅＝S-1，其余各次谐波补偿系数为0...依此类推。S由0开始，每经过T₁(谐波有效值的最短运算时间)，S增加步长τ，并且τ随着频次的增加而逐渐减小，直到限容输出的有效值达到额定容量并且不超过直流侧电压有效利用范围。限容策略分为定步长限容策略和变步长限容策略。当主电路器件运行温度超出所设范围时，限容系数递减采用定步长策略。

定步长限容策略举例：设APF有效值为100A，当谐波电流指令有效值大于该值时，限容模式开始运行，S归零，并且每经过T₁加τ。当0＜S≤1时，无功分量按补偿系数输出，其它各次输出为0；当1＜S≤2时，无功分量全额输出，5次谐波按照(S-1)补偿系数输出，依此类推。采用这样的控制算法可以最大限度满足低频次谐波的补偿，改善谐波补偿精度，并且可以在超出额定容量时，能立刻将指令电流归零，从而保护IGBT不会运行在过载状态下。缺点是当达到额定电流所需的S较大时，所需要的调节时间将会较长，从而降低了该种方案的动态响应性能。变步长限容策略是在上述基础上，τ按照优先级顺序相反方向，从低频次到高频次逐渐减小，从而加快整体补偿系统的响应速度。

图4所示为整机系统结构图。采用多机冗余(并机功率单元1～N₀)、主从控制结构，上层主控制器负责谐波检测、分配补偿容量、补偿优先级生成、限容系数下发、载波移相以及接收下层从控制器发出的运行状态指令，下层从控制器负责对谐波的独立控制。

图5所示为冗余模式下各单元投切流程图。主控制器接收下层从控制器实时更新的运行状态指令；如果谐波容量(I_h)小于所有功率单元的容量总和(I_sum)，即I_h≤I_sum，则主控制器进行容量分配，并机功率单元投入运行并且各单元并机时间计时启动；当I_h>I_sum时，各单元限容运行。当某一功率单元并机时间(t)大于预设时间(T)并且功率单元冗余运行时，冗余单元预充电等待投入，原功率单元转为待机模式，新的功率单元投入运行。

图6为优先补偿限容模式下定步长限容仿真结果。有效值限容取为240A，并且步长τ恒定为0.1。可以看出，由于采用定步长，响应时间与S成线性关系。当限容值较大时，响应速度会变得很低。

图7为优先补偿限容模式下变步长限容仿真结果。开始阶段τ取0.2，在接近限容值时，τ取0.02，以此改善限容的动态响应性能。可以看出，0.04s四倍负荷投入后，指令电流立刻归零，经过大约一个基波周期后，有效值限容到100A，限容系数为0.42(当采用定步长限容策略，响应时间至少需要两个基波周期)，只补偿5次谐波，并且在调节周期内(0.04s～0.06s)，有效值不超过限容值，达到了良好的限容效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，其特征在于：采用多机冗余、主从控制结构，上层主控制器负责谐波检测、分配补偿容量、补偿优先级生成、限容系数下发和载波移相，同时上层主控制器还负责接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状态指令和所属功率单元的补偿容量，下层从控制器负责对谐波的独立控制；

当谐波容量小于并机容量时，整机运行于冗余模式，按照功率单元运行数量最少化原则分配补偿容量，并且当某功率单元运行时间超过预设值，上层主控制器指定冗余功率单元投入运行；

当谐波容量大于并机容量时，整机运行于优先补偿限容模式，考虑三方面限容因素，即额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以及主电路器件运行温度，整机按照补偿优先级指令的设定优先补偿含量较高的低频次谐波；

所述上层主控制器包括多机并联实时监测单元、谐波频次分析单元、多机并联分配单元、载波移相单元和人机界面；

多机并联实时监测单元：接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状态指令；

谐波频次分析单元：负责各次谐波电流的计算，并下发补偿指令；

多机并联分配单元：根据谐波容量以及各功率单元的补偿容量，计算需要运行功率单元的最少数量，并分配各功率单元的补偿容量，接收人机界面的谐波补偿频次设定量并生成补偿优先级指令，并下发投切指令、限容系数；

载波移相单元：用于分配各功率单元的载波移相角；

人机界面：负责谐波补偿频次设定、显示系统运行参数；

所述下层从控制器包括电压外环、电流内环、状态反馈单元和PWM调制单元；

电压外环：负责接收直流侧电压，稳定直流侧电压在给定值阈值范围内；

电流内环：负责接收桥臂电流以及负载电流，形成偏差信号；

状态反馈单元：向上层主控制器发送所属功率单元的运行状态指令；

PWM调制单元：接收电流内环形成的偏差信号，形成控制主电路IGBT的驱动脉冲；

在冗余模式下，上层主控制器根据谐波容量以及各功率单元的补偿容量，计算需要运行功率单元的最少数量，并分配各功率单元的补偿容量；功率单元投入运行后，并机时间计时启动：冗余模式时，若某一功率单元并机时间t大于预设时间T，选择冗余功率单元预充电等待投入，在该功率单元转为待机模式的同时冗余功率单元投入运行；

在优先补偿限容模式下，多机并联分配单元接收人机界面的谐波补偿频次设定量，按照频次由低到高生成补偿优先级指令；整机按照设定的补偿优先级指令优先补偿含量较高的低频次谐波，限容系数S从0开始依次递增，保证整机的安全运行；限容系数S递增采用变步长策略，步长τ随着频次的增加而逐渐减小，直至整机输出容量达到额定补偿能力并且不超过直流侧电压有效利用范围；当主电路器件运行温度超出所设范围时，限容系数递减采用定步长策略；所述三方面限容因素中，额定补偿能力和主电路器件运行温度为有效值约束条件，直流侧电压有效利用范围为峰值约束条件。

2.根据权利要求1所述的有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，其特征在于：在优先补偿限容模式下，谐波电流指令及有效值表述如下：设定补偿优先级依次为基波无功、5次负序、7次正序、…、n次，n＝1或6k±1，k为正整数，M为需要补偿的谐波频次个数，各次谐波的补偿程度在0～1范围内取值，总的限容系数在0～M范围内取值，此时各次谐波电流指令变为：

$I_{cn}^{\&prime;*}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{cn}^{*}& n<N\\ \left(S-M_0\right)I_{cn}^{*}& n=N\end{array}\right.$

$i_{crms}^{*}=\sqrt{{\left(i_{cp}^{*}\right)}^2+{\left(i_{cq}^{\&prime;*}\right)}^2+\underset{n<N}{\&Sigma;}{\left(i_{cn}^{\&prime;*}\right)}^2+{\&lsqb;(S-M_0)i_{cN}^{\&prime;*}\&rsqb;}^2}$

其中：和分别为限容前后补偿指令电流，为限容后的指令电流有效值，为基波正序有功分量有效值，为基波正序无功分量有效值，为完全输出的谐波电流分量有效值，为不完全输出的谐波电流分量有效值，N为整机输出的最高次谐波次数，M₀为完全输出的谐波频次个数，由下取整函数得到：