CN104882885A - 一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法，选择一种新型的并联拓扑结构，制定并联系统中各台APF均流方法；然后建立并联系统关于功率损耗和运行时间的仿真模型，以并联运行系统在补偿谐波时全程消耗的总能量最小为目标进行优化，综合考虑各台APF运行时间，使整个并联系统各APF运行时间相等、使用寿命相同。对比优化前后，能明显看到优化后并联系统在总耗能和总运行时间上的优势。

Description

一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法

技术领域

本发明属于有源电力滤波器并联技术领域，更为具体地讲，涉及一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的大功率开关器件应用到电力电子设备中，以及非线性负载在电网上的广泛应用，其产生的大量无功电流和谐波电流对电网造成了严重污染。为了保证电网的安全可靠运行，保证较高的电能质量，对电网进行高效的谐波抑制与无功补偿显得尤为重要。单台APF补偿容量较小，将多台小容量APF并联，实现大容量谐波补偿的方法已成为解决APF容量问题的研究趋势。

在现有技术中，张国荣,马骏.有源电力滤波器的并联运行及其控制策略[J].低压电器,2010,04:52-56,60.研究了多台APF并联的拓扑结构及并联分流方法，提出一种主从式的并联拓扑结构，在该结构下各台APF利用串口互相通信，选择一个APF作为主机为其他从机分配均流系数，从机根据分配到的均流系数大小进行谐波补偿。但该并联方案并未对多台APF并联运行时的功率损耗、使用寿命做研究，在谐波电流很小的工况下，会造成多台APF长时间运行在轻载或者空载状态，造成大量不必要的功率损耗，并且每台APF均处于开机状态，无意义地损耗了使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法，使并联系统能在完全补偿负载谐波电流的情况下，最优化功率损耗，并使每台APF运行时间一样，最大化整个系统的使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将N台有源电力滤波器(APF)依次并联在电网与非线性负载之间，每个CT与对应一台APF连接，为该台APF提供采样信号，在每台APF的控制 系统端，都通过CAN总线与PC连接；

当并联系统运行时，PC机获取当前并联系统中各台APF的容量、功率损耗、开关机损耗，并任意选择一台APF作为负载电流采集器，该APF再将采集到的负载电流通过CAN传输给PC；

(2)、PC机在MATLAB平台下调用YALMIP工具箱，对步骤(1)中获取的数据进行编程，建立起并联系统基于功率损耗与使用寿命的模型P_cost

$P_{\cos t}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{i,t}\·P\left(I_{i,t}\right)+\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{i,t+1}\·\left(1-S_{i,t}\right)\·Open\left(i\right)+\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_{i,t}\·S_{i,t}$

且并联系统满足：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{i,min}\≤I_{i,t}\≤I_{i,max}\\ I_{f,t}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_{i,t}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}(I_{i,\max }-I_{i,t})\≥I_{p,t}\\ \underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{1,t}=\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{2,t}=...\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{n,t}\end{array}\right.$

其中，S_i,t为第i台APF在t时刻的启停状态，当S_i,t＝1为开机，当S_i,t＝0为停机；I_i,t为第i台APF在t时刻将要补偿的电流大小，I_i,min为第i台APF能补偿最小电流有效值值，I_i,max为第i台APF能补偿的最大电流有效值；Open(i)为第i台APF一次开机所消耗的能量；E_i,t为第i台APF在t时刻的固定损耗；P(I_i,t)为第i台APF在t时刻消耗的功率，用二次函数表示为：a,b为常数；I_f,t为t时刻谐波电流预测值；I_p,t为并联系统正备用需求电流，一般取当前时刻谐波电流预测值的10％；

(3)、PC机根据负载电流做谐波检测，得到负载电流中的谐波电流预测值I_f,t；

(4)、将谐波电流预测值I_f,t代入到模型P_cost和并联系统的满足条件，再通过PC机控制每台APF对负载电流的谐波补偿。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法，选择一种新型的并联拓扑结构，制定并联系统中各台APF均流方法；然后建立并联系统关于功率损耗和运行时间的仿真模型，以并联运行系统在补偿谐波时全程消耗的总能 量最小为目标进行优化，综合考虑各台APF运行时间，使整个并联系统各APF运行时间相等、使用寿命相同。对比优化前后，能明显看到优化后并联系统在总耗能和总运行时间上的优势。

同时，本发明一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法还具有以下有益效果：

本发明能够使并联系统的功率损耗最小，节省了因APF待机而消耗的能量，并且能够有目的性地使每台APF运行时间相同，最大化保证系统中每台APF使用寿命相近。

附图说明

图1是本发明的并联系统拓扑结构图；

图2是本发明的总谐波电流预测曲线示意图；

图3是各APF在炼钢炉一次炼钢期间分配的谐波电流示意图；

图4是各APF在炼钢炉一次炼钢期间启停状态示意图与负载总谐波电流趋势图；

图5是使用和未使用本发明所示的多机并联优化运行控制策略时系统耗能占比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：

APF(Active Power Filter)：有源电力滤波器；

CT(Current Transformer)：电流互感器；

CAN(Controller Area Network)：控制器局域网络。

图1是本发明的并联系统拓扑结构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种有源电力滤波器多机并联优化运 行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将N台有源电力滤波器(APF)依次并联在电网与非线性负载之间，将所有APF的CT放置在第N台APF与非线性负载之间，每个CT与对应一台APF连接，为该台APF提供采样信号，在每台APF的控制系统端，都通过CAN总线与PC连接；本实施例中不需要对每台APF间进行连接。

当并联系统运行时，PC机能够获取到当前并联系统中各台APF的容量、功率损耗、开关机损耗，再任意选择一台APF作为负载电流采集器，并将该台APF采集到的负载电流通过CAN传输给PC；

S2、PC机在MATLAB平台下调用YALMIP工具箱，对步骤S1中获取的数据进行编程，建立起并联系统基于功率损耗与使用寿命的模型P_cost；

$P_{\cos t}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{i,t}\·P\left(I_{i,t}\right)+\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{i,t+1}\·\left(1-S_{i,t}\right)\·Open\left(i\right)+\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_{i,t}\·S_{i,t}$

且并联系统满足：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{i,min}\≤I_{i,t}\≤I_{i,max}\\ I_{f,t}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_{i,t}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}(I_{i,\max }-I_{i,t})\≥I_{p,t}\\ \underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{1,t}=\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{2,t}=...\underset{t=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_{n,t}\end{array}\right.$

其中，S_i,t为第i台APF在t时刻的启停状态，当S_i,t＝1为开机，当S_i,t＝0为停机；I_i,t为第i台APF在t时刻将要补偿的电流大小，I_i,min为补偿最小值，I_i,max为补偿最大值；Open(i)为第i台APF在t时刻开机所消耗的能量；E_i,t为第i台APF在t时刻的固定损耗，该损耗不随谐波电流大小的改变而改变，只要APF处于运行状态就会有固定损耗；；P(I_i,t)为第i台APF在t时刻消耗的功率，用二次函数表示为：a,b为常数；I_f,t为t时刻谐波电流预测值；I_p,t为并联系统正备用需求电流，一般取当前时刻谐波电流预测值的10％；

S3、PC机根据负载电流做谐波检测，得到负载电流中的谐波电流预测值I_f,t；谐波检测的具体方法为公知常识，在此不再赘述；

S4、将谐波电流预测值I_f,t代入到模型P_cost和并联系统的满足条件，再通过PC机控制每台APF对负载电流的谐波补偿。下面对谐波补偿进行详细说明：

S4.1、将谐波电流预测值I_f,t代入到步骤S2建立的模型中；

S4.2、PC机调用CPLEX求解器求解，计算出各台APF随时间变化的均流系数K_i,t和开关机状态指令S_i,t；

S4.3、PC机将K_i,t和S_i,t通过CAN发送给每台APF的控制系统，然后由控制系统存入到APF中的EEPROM里；

S4.4、每隔时间60s，APF的控制系统从EEPROM中读取一次K_i,t和S_i,t，控制系统再根据K_i,t计算谐波补偿指令 其中，K_i,t为第i台APF在t时刻的均流系数，为第i台APF的谐波电流指令瞬时值，为经过均流以后的谐波电流指令瞬时值；

S4.5、将分配给每台APF，利用S_i,t进行启停机操作，完成负载电流的谐波补偿。

实例

以治理某炼钢厂的感应加热电源某一次炼钢所产生的谐波电流为例，PC机从任意一台APF得到负载电流值，进行谐波检测算法，得到T时间段内的总谐波电流值作为谐波电流预测曲线，谐波电流预测曲线如图2所示。炼钢炉炼钢严格按照预定流程重复执行，所以由感应加热电源产生的谐波电流也会周期性地产生。在并联系统中，有2台75A-APF，3台100A-APF，采用本发明的并联运行策略进行补偿，各APF特性如表1所示：

表1是各台APF特性表；

表1

在本实施例中，设均流系数的分配周期为60s，则每台APF补偿谐波消耗的功率W(I_i,t)＝60×P(I_i,t)，每台APF开机所消耗的开机损耗Open(i)以“次”为单位，且每次开机均消耗相同的能量。

未用优化策略时，设每台APF均开机，负载电流平均分配给每台APF，每个时刻的均流系数K_t均为每台APF在t＝0时刻S_i,t＝0，从t＝1时刻开始每台APF的启停状态S_i,t＝1，炼钢炉每天需要进行6次炼钢，中间有40分钟时间炼钢炉未工作，此时感应加热电源产生的谐波很小，可忽略不计，但并联系统中的5台APF仍然在工作，因此这40分钟中5台APF会增加额外的固定损耗，这种情况下6次炼钢过程中并联系统消耗的总能量为6次补偿谐波产生的耗能，加上中间5次40分钟的固定损耗的能量，得到实际的耗能为：

1)、补偿所消耗能量：

$W_{comp}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{i,t}\·P\left(I_{f,t}/N\right)\×60=31154.4KJ$

2)、开机消耗能量，所有APF仅在t＝1时刻开机并运行全程：

$P_{open}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}Open\left(I_i\right)=120.84KJ$

3)、固定损耗为：

$W_{const}=\left(\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_{i,t}\·S_{i,t}\right)\×60=46472.25KJ$

并联系统消耗的总能量为：

W_cost＝W_comp+W_open+W_const＝77747.49KJ

采用本发明的优化策略后，按照步骤S1-S4进行并联系统的优化，模型P_cost中的T为并联系统的工作总时间，在该例中包括6次炼钢时间和中间的5次休息时间，在保证每台APF运行时间相同、最大化并联系统使用寿命的前提下，经计算得各APF在炼钢炉一次炼钢期间分配的谐波电流有效值，用分配的谐波电流有效值除以各台APF的容量即为分配的均流系数K_i,t，如图3所示，图3(a) ～图3(e)分别是APF1～APF5分配的谐波电流有效值，如图4所示，图4(a)～图4(e)分别是APF1～APF5启停状态，图4(f)是总谐波电流趋势图。

在APF并联系统中消耗能量如下：

1)、补偿所消耗能量：

$W_{comp}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{i,t}\·P\left(I_{f,t}/N\right)\×60=33559.8KJ$

2)、开机消耗能量：

$W_{open}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{S}_{i,t+1}\·(1-S_{i,t})\·Open\left(I_{i,t}\right)=487.14KJ$

3)、固定损耗为：

$W_{const}=\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_{i,t}\·S_{i,t}\×60=20365.34KJ$

并联系统消耗的总能量为：

W_cost＝W_comp+W_open+W_const＝54412.28KJ

未使用并机策略优化时和使用并机策略优化后系统耗能占比如图5所示，由图可见，2台75A-APF和3台100A-APF组成的并联系统，在考虑各台APF使用寿命的前提下，相比于优化前总耗能减少23335.21KJ，占优化前总耗能的30％。优化后并联系统每台APF均在炼钢炉工作时运行36分钟，在炼钢炉中途休息的40分钟关机，并联系统的总运行时间从T_total＝2290分钟减少到T_total＝36×5×6＝1080分钟，减少了52.84％的运行时间。每台APF运行时间仅占总运行时间的47.16％，有一半以上的时间都未开机运行，可见在减少每台APF的运行时间、节省使用寿命方面效果同样显著。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将N台有源电力滤波器(APF)依次并联在电网与非线性负载之间，每个CT对应一台APF连接，为该台APF提供采样信号，在每台APF的控制系统端，都通过CAN总线与PC连接；

当并联系系统运行时，PC机获取当前并联系统中各台APF的容量、功率损耗、开关机损耗，并任意选择一台APF作为负载电流采集器，该APF再将采集到的负载电流通过CAN传输给PC；

(2)、PC机在MATLAB平台下调用YALMIP工具箱，对步骤(1)中获取的数据进行编程，建立起并联系统基于功率损耗与使用寿命的模型P_cost

$P_{\cos t}=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{i,t}\·P\left(I_{i,t}\right)+\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{i,t+1}\·(1-S_{i,t})\·\mathrm{Open}\left(i\right)+\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{i,t}\·S_{i,t}$

且并联系统满足：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{i,\min }\≤I_{i,t}\≤I_{i,\max }\\ I_{f,t}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{i,t}\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I_{i,\max }-I_{i,t})\≥I_{p,t}\\ \underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{1,t}=\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{2,t}=...\underset{t=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{n,t}\end{array}\right.$

其中，S_i,t为第i台APF在t时刻的启停状态，当S_i,t＝1为开机，当S_i,t＝0为停机；I_i,t为第i台APF在t时刻将要补偿的电流大小，I_i,min为第i台APF能补偿最小电流有效值值，I_i,max为第i台APF能补偿的最大电流有效值；Open(i)为第i台APF一次开机所消耗的能量；E_i,t为第台APF在t时刻的固定损耗；P(I_i,t)为第i台APF在t时刻消耗的功率，用二次函数表示为：a,b为常数；I_f,t为t时刻谐波电流预测值；I_p,t为并联系统正备用需求电流，一般取当前时刻谐波电流预测值的10％；

(3)、PC机根据负载电流做谐波检测，得到负载电流中的谐波电流预测值I_f,t；

(4)、将谐波电流预测值I_f,t代入到模型P_cost和并联系统的满足条件，再通过PC机控制每台APF对负载电流的谐波补偿。

2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，PC机控制每台APF对负载电流的谐波补偿方法为：

(2.1)、将谐波电流预测值I_f,t代入步骤2中建立的模型；

(2.2)、PC机调用CPLEX求解器求解，计算出各台APF随时间变化的均流系数K_i,t和开关机状态指令S_i,t；

(2.3)、PC机K_i,t和S_i,t存入到APF控制系统中的EEPROM中；

(2.4)、每隔时间T₁，APF从EEPROM中读取一次K_i,t和S_i,t，控制系统再根据K_i,t计算谐波补偿指令再分配给每台APF，最后利用S_i,t进行启停机操作。

3.根据权利要求2所述的有源电力滤波器多机并联优化运行控制方法，其特征在于，所述的步骤(2.4)中，谐波补偿指令的计算方法为：

$I_i^{{\mathrm{ref}}^{\′}}=K_{i,t}\×I_i^{\mathrm{ref}},i=\mathrm{1,2},...,N$

其中，K_i，t为第i台APF在t时刻的均流均流系数，为第i台APF的总谐波电流指令瞬时值，为经过均流以后的总谐波电流指令瞬时值，N为APF的总台数。