CN105356470B - 大功率apf并机谐波补偿系统动态协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，通过主从控制器进行动态协调控制，具体为：1)负载谐波含量少且各次谐波频谱分布均匀时，整机按照多机均流模式进行补偿，模块最少化运行；负载谐波含量多或各次谐波频谱分布差异较大时，整机按照多机分次+均流模式进行补偿，且多机分次补偿组按照动态优先级顺序集中补偿主要次谐波；2)主控制器实时检测并比较负载各次谐波含量，设定补偿动态优先级，并实时选择整机运行模式；3)主从控制器实时监测功率模块运行状态，并在故障停机状态下进行选择性故障重启。本发明提高了大功率APF并机系统的可靠性，并且实现了动态容量优化分配，具有很好的可行性和实用价值。

Description

大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是电力电子技术中一种大功率多机并联型有源电力滤波器的补偿容量分配方法。

背景技术

低压谐波污染源广泛存在于电网，例如轧钢、电解铝、商场照明等，这些谐波污染对电网、其它用电设备，特别是用电可靠性都会带来严重影响。目前，谐波治理方案主要分为无源型和有源型：无源型治理装置体积重量较大，并且容易产生谐振，不易限流输出；有源型治理装置具有高度可控以及快速响应性能，可以实时动态补偿电网中的谐波，因而逐渐成为谐波治理的首选。针对有源型谐波治理装置所应用的不同负载场合，需要采用不同的补偿方法：对于低功率的工业应用场合，可以采用单模块进行谐波补偿，其耐压能力和负载电流可以通过半导体开关的串并联实现；对于大功率应用场合，考虑到半导体开关技术水平的限制以及串并联开关器件所带来的一系列问题，无法用单模块同时达到较高的额定功率以及较高的开关频率，将多模块并联是实现大容量谐波源补偿的有效方案。但是，多模块并联需要较大的经济投入，并且当需要处理的谐波负载为轧钢厂内的直流调速电机等负载时，需要考虑其具体的负载特性：1)谐波电流等级较大；2)各次谐波电流或无功快速变化，并且某时刻出现较大单次谐波或无功冲击。针对此类负载，需要进行合理的多机间谐波动态协调控制，从而实现系统可靠运行及整机补偿容量的最优利用。

目前，主要有如下几种协调控制或补偿容量分配方法：

(1)N台装置+N组CT，独立控制式：每台装置都配备一组CT(电流互感器)，装置间无互联线、独立控制。其优点是：扩展容量简单，允许不同补偿容量模块间的扩展；多个模块自动实现冗余补偿。其缺点是：靠近负载侧的模块必须长期满负荷运行，多机补偿容量利用不对称；加速了硬件老化；检测CT过多使得谐波补偿精度不高；需要性能优异的输出限幅策略。

(2)N台装置+1组CT，集中控制+均流式：整机只配备一组CT，采用集中控制+均流分配模式，每台APF模块都工作在全补偿模式下，并且各模块完全相同，分配到的补偿容量相同。这样的并联方式，其优点是：动态性能较好，并机系统谐波补偿的响应速度与并机数量无关，始终等于单机谐波补偿速度；不存在某一台装置长期满负荷运行的情况；各个模块相同，从而使得维修较为方便；由于采用单个谐波检测环节，谐波补偿的精度相对较高；多机容量利用率相同。其缺点是：所有装置全时段投入且全补偿运行，投入运行的模块数量最多，使得损耗相对其他方式最大；无法实现自动冗余谐波补偿。

(3)N台装置+1组CT，集中控制+多机分次补偿式：其优点是整机分成低次补偿组和高次补偿组，低次补偿组开关频率低、补偿容量较大，高次补偿组开关频率高、补偿容量较小，从而使得装置容量利用率有所提升，整机运行损耗有所减小；同一补偿组多重化运行，减小了整机输出电流开关次纹波。其缺点是，谐波容量分配固定，当需要治理的谐波污染为轧钢厂负载谐波时，固定的指定次谐波补偿组并不能实现整机补偿容量的最优利用，例如可能出现如下情形：负载中各次谐波频谱分布不均匀，分配的某指定次谐波补偿组容量小于负载中该频次谐波电流，而其它指定次谐波补偿组小电流输出，从而造成整机补偿容量的不合理利用；无法实现自动冗余补偿；补偿某频段的APF单元故障后，可能导致大量谐波电流流入电网，即系统可靠性不高。

综上所述，现有的大功率APF并机系统协调控制方法无法同时实现较高的补偿精度、较优的补偿容量利用率、较好的运行可靠性以及自动冗余补偿，需要提出一种更为合理的多机间谐波补偿动态协调控制方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，解决现有协调控制方法针对大电流谐波污染源治理存在的不足，主要针对例如轧钢厂直流调速电机等动态波形复杂的谐波负载(该类负载某时刻特定次谐波远高于其它频次谐波)，实现整机补偿容量的最优利用。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，采用主控制器和若干从控制器实现动态协调控制，每个从控制器对应一个功率模块，从控制器对对应的功率模块进行模块运行状态监测；

所述主控制器包括谐波分次检测单元、谐波实时比较运算单元、系统运行状态监测单元、补偿指令电流生成及分配单元和功率模块时基同步单元；谐波分次检测单元，根据采集的负载电流信号和网侧电压信号，实时分离出各次谐波；谐波实时比较运算单元，实时比较各次谐波含量，同时确定各次谐波频谱分布，并按照各次谐波含量大小顺序实时生成补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波为主要次谐波；系统运行状态监测单元，实时汇总各个从控制器反馈的模块运行状态，并确定整机系统的在运行模块数量、待机模块数量和故障模块数量；补偿指令电流生成及分配单元，根据各次谐波含量、补偿动态优先级和模块运行状态确定整机系统的运行模式，实时生成并分配补偿指令电流；功率模块时基同步单元，向各个功率模块发送同步信号，协调各个功率模块同步运行；

所述从控制器包括直流母线电压闭环控制单元、谐波分次闭环控制单元、模块运行状态监测及重启控制单元、时基同步单元和PWM调制单元；直流母线电压闭环控制单元，用于稳定直流侧电压；谐波分次闭环控制单元，接收主控制器分配的补偿指令电流信号，比较补偿指令电流与功率模块的输出电流；模块运行状态监测及重启控制单元，实时监测功率模块的模块运行状态，并将模块运行状态反馈给主控制器，当功率模块出现故障停机状态时，选择性重启故障功率模块；时基同步单元，用于接收主控制器的同步信号；PWM调制单元，用于控制功率模块生成补偿电流。

具体的，动态协调控制方法包括如下步骤：

步骤一：载入初始参数，包括负载电流信号i_L、网侧电压信号E和各个功率模块的额定补偿容量i_cn，主控制器根据负载电流信号i_L和网侧电压信号E实时分离出各次谐波，并生成补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波主要次谐波；n＝1，2，3…，N，N为功率模块的总数；

步骤二：主控制器根据总谐波电流i_Lh和整机系统的总补偿容量I_sum确定整机系统的运行模式：情况①：当总谐波电流i_Lh大于总补偿容量I_sum时，整机系统按照运行模式二补偿，即多机分次+多机均流补偿；情况②：当总谐波电流i_Lh不超过总补偿容量I_sum且各次谐波频谱分布波动范围在阈值范围内时，整机系统按照运行模式一补偿，即多机均流补偿；情况③：当总谐波电流i_Lh不超过总补偿容量I_sum且各次谐波频谱分布波动范围超过阈值范围时，按照运行模式二补偿，即多机分次+多机均流补偿；其中，总谐波电流i_Lh为各次谐波的总和，总补偿容量I_sum为各个功率模块的额定补偿容量的总和；

步骤三：主控制器根据整机系统的运行模式、模块运行状态、补偿动态优先级和各次谐波含量，实时生成并分配补偿指令电流，具体分配原则为：针对情况①：整机系统分成多机分次补偿组和多机均流补偿组，通过多机分次补偿组补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，通过多机均流补偿组补偿剩余次谐波；优先补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，将主要次谐波分配给多机分次补偿组，若总补偿容量I_sum有剩余，则将剩余次谐波平均分配给多机均流补偿组内的功率模块，整机系统限幅运行；针对情况②：功率模块最少化运行，总谐波电流平均分配给多机均流补偿组内的功率模块，且投入功率模块的总补偿容量略大于总谐波电流；针对情况③：整机系统分成多机分次补偿组和多机均流补偿组，通过多机分次补偿组补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，通过多机均流补偿组补偿剩余次谐波；所述多机分次补偿组和多机均流补偿组内的功率模块数量由补偿指令电流生成及分配单元动态调整；

步骤四：从控制器实时监测功率模块的模块运行状态，当功率模块出现故障停机状态时，整机系统按照步骤三的方法重新分配补偿指令电流，同时选择性重启故障功率模块。

所述步骤四中，当功率模块出现故障停机状态时，选择性重启故障功率模块按照如下步骤进行：

(1)当峰值过流位状态为1或过温位状态为1或交直流过欠压位状态为1，并且直流侧电压降至低于直流侧阈值电压U_min时，下发自检指令，并且自检标志位置1；

(2)自检指令下发后，当功率模块的状态为停机正常且自检标志位为1时，下发启动指令，并且自检标志位清零、启动标志位置1；否则继续下发自检指令；

(3)启动指令下发后，当功率模块的状态为待机且启动标志位为1时，等待主控制器下发补偿指令，当补偿指令下发后，启动标志位清零；否则继续下发自检指令；

当功率模块出现故障停机状态且过温位状态为1，并且直流侧电压降至低于直流侧阈值电压U_min时，延时下发自检指令。

有益效果：本发明提供的大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，具有如下优势：1、利用本发明提出的动态协调控制方法，当谐波含量较小且频谱分布均匀时，整机模块最少化运行；当出现某次谐波含量远高于其它次谐波时，优先补偿主要次谐波，剩余谐波按照动态优先级顺序补偿，从而实现补偿容量的优化利用；2、本发明通过选择性故障重启，可以提高整机补偿系统的运行可靠性，并且可以进一步减少人工操作；3、通过单组CT检测、多机分次补偿，提高了整机系统的补偿精度；4、当整机补偿容量超出负载谐波含量时，通过模块最少化运行实现冗余补偿，并且一定程度上减少了系统运行损耗。

附图说明

图1为本发明的整机控制系统示意框图；

图2为本发明的动态协调控制方法流程示意图；

图3为本发明的选择性故障重启流程示意图；

图4为某非线性负载电流波形，其中4(a)为负载电流稳态波形；4(b)为负载电流有效值动态波形；

图5为某非线性负载FFT频谱分析结果，其中5(a)为5次谐波为主要次谐波；5(b)为7次谐波为主要次谐波；

图6为某非线性负载谐波有效值动态波形，其中6(a)为5次谐波有效值动态波形；6(b)为7次谐波有效值动态波形；6(c)为11次谐波有效值动态波形；6(d)为13次谐波有效值动态波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明的整机控制系统示意框图，主控制器和若干从控制器实现动态协调控制，每个从控制器对应一个功率模块，从控制器对对应的功率模块进行模块运行状态监测。

所述主控制器包括谐波分次检测单元、谐波实时比较运算单元、系统运行状态监测单元、补偿指令电流生成及分配单元和功率模块时基同步单元；谐波分次检测单元，根据采集的负载电流信号和网侧电压信号，实时分离出各次谐波；谐波实时比较运算单元，实时比较各次谐波含量，同时确定各次谐波频谱分布，并按照各次谐波含量大小顺序实时生成补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波为主要次谐波；系统运行状态监测单元，实时汇总各个从控制器反馈的模块运行状态，并确定整机系统的在运行模块数量、待机模块数量和故障模块数量；补偿指令电流生成及分配单元，根据各次谐波含量、补偿动态优先级和模块运行状态确定整机系统的运行模式，实时生成并分配补偿指令电流；功率模块时基同步单元，向各个功率模块发送同步信号，协调各个功率模块同步运行。

所述从控制器包括直流母线电压闭环控制单元、谐波分次闭环控制单元、模块运行状态监测及重启控制单元、时基同步单元和PWM调制单元；直流母线电压闭环控制单元，用于稳定直流侧电压；谐波分次闭环控制单元，接收主控制器分配的补偿指令电流信号，比较补偿指令电流与功率模块的输出电流；模块运行状态监测及重启控制单元，实时监测功率模块的模块运行状态，并将模块运行状态反馈给主控制器，当功率模块出现故障停机状态时，选择性重启故障功率模块；时基同步单元，用于接收主控制器的同步信号；PWM调制单元，用于控制功率模块生成补偿电流。

图2所示为本发明的动态协调控制方法流程示意图，按照如下步骤进行：

步骤一：载入初始参数，包括负载电流信号i_L、网侧电压信号E和各个功率模块的额定补偿容量i_cn，主控制器根据负载电流信号i_L和网侧电压信号E实时分离出各次谐波，并生成补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波主要次谐波；n＝1，2，3…，N，N为功率模块的总数；

步骤二：主控制器根据总谐波电流i_Lh和整机系统的总补偿容量I_sum确定整机系统的运行模式：情况①：当总谐波电流i_Lh大于总补偿容量I_sum时，整机系统按照运行模式二补偿，即多机分次+多机均流补偿；情况②：当总谐波电流i_Lh不超过总补偿容量I_sum且各次谐波频谱分布波动范围在阈值范围内时，整机系统按照运行模式一补偿，即多机均流补偿；情况③：当总谐波电流i_Lh不超过总补偿容量I_sum且各次谐波频谱分布波动范围超过阈值范围时，按照运行模式二补偿，即多机分次+多机均流补偿；其中，总谐波电流i_Lh为各次谐波的总和，总补偿容量I_sum为各个功率模块的额定补偿容量的总和；

步骤三：主控制器根据整机系统的运行模式、模块运行状态、补偿动态优先级和各次谐波含量，实时生成并分配补偿指令电流，具体分配原则为：针对情况①：整机系统分成多机分次补偿组和多机均流补偿组，通过多机分次补偿组补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，通过多机均流补偿组补偿剩余次谐波；优先补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，将主要次谐波分配给多机分次补偿组，若总补偿容量I_sum有剩余，则将剩余次谐波平均分配给多机均流补偿组内的功率模块，整机系统限幅运行；针对情况②：功率模块最少化运行，总谐波电流平均分配给多机均流补偿组内的功率模块，投入功率模块的总补偿容量略大于总谐波电流；针对情况③：整机系统分成多机分次补偿组和多机均流补偿组，通过多机分次补偿组补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，通过多机均流补偿组补偿剩余次谐波；所述多机分次补偿组和多机均流补偿组内的功率模块数量由补偿指令电流生成及分配单元动态调整；

步骤四：从控制器实时监测功率模块的模块运行状态，当功率模块出现故障停机状态时，整机系统按照步骤三的方法重新分配补偿指令电流，同时选择性重启故障功率模块。

图3所示为本发明的选择性故障重启流程示意图。载入初始参数后，当功率模块出现故障停机状态时，选择性重启故障功率模块按照如下步骤进行：

(1)当峰值过流位状态为1或过温位状态为1或交直流过欠压位状态为1，并且直流侧电压降至低于直流侧阈值电压U_min时，下发自检指令，并且自检标志位置1；

(2)自检指令下发后，当功率模块的状态为停机正常且自检标志位为1时，下发启动指令，并且自检标志位清零、启动标志位置1；否则继续下发自检指令；

(3)启动指令下发后，当功率模块的状态为待机且启动标志位为1时，等待主控制器下发补偿指令，当补偿指令下发后，启动标志位清零；否则继续下发自检指令；

当功率模块出现故障停机状态且过温位状态为1，并且直流侧电压降至低于直流侧阈值电压U_min时，延时下发自检指令。

图4～图6所示为某轧钢厂负载现场测试波形，表1为该负载各次谐波电流有效值最大值汇总，谐波电流在两组直流调速电机换向时刻出现较大谐波冲击，并且各次谐波有效值峰值交替出现。图4为负载电流波形，其中4(a)为负载电流稳态波形，4(b)为负载电流有效值动态波形；图5为负载电流FFT频谱分析结果，5(a)中5次谐波为主要次谐波，5(b)中7次谐波为主要次谐波；图6为负载电流谐波有效值动态波形，其中6(a)为5次谐波有效值动态波形，6(b)为7次谐波有效值动态波形，6(c)为11次谐波有效值动态波形，6(d)为13次谐波有效值动态波形。可以看出，图5(a)中的5次谐波电流有效值远高于其它次谐波，为主要次谐波；图5(b)中的7次谐波电流有效值远高于其它次谐波，为主要次谐波；图6中，5次、7次、11次、13次谐波电流有效值在一个行程内的变化较为明显，5次谐波电流有效值变化幅度最大，并且某时刻出现特定次谐波含量远大于其它各次谐波。

表1

本发明提出的动态协调控制方法，可以实现整机补偿容量的最优利用，并且可以提高整机系统的运行可靠性，可以有效处理类似负载谐波电流变化较为复杂的情况。

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.大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，其特征在于：采用主控制器和若干从控制器实现动态协调控制，每个从控制器对应一个功率模块，从控制器对对应的功率模块进行模块运行状态监测；

所述主控制器包括谐波分次检测单元、谐波实时比较运算单元、系统运行状态监测单元、补偿指令电流生成及分配单元和功率模块时基同步单元；谐波分次检测单元，根据采集的负载电流信号和网侧电压信号，实时分离出各次谐波；谐波实时比较运算单元，实时比较各次谐波含量，同时确定各次谐波频谱分布，并按照各次谐波含量大小顺序实时生成补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波为主要次谐波；系统运行状态监测单元，实时汇总各个从控制器反馈的模块运行状态，并确定整机系统的在运行模块数量、待机模块数量和故障模块数量；补偿指令电流生成及分配单元，根据各次谐波含量、补偿动态优先级和模块运行状态确定整机系统的运行模式，实时生成并分配补偿指令电流；功率模块时基同步单元，向各个功率模块发送同步信号，协调各个功率模块同步运行；

所述从控制器包括直流母线电压闭环控制单元、谐波分次闭环控制单元、模块运行状态监测及重启控制单元、时基同步单元和PWM调制单元；直流母线电压闭环控制单元，用于稳定直流侧电压；谐波分次闭环控制单元，接收主控制器分配的补偿指令电流信号，比较补偿指令电流与功率模块的输出电流；模块运行状态监测及重启控制单元，实时监测功率模块的模块运行状态，并将模块运行状态反馈给主控制器，当功率模块出现故障停机状态时，选择性重启故障功率模块；时基同步单元，用于接收主控制器的同步信号；PWM调制单元，用于控制功率模块生成补偿电流；

所述动态协调控制方法包括如下步骤：

步骤一：载入初始参数，包括负载电流信号i_L、网侧电压信号E和各个功率模块的额定补偿容量i_cn，主控制器根据负载电流信号i_L和网侧电压信号E实时分离出各次谐波，并生成补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波为主要次谐波；n＝1，2，3…，N，N为功率模块的总数；

步骤二：主控制器根据总谐波电流i_Lh和整机系统的总补偿容量I_sum确定整机系统的运行模式：情况①：当总谐波电流i_Lh大于总补偿容量I_sum时，整机系统按照运行模式二补偿，即多机分次+多机均流补偿；情况②：当总谐波电流i_Lh不超过总补偿容量I_sum且各次谐波频谱分布波动范围在阈值范围内时，整机系统按照运行模式一补偿，即多机均流补偿；情况③：当总谐波电流i_Lh不超过总补偿容量I_sum且各次谐波频谱分布波动范围超过阈值范围时，按照运行模式二补偿，即多机分次+多机均流补偿；其中，总谐波电流i_Lh为各次谐波的总和，总补偿容量I_sum为各个功率模块的额定补偿容量的总和；

步骤三：主控制器根据整机系统的运行模式、模块运行状态、补偿动态优先级和各次谐波含量，实时生成并分配补偿指令电流，具体分配原则为：针对情况①：整机系统分成多机分次补偿组和多机均流补偿组，通过多机分次补偿组补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，通过多机均流补偿组补偿剩余次谐波；优先补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，将主要次谐波分配给多机分次补偿组，若总补偿容量I_sum有剩余，则将剩余次谐波平均分配给多机均流补偿组内的功率模块，整机系统限幅运行；针对情况②：功率模块最少化运行，总谐波电流平均分配给多机均流补偿组内的功率模块，且投入功率模块的总补偿容量大于总谐波电流；针对情况③：整机系统分成多机分次补偿组和多机均流补偿组，通过多机分次补偿组补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，通过多机均流补偿组补偿剩余次谐波；所述多机分次补偿组和多机均流补偿组内的功率模块数量由补偿指令电流生成及分配单元动态调整；

步骤四：从控制器实时监测功率模块的模块运行状态，当功率模块出现故障停机状态时，整机系统按照步骤三的方法重新分配补偿指令电流，同时选择性重启故障功率模块。

2.根据权利要求1所述的大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，其特征在于：所述步骤四中，当功率模块出现故障停机状态时，选择性重启故障功率模块按照如下步骤进行：

(1)当峰值过流位状态为1或过温位状态为1或交直流过欠压位状态为1，并且直流侧电压降至低于直流侧阈值电压U_min时，下发自检指令，并且自检标志位置1；

(2)自检指令下发后，当功率模块的状态为停机正常且自检标志位为1时，下发启动指令，并且自检标志位清零、启动标志位置1；否则继续下发自检指令；

(3)启动指令下发后，当功率模块的状态为待机且启动标志位为1时，等待主控制器下发补偿指令，当补偿指令下发后，启动标志位清零；否则继续下发自检指令；

当功率模块出现故障停机状态且过温位状态为1，并且直流侧电压降至低于直流侧阈值电压U_min时，延时下发自检指令。