CN111130113A - 一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法及系统，该方法包括：建立优化目标函数

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V'_sh为从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压；建立关于电网有功功率、总谐波畸变率、单次谐波含有率和单次补偿电流幅值的约束条件；基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流；获取电网负载电流；将所述电网负载电流减去电网期望电流得到有源电力滤波器的补偿电流。本发明能够在保证电网畸变低于设定的限值的同时有效的提高功率因数。

Description

一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法及系统

技术领域

本发明涉及源电力滤波器领域，特别是涉及一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法及系统。

背景技术

近年来，随着工业综合自动化生产程度的提高，变频器、整流器等大量的谐波源渗透到电网中。由于电网谐波源的影响，电网往往具有非正弦、不对称的非理想电网电压特性，在非理想的电网电压下，电网零谐波和单位功率因数两种补偿目标不能同时实现，两者之间存在矛盾性。例如，实现单位功率因数的补偿目标并不能将谐波畸变降到最低，有时反而会导致谐波畸变率升高，而电网零谐波的补偿目标也不能使功率因数上升到最优值，两种补偿目标不能同时达到理想的结果。因此，在非理想电网电压的情况下，如果接入的有源电力滤波器既要降低电网的谐波畸变率，又要提高电网的功率因数，那么就需要在两种目标之间做一个妥协，采取合理的折中方案或者补偿方案，才能达到设计的目的，但现有技术中还没有一个比较成熟的方法来解决这一问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法及系统，能够在保证电网畸变低于设定的阈值的同时有效的提高功率因数。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法，包括：

建立优化目标函数

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压；

建立关于电网有功功率、总谐波畸变率、单次谐波含有率和单次补偿电流幅值的约束条件；

基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流；

获取电网负载电流；

将所述电网负载电流减去电网期望电流得到有源电力滤波器的补偿电流。

可选的，关于电网有功功率的约束条件为

其中，P_Lavg为负载消耗的有功功率，P_Loss为有源电力滤波器维持直流侧电压消耗的有功功率，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压。

可选的，关于总谐波畸变率的约束条件为

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，G₁为第一次谐波的电导，V_s1为第一次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，THD_i,max为电流总谐波畸变率的最大值。

可选的，关于单次谐波含有率的约束条件为

其中，G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，

为第h次谐波电流含有率的最大值。

可选的，关于单次补偿电流幅值的约束条件为I_apf,n≤I_{apf,n_max}，其中，I_apf,n为有源电力滤波器输出的第n次补偿电流的幅值，I_{apf,n_max}为有源电力滤波器输出的第n次补偿电流的幅值最大值。

可选的，所述基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流，包括：

获取电网平衡谐波电压；

根据所述电网有功功率、总谐波畸变率和平衡谐波电压确定归一化谐波电导值；

根据单次谐波含有率和单次补偿电流幅值对所述归一化谐波电导值进行修正，得到修正后的归一化谐波电导值；

根据所述修正后的归一化谐波电导值计算基波电导值；

根据所述平衡谐波电压、归一化谐波电导值和基波电导值确定电网期望电流。

一种有源电力滤波器的补偿电流确定系统，包括：

目标函数建立模块，用于建立优化目标函数

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压；

约束条件建立模块，用于建立关于电网有功功率、总谐波畸变率、单次谐波含有率和单次补偿电流幅值的约束条件；

第一计算模块，用于基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流；

获取模块，用于获取电网负载电流；

第二计算模块，用于将所述电网负载电流减去电网期望电流得到有源电力滤波器的补偿电流。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过建立有源电力滤波器的补偿电流模型，以电网谐波的标准作为约束条件，功率因数的提高作为优化目标，使用优化算法对目标函数进行求解，保证了电网畸变低于设定的限值，有效的提高了功率因数，同时避免了迭代算法中的迭代过程，使有源电力滤波器具有更快的响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明有源电力滤波器的补偿电流确定方法的流程图；

图2为本发明有源电力滤波器的补偿电流确定系统的模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法及系统，能够在保证电网畸变低于设定的限值的同时有效的提高功率因数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明有源电力滤波器的补偿电流确定方法的流程图；如图1所示，一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法，包括：

步骤101：建立优化目标函数

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压；

步骤102：建立关于电网有功功率、总谐波畸变率、单次谐波含有率和单次补偿电流幅值的约束条件；

步骤103：基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流；

步骤104：获取电网负载电流；

步骤105：将所述电网负载电流减去电网期望电流得到有源电力滤波器的补偿电流。

具体的，步骤101包括：

优化目标是在电网谐波畸变满足标准的约束下，最大化视在功率实现功率因数的提高。

假设期望的电网电流为：

其中：x＝a，b，c；a，b，c为三相电压，t为时间，

表示理想的电网电流，即期望电流，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数，G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，v’_sxh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压。

为了避免开方、简化计算，选择视在功率的平方作为优化目标：

步骤102具体包括：

有功功率应由电网提供，因此有功功率的等式约束为：

其中，P_Lavg为负载消耗的有功功率，P_Loss为有源电力滤波器维持直流侧电压消耗的有功功率，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压。

为了保证电网波形畸变低于用户设定的标准，电网电流的总谐波畸变率应小于标准规定的上限：

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，G₁为第一次谐波的电导，V_s1为第一次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，THD_i,max为电流总谐波畸变率的最大值。

对电网中电流的单次谐波含有率进行约束：

其中，G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，G₁为第一次谐波的电导，V_s1为第一次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，

为第h次谐波电流含有率的最大值。

在某些工业场合，还需要对有源电力滤波器体积进行适当的约束。而与体积直接相关的主要因素之一为有源电力滤波器的容量，即容量应小于一定的约束：

其中，i_L为负载电流，

为期望的理想电网电流，I_apf,max为用户可以使用的有源电力滤波器的最大容量。

为了避免开根号计算，可以使用单次补偿电流的幅值约束代替容量约束，即有源电力滤波器输出的n次补偿电流幅值应小于最大的允许值：

I_apf,n≤I_{apf,n_max} (7)

其中，I_apf,n为有源电力滤波器输出的第n次补偿电流的幅值，I_{apf,n_max}为有源电力滤波器输出的第n次补偿电流的幅值最大值。

步骤103具体包括：

在非理想电网中，为了得到三相平衡的电网电流，首先需要提取非理想电网中的三相对称谐波电压。

假设三相畸变、不平衡的电网电压为：

其中，下标s表示电源电压，下标x表示三相电a，b，c三相，h表示谐波次数，H为最高次谐波次数，由电网中最高次数谐波电压决定，V为谐波电压的幅值，θ表示相位角。对于h次谐波电压，式(8)可以使用park变换转化为：

其中：ω为电网电压的基波角频率，可以通过锁相环获得。v_dh，v_qh分别为dq坐标轴下的h次谐波电压，v_dh，v_qh中含有直流分量和交流分量：

其中：

为h次平衡谐波电压的直流分量，

为h次谐波电压的交流分量。零序分量并没有包含平衡电压的任何信息，所以在式(10)中没有考虑。v_dh，v_qh通过滤波器后，再经过park的逆变换可以得到：

重复上述步骤，可以获得各次谐波的平衡电压，求和后得到：

式(12)中：v′_sx为从畸变、不平衡的电网电压中提取的各次平衡的谐波电压之和。

电流总谐波畸变率的不等式约束式(4)可以转化为等式约束：

选择谐波电导G_h作为优化模型的决策变量。使用拉格朗日函数，将有约束的优化问题转换为无约束的优化问题：

式(14)中：λ1、λ2为拉格朗日乘数，利用KKT条件求解，可以得到：

对式(17)中G_h求解：

式(19)给出：各次谐波电导G_h均为λ1、λ2的线性表示，各次谐波的电导相等：

G₂＝G₃＝…＝G_h＝…＝G_H (20)

将式(20)代入式(17)、式(18)，可以得到：

从式(22)可以得到归一化后的各次谐波电导值：

式(23)中：G_{H_norm}为归一化后的h次谐波电导。将式(23)代入(21)，可以求出基波电导值：

将式(24)代入式(23)后即可得到各次谐波的电导值：

将式(23)和式(25)代入式(1)后即可以得到电网电流，但是还需要对电流的单次谐波含有率进行约束。由电流的单次谐波含有率的定义得：

式(26)中：

为基于提取的h次平衡电压分量计算的电流的单次谐波含有率、电压的单次谐波含有率，其中

为：

从式(26)可以得到由电压、电流的单次谐波含有率表示的G_{h_norm}：

确定电流的单次谐波含有率的最大值，假设用户定义的电流的h次谐波含有率限值为

有：

为了对计算得到的谐波电导进行修正，需要分离出超过单次谐波含有率最大值的谐波次数，存入A组，未超过的谐波次数存入C组，同时，更新G_{h_norm}：

式(30)中：G_{h_norm}通过求解式(33)确定，

为：

式(31)中：G_{H_norm}为针对第一个约束条件公式(3)求解的谐波电导值，为了加入有源电力滤波器输出单次补偿电流的约束，还需要对A组中的谐波电导值进行修正，将A组中超过单次补偿电流约束的谐波次数存入B组：

式(32)中：

为负载的h次谐波电流标幺值，

为有源电力滤波器可以输出的h次补偿电流最大值的标幺值。

将式(30)、(31)代入式(14)后，得到：

式(33)中：

通过对式(33)求解，可以分别求出G_{h_norm}和G₁的值：

联立式(30)、式(32)、式(36)、式(37)及在电网中提取的平衡电压分量，可以得到期望的电网电流值。

本发明还公开一种有源电力滤波器的补偿电流确定系统，其模块图如图2所示，包括：

目标函数建立模块201，用于建立优化目标函数

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压；

约束条件建立模块202，用于建立关于电网有功功率、总谐波畸变率、单次谐波含有率和单次补偿电流幅值的约束条件；

第一计算模块203，用于基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流；

获取模块204，用于获取电网负载电流；

第二计算模块205，用于将所述电网负载电流减去电网期望电流得到有源电力滤波器的补偿电流。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种有源电力滤波器的补偿电流确定方法，其特征在于，包括：

建立优化目标函数

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压；

建立关于电网有功功率、总谐波畸变率、单次谐波含有率和单次补偿电流幅值的约束条件；

基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流；

获取电网负载电流；

将所述电网负载电流减去电网期望电流得到有源电力滤波器的补偿电流。

2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器的补偿电流确定方法，其特征在于，关于电网有功功率的约束条件为

其中，P_Lavg为负载消耗的有功功率，P_Loss为有源电力滤波器维持直流侧电压消耗的有功功率，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压。

3.根据权利要求1所述的有源电力滤波器的补偿电流确定方法，其特征在于，关于总谐波畸变率的约束条件为

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，G₁为第一次谐波的电导，V_s1为第一次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，THD_i,max为电流总谐波畸变率的最大值。

4.根据权利要求1所述的源电力滤波器的补偿电流确定方法，其特征在于，关于单次谐波含有率的约束条件为

其中，G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，G₁为第一次谐波的电导，V_s1为第一次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压，

为第h次谐波电流含有率的最大值。

5.根据权利要求1所述的源电力滤波器的补偿电流确定方法，其特征在于，关于单次补偿电流幅值的约束条件为I_apf,n≤I_{apf,n_max}，其中，I_apf,n为有源电力滤波器输出的第n次补偿电流的幅值，I_{apf,n_max}为有源电力滤波器输出的第n次补偿电流的幅值最大值。

6.根据权利要求1所述的源电力滤波器的补偿电流确定方法，其特征在于，所述基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流，包括：

获取电网平衡谐波电压；

根据所述电网有功功率、总谐波畸变率和平衡谐波电压确定归一化谐波电导值；

根据单次谐波含有率和单次补偿电流幅值对所述归一化谐波电导值进行修正，得到修正后的归一化谐波电导值；

根据所述修正后的归一化谐波电导值计算基波电导值；

根据所述平衡谐波电压、归一化谐波电导值和基波电导值确定电网期望电流。

7.一种有源电力滤波器的补偿电流确定系统，其特征在于，包括：

目标函数建立模块，用于建立优化目标函数

其中，H为电网中存在的最高次谐波电压的次数；G_h为包括基波在内的各次谐波的电导，V’_sh为第h次从电网电压中提取的三相平衡的谐波电压；

约束条件建立模块，用于建立关于电网有功功率、总谐波畸变率、单次谐波含有率和单次补偿电流幅值的约束条件；

第一计算模块，用于基于所述约束条件对所述目标函数进行非迭代求解，得到电网期望电流；

获取模块，用于获取电网负载电流；

第二计算模块，用于将所述电网负载电流减去电网期望电流得到有源电力滤波器的补偿电流。

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