CN114725943B - 一种有源滤波器的控制方法、系统、设备和介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有源滤波器的控制方法、系统、设备和介质，方法包括以下步骤：确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，确定有源滤波器的控制策略及对应的控制系数；基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定。本发明可以广泛应用于高压输电网规划设计领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的控制方法、系统、设备和介质，属于输电系统设计领域。
背景技术
随着大量非线性负荷接入交流输电网，炼铝、高铁等工业负荷向交流输电网中注入谐波，以及新型大功率电力电子设备在交流输电网中的大量应用，使得交流输电网的谐波特性非常复杂。此外，直流换流站在交流输电网内密集建设，成为重要的谐波源，而直流换流站中装设的无源滤波器也极大的改变了交流输电网的谐波特性。目前，交流输电网的谐波水平不断提高，电能质量问题越发突出，特别是低频的5次、7次谐波问题严重，江苏、浙江等发达地区的电网5次谐波水平目前已经达到3%甚至更高的水平。
使用传统的无源滤波器方案解决交流输电网的谐波问题，存在诸多弊端。这是因为，无源滤波器由电容电感谐振网络组成，在设计调谐点上的阻抗达到最小。如果设计调谐点的阻抗过小，在高压系统下流过无源滤波器的谐波电流会过大，超过无源滤波器设备本身耐受能力，如果设计调谐点的阻抗过大，则不能达到要求的滤波性能。而且，无源滤波器的阻抗曲线是固定且连续的，其在设计调谐点频率附近的谐波次数的阻抗也较低，会改变这些谐波次数的交流电网的阻抗特性和网内谐波分布，带来不利的影响，甚至增强这些谐波。交流输电网的系统条件不断变化，由于无源滤波器的设计调谐点的阻抗并非绝对小，其滤波效果受到交流系统阻抗变化的影响，不能完全保证滤波效果。
大型电力电子装置技术和现代控制技术的不断发展，尤其是柔直技术的高速发展，使得大功率电力电子器件高速可控关断成为可能，因而基于此的大功率高电压等级灵活有源滤波技术具备了工程可用性。
在工程中应用的有源滤波器方案，一般的结构是，可关断器件换流阀通过一个连接设备接入交流输电网，该连接设备可以采用变压器之类的感性连接设备，也可以采用无源滤波器之类的容性连接设备。通过控制可关断器件开断使得换流阀成为可控电压源，以控制流过连接设备的谐波电流，使得有源滤波器整体呈现可控电流源的特性。由于有源滤波器方案的滤波性能不受交流系统条件变化的影响，且可以控制各个谐波次数下的谐波阻抗，因此会是一种适用于解决复杂多变的高压输电网的谐波问题的，适应性更强滤波效果更好的滤波方案。然而，大功率电力电子器件成本昂贵，如何进行经济合理的设计，成为有源滤波方案的重中之重。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的控制方法、系统、设备和介质，能够有效控制交流母线上的谐波电压。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种有源滤波器的控制方法，其包括以下步骤：
确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；
根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，确定有源滤波器的控制策略及对应的控制系数；
基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定。
进一步，所述有源滤波器的拓扑结构的等效电路包括：等效电压源Uapf和等效连接阻抗ZL，所述等效连接阻抗ZL的高压端连接高压交流输电网，所述等效连接阻抗ZL的低压端连接等效电压源Uapf，所述等效电压源Uapf另一端接地。
进一步，所述有源滤波器的控制策略包括两种：
第一种，控制有源滤波器输出可控谐波电流，且所述有源滤波器输出的可控谐波电流与接入点的目标滤波次数的谐波电压所形成的等效阻抗的阻抗角度在（-45°，45°）内；
第二种，控制有源滤波器输出可控谐波电压，且所述有源滤波器输出的可控谐波电压与接入点的目标滤波次数的谐波电压诺顿等效后形成的等效虚拟阻抗的阻抗角度在（-45°，45°）内。
进一步，所述有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标谐波次数的电压通过直接采集接入点谐波电压实现，或通过采集并联在高压交流输电网同一电气接入点的其他并联设备的电流后转换实现。
进一步，基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定的方法，包括：
计算有源滤波器接入高压交流输电网后的等效动态阻抗；
根据柯西定理对有源滤波器的等效动态阻抗和系统谐波阻抗控进行判定，若满足则系统稳定，否则需重新调整控制系数，直至系统稳定。
进一步，有源滤波器接入高压交流输电网后，系统的传递函数为：
其中，
为系统背景谐波电压；
为系统电流；
为接入点的系统谐波阻抗；
为有源滤波器的等效动态阻抗。
进一步，所述有源滤波器的等效动态阻抗为有源滤波器的端口电压和支路电流的动态比值。
第二方面，本发明提供一种有源滤波器的控制系统，其包括：
拓扑结构确定模块，用于确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；
控制系数确定模块，用于根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，控制有源滤波器输出可控谐波电流或可控谐波电压，并确定其控制系数；
稳定性判断模块，用于基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定。
第三方面，本发明提供一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，其所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述有源滤波器的控制方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现所述有源滤波器的控制方法的步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过对有源滤波器进行控制，使其输出可控谐波电流或可控谐波电压，有效压低高压交流输电网接入点处的谐波电压，原理简单，实现方便；
2、本发明的稳定性判据简单，可视化：根据柯西定理对系统谐波阻抗和有源滤波器的等效动态阻抗进行判定，进而实现对系统稳定性的判定；
3、本发明通过调整有源滤波器输出的可控谐波电流或可控谐波电压与接入点的谐波电压之间的角度差，可以补偿控制延时。
因此，本发明可以广泛应用于输电系统设计领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的有源滤波器的控制方法流程图；
图2是本发明实施例提供的有源滤波器的控制方法适用的有源滤波器的拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例提供的有源滤波器采用变压器接入型式的拓扑结构示意图；
图4是本发明实施例提供的有源滤波器采用无源滤波器接入型式的拓扑结构示意图；
图5是本发明实施例提供的无源滤波器HP5阻抗曲线；
图6是本发明实施例提供的加入控制后有源滤波器等效阻抗曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应注意到，以下附图的提供仅为了更好的理解本发明，以下对实施例的描述仅仅是说明性的，它们决不作为对本发明及其使用的任何限制。实施例中阐述的步骤的数字表达式和数值也不限制本发明的范围，本实施例和其他实施例可以有不同的值。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不做详细讨论，但在适当情况下，这些技术方法应视为说明书的一部分。
应注意到，一旦某一标号和字母在某一附图或表达式中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明的一些实施例中，提供一种有源滤波器的控制方法，包括：确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，控制有源滤波器输出可控谐波电流或可控谐波电压，并确定其控制系数；基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则返回上一步骤对控制系数进行修改，直至系统稳定。本发明原理简单，实现方便，通过对有源滤波器进行控制，使其输出可控谐波电流或可控谐波电压，有效压低接入点的谐波电压。
与之相对应地，本发明的另一些实施例中提供一种有源滤波器的控制系统、设备和介质。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种有源滤波器的控制方法，包括以下步骤：
（1）确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构。
如图2所示，本实施例适用的用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构的电气等效电路包括：等效电压源Uapf和等效连接阻抗ZL，其中，等效连接阻抗ZL的高压端直接接于高压交流输电网，Usn为高压交流输电网的n次背景谐波电压，Uan为有源滤波器与高压交流输电网接入点A的n次谐波电压，Zsn是系统等效谐波阻抗；等效连接阻抗ZL的低压端直接连接等效电压源Uapf，等效电压源Uapf另一端接于某个固定电位点（一般是地）。
优选地，等效电压源Uapf可以是电力电子换流阀直接输出的电压，也可以是电力电子换流阀输出电压的等效值。例如，如图3所示，当有源滤波器采用电力电子换流阀通过变压器接入高压电网的形式时，等效电压源Uapf就是接在变压器低压侧的电力电子换流阀的输出电压U’apf等效到变压器高压侧的电压值kU’apf,k是变压器变比。
更为优选地，电力电子换流阀由直流电容器和可控关断器件组成，通过控制可控关断器件的开断，控制电力电子换流阀输出可控电压，因而可等效为电压源Uapf。电力电子换流阀包括但不限于两电平整流器，三电平整流器，IGBT子模块级联换流阀等形式。
优选地，如图3和图4所示，等效连接阻抗ZL可以是某一个或某几个设备的连接体，如一个无源滤波器（如图4所示）；等效连接阻抗ZL也可以是某一个或某几个设备的连接体的等效值，如该有源滤波器采用电力电子换流阀通过变压器接入高压电网的形式，则等效连接阻抗ZL是变压器短路阻抗的高压侧等效值（如图3所示）。
优选地，该有源滤波器的等效电路可以是由有源滤波器的组成设备的电路图直接组成，也可以是通过变压器原副边转换等等效方法等效后构成。
（2）根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，确定有源滤波器的控制策略及对应的控制系数。
本实施例中，有源滤波器的控制策略包括以下两种：
第一种，对有源滤波器进行控制使得有源滤波器输出可控谐波电流，且该可控谐波电流与有源滤波器在高压交流输电网接入点处的目标滤波次数的谐波电压所形成的等效阻抗，呈现纯阻性或接近纯阻性，例如等效阻抗的角度在（-45°，45°）内；
第二种，对有源滤波器进行控制使得有源滤波器输出可控谐波电压，且该可控谐波电压与有源滤波器在高压交流输电网接入点处的目标滤波次数的谐波电压进行诺顿等效后所形成的等效虚拟阻抗，呈现纯阻性或接近纯阻性，例如阻抗角度在（-45°，45°）内。
下面以图3所示的有源滤波器拓扑结构为例对这两种控制策略进行介绍。
第一种情况可以描述为：有源滤波器输出的可控谐波电流iapf中的n次谐波电流iapfn和接入点的n次谐波电压Uan成第一相位差，幅值成第一比例。即：
式中，
和
分别是iapfn和Uan的相量表达；m1为第一比例系数，θ1是第一相位差。
为了降低接入点的谐波电压，iapfn流入系统阻抗Zs之后，应在n次上有降低谐波电压的趋势。因此，第一比例系数m1和第一相位差θ1的选取原则为：如果第一相位差θ1使得可控谐波电流iapf中的n次谐波电流iapfn对应的等效阻抗Zapfn在n次呈现偏阻性，则在第一比例系数m1增加的过程中，接入点的n次谐波电压Uan将会一直下降。
另外，通过调整有源滤波器输出的可控谐波电流和接入点的谐波电压之间的角度差，可以补偿控制延时。
第二种情况可以描述为：有源滤波器输出的可控谐波电压Uapf的n次谐波电压Uapfn和接入点的n次谐波电压Uan成第二相位差，幅值成第二比例，即：
其中，
和
分别是可控谐波电压的n次Uapfn和接入点的n次谐波电压Uan的相量表达；m2为第二比例系数，θ2是第二相位差。
此时，有源滤波器可等效为一个等效虚拟电流源和一个等效并联阻抗，等效并联阻抗和等效连接阻抗ZL相等,等效虚拟电流源
。
为了降低接入点A的n次谐波电压，有源滤波器的等效虚拟电流源
流入系统阻抗Zs之后，应在目标滤波次数上有降低接入点n次谐波电压Uan的趋势，因此，第二比例系数m2和第二相位差θ2的选取原则为：
如果第二相位差θ2使得等效虚拟电流源
对应的等效阻抗
在n次呈现偏阻性，则在第二比例系数m2增加的过程中，接入点的n次电压Uan将会一直下降。
通过调整有源滤波器输出的可控谐波电压和接入点的谐波电压之间的角度差，可以补偿控制延时。
其中，第一相位差θ1、第二相位差θ2、第一比例系数m1和第二比例系数m2均为控制系数。
优选地，接入点A的谐波电压的获取可以通过直接采集接入点谐波电压Uan实现，也可以通过采集并联在高压交流输电网同一电气接入点的其他并联设备如并联电容器、并联电抗器等的电流后转换实现。
（3）基于步骤（2）确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则返回步骤（2）对控制系数进行修改，直至系统稳定。
具体地，包括以下步骤：
（3.1）计算有源滤波器接入高压交流输电网后的等效动态阻抗。
有源滤波器的等效动态阻抗为有源滤波器的端口电压（也即接入点的n次谐波电压）和支路电流的动态比值，其计算公式为：
其中，Zeq为有源滤波器的等效动态阻抗。
（3.2）根据柯西定理对有源滤波器的等效动态阻抗和系统谐波阻抗控进行判定，若满足则系统稳定，否则需重新调整控制系数，直至系统稳定。
有源滤波器接入后，整个系统的传递函数为
其中，
为系统背景谐波电压；
为系统电流；
为接入点的系统谐波阻抗；
为有源滤波器的等效动态阻抗。
根据柯西定理可知，为了保证系统稳定，
应没有在虚轴右侧的零点。如果
的阻抗曲线顺时针围绕阻抗零点，则可判定系统不稳定，需重新调整控制参数。
实施例2
如图4所示，为本实施例采用的电力电子换流阀通过无源滤波器接入高压电网的拓扑结构，无源滤波器的阻抗ZL所对应的阻抗曲线如图5所示，在频率最低时是纯容性，在频率最高时是阻性+抗性，最低阻抗调谐在5次，即在250Hz时阻抗绝对值值最低。设计滤波次数为3次。采集接入点电压ua，控制无源滤波器的电流和接入点电压在3次呈相差10°，且幅值比为0.1，得到有源滤波器等效阻抗曲线如图6所示，在3次阻抗为10∠10°Ω，可见该阻抗曲线并未顺时针围绕阻抗零点，系统稳定。
实施例3
上述实施例1提供了一种有源滤波器的控制方法，与之相对应地，本实施例提供一种有源滤波器的控制系统。本实施例提供的系统可以实施实施例1的一种有源滤波器的控制方法，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例1各方法中的对应步骤。由于本实施例的系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例1的部分说明即可，本实施例提供的系统的实施例仅仅是示意性的。
本实施例提供的一种有源滤波器的控制系统，包括：
拓扑结构确定模块，用于确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；
控制策略确定模块，用于根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，确定有源滤波器的控制策略及对应的控制系数；
稳定性判断模块，用于基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定。
实施例4
本实施例提供一种与本实施例1所提供的有源滤波器的控制方法对应的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行本实施例1所提供的一种有源滤波器的控制方法。
在一些实施例中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
在另一些实施例中，处理器可以为中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）等各种类型通用处理器，在此不做限定。
实施例5
本实施例1的一种有源滤波器的控制方法可被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的一种有源滤波器的控制方法的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (9)
1.一种有源滤波器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；
根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，确定有源滤波器的控制策略及对应的控制系数；
基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定；
所述有源滤波器的控制策略包括两种：
第一种，控制有源滤波器输出可控谐波电流，且所述有源滤波器输出的可控谐波电流与接入点的目标滤波次数的谐波电压所形成的等效阻抗的阻抗角度在±45°之间；
第二种，控制有源滤波器输出可控谐波电压，且所述有源滤波器输出的可控谐波电压与接入点的目标滤波次数的谐波电压诺顿等效后形成的等效虚拟阻抗的阻抗角度在±45°之间。
2.如权利要求1所述的一种有源滤波器的控制方法，其特征在于：所述有源滤波器的拓扑结构的等效电路包括：等效电压源Uapf和等效连接阻抗ZL，所述等效连接阻抗ZL的高压端连接高压交流输电网，所述等效连接阻抗ZL的低压端连接等效电压源Uapf，所述等效电压源Uapf另一端接地。
3.如权利要求1所述的一种有源滤波器的控制方法，其特征在于：所述有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标谐波次数的电压通过直接采集接入点谐波电压实现，或通过采集并联在高压交流输电网同一电气接入点的其他并联设备的电流后转换实现。
4.如权利要求1所述的一种有源滤波器的控制方法，其特征在于：基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定的方法，包括：
计算有源滤波器接入高压交流输电网后的等效动态阻抗；
根据柯西定理对有源滤波器的等效动态阻抗和系统谐波阻抗进行判定，若满足则系统稳定，否则需重新调整控制系数，直至系统稳定。
5.如权利要求4所述的一种有源滤波器的控制方法，其特征在于：有源滤波器接入高压交流输电网后，系统的传递函数为：
其中，
为系统背景谐波电压；
为系统电流；
为接入点的系统谐波阻抗；
为有源滤波器的等效动态阻抗。
6.如权利要求5所述的一种有源滤波器的控制方法，其特征在于：所述有源滤波器的等效动态阻抗为有源滤波器的端口电压和支路电流的动态比值。
7.一种有源滤波器的控制系统，其特征在于，包括：
拓扑结构确定模块，用于确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；
控制系数确定模块，用于根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，确定有源滤波器的控制策略及对应的控制系数；
稳定性判断模块，用于基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则对控制系数进行修改，直至系统稳定。
8.一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现权利要求1到6任一项所述有源滤波器的控制方法的步骤。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现根据权利要求1到6任一项所述有源滤波器的控制方法的步骤。
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