CN115940153A - 一种有源滤波器的自适应容量调节方法 - Google Patents

一种有源滤波器的自适应容量调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源滤波器的自适应容量调节方法，包括以下步骤：检测有源滤波器的输出电流，从输出电流中提取各次谐波电流量；利用自适应虚拟阻抗生成环节获取虚拟阻抗值；将各次谐波电流量和虚拟阻抗值的乘积作为各次谐波电压参考信号，与谐波电压信号作差输入至比例谐振控制器，获取谐波电流参考信号；将谐波电流参考信号、无功补偿电流信号和稳压电流信号作和，并与输出电流信号作差输入至P控制器，得到电压参考输出，将其输入至PWM生成器控制逆变器，校验有源滤波器接入系统是否发生谐振。本发明利用虚拟阻抗控制策略抑制谐波的同时，降低了背景谐波电压带来的影响，同时改善虚拟阻抗控制策略被动滤波的缺点，降低了容量空置率。

Description

一种有源滤波器的自适应容量调节方法
技术领域
本发明涉及滤波器领域，特别是涉及一种有源滤波器的自适应容量调节方法。
背景技术
有源滤波器是针对电力系统输电及配电网络中谐波扰动及谐振的一种有效治理装置。传统的有源滤波器通常被应用在非线性负载侧的谐波治理及无功支撑，或中高压系统中治理谐波。目前，中高压系统通常配备无源滤波器组与无功电容器组进行谐波与无功补偿。这些治理装置的治理容量固定、功率损耗大、易于系统侧发生谐振。故中高压系统中应用有源滤波器治理谐振、补偿无功的需求增加。
目前，有源滤波器的应用主要面临以下困难：
1. 传统有源滤波器控制策略针对的是谐波电流超标，而在中高压系统中需要考虑背景谐波电压的影响，传统有源滤波器的控制策略受其影响，达不到预期的治理效果。
2. 中高压系统中的无功需求是动态变化的，当有源滤波器需要同时补偿无功与谐波时，总会有部分容量在动态过程中被闲置。提升容量的利用效率，合理分配容量需要考虑。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种有源滤波器的自适应容量调节方法解决了传统有源滤波器控制策略受背景谐波电压影响，以及容量利用效率低的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种有源滤波器的自适应容量调节方法，所述方法包括以下步骤：
S1：检测有源滤波器的输出电流，利用双广义二阶积分器从输出电流中提取各次谐波电流量；
S2：将当前无功容量需求
Figure SMS_1
、额定容量
Figure SMS_2
、并网点电压
Figure SMS_3
和有源滤波器输出电流
Figure SMS_4
输入至自适应虚拟阻抗生成环节，获取虚拟阻抗值
Figure SMS_5
；
S3：将各次谐波电流量和虚拟阻抗值
Figure SMS_6
的乘积作为各次谐波电压参考信号，将各次谐波电压参考信号与谐波电压信号
Figure SMS_7
作差输入至比例谐振控制器，获取谐波电流参考信号
Figure SMS_8
；
S4：将谐波电流参考信号
Figure SMS_9
、无功补偿电流信号和稳压电流信号作和，并与输出电流信号作差输入至P控制器，得到电压参考输出；
S5：将电压参考输出输入至PWM生成器控制逆变器，校验有源滤波器接入系统是否发生谐振，完成有源滤波器的自适应容量调节。
上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，利用有源滤波器补偿无功时出现的容量闲置，提升有源滤波器的治理效果，同时解决了传统有源滤波器控制策略受背景谐波电压影响的问题。
进一步地，S1中双广义二阶积分器的传输函数如下所示：
Figure SMS_10
其中，
Figure SMS_12
为控制第一路输出信号的控制器传输函数，
Figure SMS_14
为控制器带宽，
Figure SMS_16
为
Figure SMS_13
次角频率，
Figure SMS_15
为控制第二路输出信号的控制器传输函数，
Figure SMS_17
代表时域，
Figure SMS_18
为控制频次相关参数，且
Figure SMS_11
取5、7、11和13。
上述进一步方案的有益效果是：通过双广义二阶积分器的信号被处理成两路相交信号，利用上述公式获得第一路输出信号和第二路输出信号，二者的区别在于，通过第一路输出的信号相位在控制频率处相较原信号相位不变，通过第二路输出的信号相位在控制频率处相较原信号相位滞后90°。
进一步地，S2中自适应虚拟阻抗生成环节的设计取决于有源滤波器的容量，所述容量的分配包括以下公式：
Figure SMS_19
其中，
Figure SMS_20
为谐波容量。
上述进一步方案的有益效果是：利用上述公式在无功需求小的时候将容量分配给谐波容量，提升容量的利用效率。
进一步地，S5中谐振校验采取Nyquist稳定判据，当AC系统侧等效阻抗
Figure SMS_21
与混合系统侧等效阻抗
Figure SMS_22
满足外部稳定条件时，则有源滤波器接入系统不会出现谐振现象，达成谐波放大的治理目的，具体包括以下公式：
Figure SMS_23
外部稳定条件公式如下所示：
Figure SMS_24
其中，
Figure SMS_26
为AC系统侧电流，
Figure SMS_29
为AC系统侧等效电压源，
Figure SMS_31
代表时域，
Figure SMS_27
为输出电流，
Figure SMS_28
为
Figure SMS_30
和
Figure SMS_32
的辐角差，
Figure SMS_25
为辐角符号。
上述进一步方案的有益效果是：利用上式判断系统是否出现谐振现象，当
Figure SMS_33
和
Figure SMS_34
阻抗幅值相等时，若二者的辐角差小于180°，有源滤波器接入系统将不会出现谐振现象，即达成谐波放大的治理目的，若二者的辐角差等于180°，则有源滤波器接入系统发生谐振。
附图说明
图1为一种有源滤波器的自适应容量调节方法流程图。
图2为
Figure SMS_35
和
Figure SMS_36
的频率特性图。
图3为容量动态调整环节框图。
图4为节点电压畸变率与APF谐波补偿容量的关系图。
图5为输出容量随时间的变化曲线图。
图6为更改容量时对应的低压侧电阻的变化曲线图。
图7为准比例谐振控制器传输函数流程图。
图8为准比例谐振控制器bode图。
图9为有源滤波器支路与系统侧、负载侧的电路原理图。
图10为基于bode图的阻抗稳定性判断曲线图。
图11为基于Nyquist图的阻抗稳定性判定坐标图。
图12为有源滤波器接入示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种有源滤波器的自适应容量调节方法，所述方法包括以下步骤：
S1：检测有源滤波器的输出电流，利用双广义二阶积分器从输出电流中提取各次谐波电流量；
S2：将当前无功容量需求
Figure SMS_37
、额定容量
Figure SMS_38
、并网点电压
Figure SMS_39
和有源滤波器输出电流
Figure SMS_40
输入至自适应虚拟阻抗生成环节，获取虚拟阻抗值
Figure SMS_41
；
S3：将各次谐波电流量和虚拟阻抗值
Figure SMS_42
的乘积作为各次谐波电压参考信号，将各次谐波电压参考信号与谐波电压信号
Figure SMS_43
作差输入至比例谐振控制器，获取谐波电流参考信号
Figure SMS_44
；
S4：将谐波电流参考信号
Figure SMS_45
、无功补偿电流信号和稳压电流信号作和，并与输出电流信号作差输入至P控制器，得到电压参考输出；
S5：将电压参考输出输入至PWM生成器控制逆变器，校验有源滤波器接入系统是否发生谐振，完成有源滤波器的自适应容量调节。
S1中双广义二阶积分器的传输函数如下所示：
Figure SMS_46
其中，
Figure SMS_49
为控制第一路输出信号的控制器传输函数，
Figure SMS_50
为控制器带宽，
Figure SMS_52
为
Figure SMS_48
次角频率，
Figure SMS_51
为控制第二路输出信号的控制器传输函数，
Figure SMS_53
代表时域，
Figure SMS_54
为控制频次相关参数，且
Figure SMS_47
取5、7、11和13。
在本发明的一个实施例中，通过双广义二阶积分器的信号会被处理成两路相交信号，通过
Figure SMS_56
与
Figure SMS_59
的信号其幅值在通频带为1，其他频带接近0。二者区别在于：通过
Figure SMS_63
的信号相位在控制频率处相较原信号相位不变，通过
Figure SMS_57
的信号相位在控制频率处相较原信号相位滞后90°。通过多个双广义二阶积分器的共同作用可以从输入信号中同时筛选出多个频段的信号进行分频处理。为了使各频次的信号不相互影响，将剩余分量减掉，只保留所需频段信号。例如，全部筛选频次为5、7、11和13次，所需频次信号为13次。则减去5、7和11次信号，公式如下所示，可以获得如图2所示的频率特性，其中
Figure SMS_60
为频次，
Figure SMS_64
、
Figure SMS_66
和
Figure SMS_55
分别为在频次1、5和7时的控制器输出信号，
Figure SMS_62
、
Figure SMS_65
和
Figure SMS_67
分别为在频次1、5和7时的第一路输出信号，
Figure SMS_58
为所需频次信号，
Figure SMS_61
表示各频次下控制器输出信号。
Figure SMS_68
Figure SMS_69
S2中自适应虚拟阻抗生成环节的设计取决于有源滤波器的容量，所述容量的分配包括以下公式：
Figure SMS_70
其中，
Figure SMS_71
为谐波容量。
在S2中，根据实际工程需要，虚拟阻抗的设计取决于有源滤波器的容量。有源滤波器的容量被用于无功补偿以及谐振抑制，有源滤波器本身提供的无功容量通常是较小的，一般用来补偿动态的无功需求，为了提升容量的利用效率，应在无功需求小的时候，将容量分配给谐波容量
Figure SMS_72
。无功与谐振动态调整思路如下，周期提取
Figure SMS_73
、
Figure SMS_74
，保持一周期，信号相除作为实时的输出阻抗
Figure SMS_75
，当存在剩余容量时，降低有源滤波器接入系统阻抗，无剩余容量时，提升有源滤波器接入系统阻抗。动态调整控制框图如图3所示，其中PI控制器可以使剩余容量趋于0。限幅环节可以使阻抗参考值不超出合理范围，容量调整结果分析如图4所示，节点电压畸变率与有源滤波器谐波补偿容量的关系呈现反比关系。
根据国标要求，500kV电网谐波电压畸变率应该低于1.5%，得到对应的最小补偿容量为1160A（低压侧）。有源滤波器的最大容量为有源滤波器的额定容量，此时可补偿1500A。
按照表1所示内容为动态容量的验证，调节输出容量参考值，检测实际输出电流，得到如图5所示的容量-时间变化图。通过实时检测阻抗值获取阻抗随时间的变化趋势如图6所示，对比容量的变化图与阻抗变化图，符合反比关系。当给定不同的输出容量参考值时，系统能够动态调整虚拟阻抗。完成容量的自适应调整。
表1 输出容量随时间的变化
Figure SMS_76
在S3中，准比例谐振控制结构如图7所示，根据双广义二阶积分器获取的各次谐波电流与虚拟阻抗的乘积作为参考输入信号
Figure SMS_78
，取节点电压信号作为反馈信号
Figure SMS_82
，二者做差获取误差信号，误差信号输入至准比例谐振控制器中进行电压信号的分频跟踪，输出
Figure SMS_84
作为电流环参考值，其中，准比例谐振控制器的幅频特性如图8所示。
Figure SMS_79
的设计影响除5、7、11、13次谐波以外的其他频段的幅频特性，
Figure SMS_81
影响被控频段的通频带，
Figure SMS_83
为
Figure SMS_85
次角频率，
Figure SMS_77
影响
Figure SMS_80
次频段的控制器增益。
S5中谐振校验采取Nyquist稳定判据，有源滤波器的控制系统达到稳态时，闭环输出特性可表示为一个阻抗可调的虚拟电阻。如图9所示，展示了有源滤波器支路与系统侧、负载侧的电路原理图。
Figure SMS_97
为AC系统侧等效电压源，
Figure SMS_88
为AC系统侧等效阻抗，负载侧等效为谐波电流源，其输出电流为
Figure SMS_95
，
Figure SMS_90
为有源滤波器的接入点电压，
Figure SMS_94
表示有源滤波器等效导纳，
Figure SMS_91
表示负载侧并联的无源滤波器组等效阻抗，
Figure SMS_96
表示混合系统侧等效阻抗。AC系统由
Figure SMS_98
和
Figure SMS_100
组成，混合动力系统由
Figure SMS_86
、
Figure SMS_92
与
Figure SMS_89
组成。当AC系统侧等效阻抗
Figure SMS_93
与混合系统侧等效阻抗
Figure SMS_99
满足外部稳定条件时，则有源滤波器接入系统不会出现谐振现象，达成谐波放大的治理目的，当
Figure SMS_101
与
Figure SMS_87
阻抗幅值相等时，希望二者的辐角差小于180°。若辐角差等于180°，即有源滤波器接入系统发生谐振。具体包括以下公式：
Figure SMS_102
外部稳定条件公式如下所示：
Figure SMS_103
其中，
Figure SMS_104
代表时域，
Figure SMS_105
为
Figure SMS_106
和
Figure SMS_107
的辐角差，
Figure SMS_108
为辐角符号。
该稳定条件体现在频率特性曲线上时，要求阻抗相交点对应的相位，如图10所示，红线为交流系统侧等效阻抗，蓝线为无源滤波器组与有源滤波器所组成的混合系统侧等效阻抗，黄线为未接入有源滤波器时混合系统侧的等效阻抗，对比蓝线与黄线，经过有源滤波器的作用，混合系统侧阻抗的相位整体向系统侧阻抗相位靠近，且5、7、11、13次谐波频率处呈现阻性，并网点阻抗被控制在预期阻抗处。如图11所示，Nyquist围线未包含(-1, j0)点，系统稳定。
在本发明的一个实施例中，首先从有源滤波器支路中提取电流信号，而后分频提取各次谐波电流信号，利用自适应虚拟阻抗生成环节计算此时虚拟阻抗阻值，获得该阻值与提取的各次电流信号乘积作为各次谐波电压参考信号，该谐波电压参考信号与并网点电压信号做差输入外环控制器中，所得信号再经电流环输出PWM信号控制逆变器输出期望电压值，最终有源滤波器支路在各次频段下呈现阻抗形式。以高压直流输电系统中的有源滤波器应用为例，如图12所示，有源滤波器部分由级联H桥形式组成，经连接电感L1及降压变压器连接至母线支路上。除有源滤波器支路外，有多组无源滤波器并联至高压直流输电系统（High voltage direct current，HVDC）附近做无功支撑与谐波补偿。
本发明利用虚拟阻抗控制策略抑制谐波的同时，降低背景谐波电压带来的影响。其次改善虚拟阻抗控制策略被动滤波的缺点，提出自适应虚拟阻抗控制策略。可以根据剩余容量动态调整虚拟阻抗值，主动治理谐波及谐振，降低了容量空置率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种有源滤波器的自适应容量调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：检测有源滤波器的输出电流，利用双广义二阶积分器从输出电流中提取各次谐波电流量；
S2：将当前无功容量需求
Figure QLYQS_1
、额定容量
Figure QLYQS_2
、并网点电压
Figure QLYQS_3
和有源滤波器输出电流
Figure QLYQS_4
输入至自适应虚拟阻抗生成环节，获取虚拟阻抗值
Figure QLYQS_5
；
S3：将各次谐波电流量和虚拟阻抗值
Figure QLYQS_6
的乘积作为各次谐波电压参考信号，将各次谐波电压参考信号与谐波电压信号
Figure QLYQS_7
作差输入至比例谐振控制器，获取谐波电流参考信号
Figure QLYQS_8
；
S4：将谐波电流参考信号
Figure QLYQS_9
、无功补偿电流信号和稳压电流信号作和，并与输出电流信号作差输入至P控制器，得到电压参考输出；
S5：将电压参考输出输入至PWM生成器控制逆变器，校验有源滤波器接入系统是否发生谐振，完成有源滤波器的自适应容量调节。
2.根据权利要求1所述的有源滤波器的自适应容量调节方法，其特征在于，所述S1中双广义二阶积分器的传输函数如下所示：
Figure QLYQS_10
其中，
Figure QLYQS_13
为控制第一路输出信号的控制器传输函数，
Figure QLYQS_15
为控制器带宽，
Figure QLYQS_17
为
Figure QLYQS_12
次角频率，
Figure QLYQS_14
为控制第二路输出信号的控制器传输函数，
Figure QLYQS_16
代表时域，
Figure QLYQS_18
为控制频次相关参数，且
Figure QLYQS_11
取5、7、11和13。
3.根据权利要求1所述的有源滤波器的自适应容量调节方法，其特征在于，所述S2中自适应虚拟阻抗生成环节的设计取决于有源滤波器的容量，所述容量的分配包括以下公式：
Figure QLYQS_19
其中，
Figure QLYQS_20
为谐波容量。
4.根据权利要求1所述的有源滤波器的自适应容量调节方法，其特征在于，所述S5中谐振校验采取Nyquist稳定判据，当AC系统侧等效阻抗
Figure QLYQS_21
与混合系统侧等效阻抗
Figure QLYQS_22
满足外部稳定条件时，则有源滤波器接入系统不会出现谐振现象，达成谐波放大的治理目的，具体包括以下公式：
Figure QLYQS_23
外部稳定条件公式如下所示：
Figure QLYQS_24
其中，
Figure QLYQS_25
为AC系统侧电流，
Figure QLYQS_29
为AC系统侧等效电压源，
Figure QLYQS_31
代表时域，
Figure QLYQS_27
为输出电流，
Figure QLYQS_28
为
Figure QLYQS_30
和
Figure QLYQS_32
的辐角差，
Figure QLYQS_26
为辐角符号。
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