CN117200227A - 一种有源电力滤波器及其智能限幅控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源电力滤波器及其智能限幅控制方法，属于有源电力滤波器技术领域。本发明通过计算出的基波调制度限幅值和谐波调制度限幅值分别对基波控制生成的基波调制波和谐波控制生成的谐波调制波进行限幅，再将限幅后的基波调制波与谐波调制波相结合以得到总调制波并利用总调制波调制度限幅值对其进行限幅，以实现限幅后的调制波对有源电力滤波器的控制,使得在有源电力滤波器装置基波出力小时，提高装置谐波出力能力，同时在装置其他次谐波不出力时，提高装置特定次谐波出力能力。

Description

一种有源电力滤波器及其智能限幅控制方法

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器及其智能限幅控制方法，属于有源电力滤波器技术领域。

背景技术

目前，电力电子设备正朝着集成化、大容量、高频化、高效率的方向发展，被广泛应用于各个领域，但是电力电子设备在使用的过程中由于其工作在高频开关状态且具有非线性特征，因此工作时会产生大量的谐波及无功分量，从而对电网造成严重的污染，导致电能质量下降，严重时会造成继电保护装置误动、电气设备故障和事故。为了降低电网谐波污染造成的危害，常用无源电力滤波器和有源电力滤波器，无源电力滤波器由电抗器、电容器和电阻器构成，在实现补偿无功的同时，往往兼顾着抑制特定次谐波电流的功能，虽然该无源电力滤波器结构简单成本低，但是由于受电网频率波动和其他负载的影响较大，会导致滤波器失谐，大大影响其性能的技术问题；有源电力滤波器是一种动态补偿谐波电流的装置，可以补偿所有的谐波电流也补偿特定次谐波电流，但是有源电力滤波器传统限幅策略为对基波调制度、谐波调制度和总调制度进行固定限幅，该方法在有源电力滤波器装置基波出力能力小的情况下，无法充分发挥装置谐波出力能力，同时，在装置其他次谐波不出力的情况下，无法提高装置特定次谐波出力能力，限制了装置利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种有源电力滤波器及其智能限幅控制方法，用以解决传统滤波器在基波出力小时无法充分发挥有源电力滤波器谐波出力能力，同时在其他谐波不出力时，无法提高装置特定次谐波出力能力，限制了装置利用率的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案和相应方案的有益效果包括：

本发明的一种有源电力滤波器智能限幅控制方法，依据调度命令发出的无功需求和控制模式，生成基波无功电流指令，根据基波无功电流指令计算得到基波调制度幅值A并与基波裕度ΔA相加，得到最终基波调制度限幅值A′；利用总调制度限幅值C减去A得到谐波调制度限幅值，并将其与谐波裕度相加，得到最终谐波调制度限幅值；将基波控制与谐波控制相结合，利用A′和最终谐波调制度限幅值分别对基波调制波和谐波调制波进行限幅后相加，得到总调制波并利用C对总调制波进行限幅，以实现限幅后的调制波对有源电力滤波器进行调制。

上述技术方案的有益效果为：在总调制波限幅值C不变的情况下，将基波控制与谐波控制相结合，分别利用基波限幅值与谐波限幅值对基波调制波与谐波调制波进行限幅，通过调制度限幅的动态调节，有源电力滤波器基波出力小时，提高装置谐波出力能力，使得有装置能力得到充分发挥。

作为方法的进一步改进，若进行特定次谐波补偿，则计算谐波调制波的步骤包括：

1)依据谐波控制中的谐波电流指令分别计算出各特定次谐波的谐波调制度幅值m_nh；

2)将m_nh与对应的各特定次谐波裕度Δm_nh相加，得到各特定次谐波调制度限幅值E′_n，利用E′_n对各特定次谐波调制波进行限幅，得到限幅后的各特定次谐波调制波；

3)将限幅后的各特定次谐波调制波相加，得到所述谐波调制波。

上述技术方案的有益效果为：对于特定次谐波，通过计算每一个特定次谐波调制度限幅值并利用此值对相应的特定次谐波调制波进行限幅后，将各个限幅后的特定次谐波调制波相加，得到总的特定次谐波调制波并对其进行限幅，以实现有源电力滤波器在其他次谐波不出力或基波出力小，通过提高特定次谐波出力能力，提高装置利用率。

作为方法的进一步改进，若进行单次谐波补偿，则所述谐波调制波为根据需要补偿的单次谐波得到的调制波；若进行全谐波补偿，则所述谐波调制波为根据需要补偿的全谐波得到的调制波。

作为方法的进一步改进，m_nh的计算公式为：

U_nh＝nωLI_nh

其中，I_nh为第n次谐波电流指令值，U_nh为第n次谐波对应电感上形成的压降，ω为基波角频率，L为桥臂总电抗，N为功率单元个数。

作为方法的进一步改进，所述基波控制用于将基波外环控制生成的值作为电流内环控制的指令值，利用基波控制器对内环电流环控制的指令值与反馈值的差值进行控制后，再与电网电压前馈值相加以输出基波调制波，所述电流内环控制的反馈值为采集的有源电力滤波器输出电流经滤波器滤波后的值。

上述技术方案的有益效果为：通过基波控制得到基波调制度，利用基波调制度限幅值进行动态限幅，装置基波出力小的情况下，提高谐波出力能力。

作为方法的进一步改进，所述谐波控制用于利用谐波控制器对谐波电流指令值与反馈值的差值进行控制，以输出谐波调制波；所述谐波控制环指令值为负载电流提取的谐波电流指令值，或公共并网点电压提取的谐波电压指令经控制器后得到的谐波电流指令值；所述反馈值为采集的有源电力滤波器输出电流经谐波检测环节后的值。

上述技术方案的有益效果为：将负载电流采样补偿提取的谐波电流与谐波电压采样补偿提取的谐波电压经控制器得到的谐波电流值经谐波控制环节处理后，利用谐波调制度限幅值进行限幅，以提高谐波出力能力。

作为方法的进一步改进，所述A的计算公式为：

U₁＝ωLI_b1

其中，I_b1为基波无功电流指令值，ω为基波角频率，L为桥臂总电抗，U_g为电网电压有效值，N为功率单元个数，U_dc为直流电容电压。

上述技术方案的有益效果为：通过计算基波调制度幅值，在此基础上叠加基波裕度，以实现对基波调制波的动态限幅。

作为方法的进一步改进，基波控制外环包括稳态定无功控制、稳态定电压控制、自动无功补偿控制、恒功率因数控制、电压无功综合控制。

本发明的一种有源电力滤波器，所述有源电力滤波器用于并联接入电网和负载之间的公共连接点，其特征在于，还包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现上述所述的滤波器智能限幅控制方法。

上述技术方案的有益效果为：一种有源电力滤波器，通过采用将基波控制与谐波控制相结合，分别利用基波限幅值与谐波限幅值对基波调制波与谐波调制波进行限幅的限幅方法，实现调制度限幅的动态调节，当装置基波出力小时，提高谐波出力能力，同时，装置其他次谐波不出力的情况下，提高装置特定次谐波出力能力，使得有源电力滤波器装置能力得到充分发挥。

附图说明

图1是本发明的有源电力滤波器、电网、负载连接示意图；

图2是本发明的有源电力滤波器拓扑图；

图3是本发明的有源电力滤波器功率单元结构；

图4是本发明的有源电力滤波器控制框图。

附图标记说明：1、电网；2、有源电力滤波器；3、负载；4、进线开关柜；5、软启回路；6、换流器；7、换流链；8、功率单元；9、桥臂电抗；10、直流支撑电容；11、H桥，12、基波控制外环；13、有源电力滤波控制；14、基波控制内环；15、谐波控制。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的目的是提供一种有源电力滤波器，一种有源电力滤波器智能限幅控制方法，通过采用基波控制和谐波控制相结合的方式，在满足基波无功需求的同时满足谐波补偿需求，并通过对基波智能限幅和谐波智能限幅提高谐波输出能力。

有源电力滤波器实施例：

如图1所示，本实施例中有源电力滤波器2并联接入电网1和负载3之间的公共连接点PCC上(本实施例中，有源电力滤波器可直接并联在PCC点上，作为其他实施方式，还可通过变压器并联至PCC)，具备无功补偿功能和谐波补偿功能，能根据调度命令发出基波无功电流i_b和谐波电流i_h，在满足基波无功需求的同时满足对负载谐波的补偿。

图2为有源电力滤波器的拓扑图，由进线开关柜4、软启回路5、换流器6组成，换流器6由三条换流链7组成，三条换流链之间采用Δ型接法，每条换流链7由N个功率单元8串联和2个桥臂电抗9组成。

图3为有源电力滤波器的功率单元结构，由直流支撑电容10和H桥11组成。

具体地，有源电力滤波器还包括存储器和处理器，存储器和处理器之间通过内部总线进行数据交互。处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令，以实现如下有源电力滤波器限幅控制方法：

如图4所示，上述有源电力滤波器依据调度命令发出的无功需求和控制模式，生成基波无功电流指令，根据基波无功电流指令计算得到基波调制度幅值A并与基波裕度ΔA相加，得到最终基波调制度限幅值A′；利用总调制度限幅值C减去A得到谐波调制度限幅值，并将其与谐波裕度相加，得到最终谐波调制度限幅值；将基波控制与谐波控制相结合，利用A′和最终谐波调制度限幅值分别对基波调制波和谐波调制波进行限幅后相加，得到总调制波并利用C对总调制波进行限幅，以实现限幅后的调制波对有源电力滤波器进行调制。

具体地，有源电力滤波控制包括：基波控制13与谐波控制15。基波控制包括外环控制12和内环控制14双环控制，外环控制包括稳态定无功控制、稳态定电压控制、自动无功补偿控制、恒功率因数控制、电压无功综合控制策略等；内环控制包括基波电流环控制。具体基波控制过程为：根据外环控制生成的指令值作为内环电流控制的参考值I_{b_ref}，采集有源电力滤波器输出电流i_APF并经过滤波器滤波后作为内环电流环控制的反馈值I_{b_fdb}，参考值与反馈值的差值输入基波控制器后与电网电压前馈m_b2相叠加输出基波调制波m_b3。

基波智能限幅为：根据基波电流指令值和基波在电抗上形成的压降，实时计算基波调制度幅值，考虑一定裕度，作为基波调制度的限幅值，从而实现对基波调制度智能限幅的目的。

基波调制度限幅值的计算方法为：根据调度需求，有源电力滤波器发出感性无功功率或容性无功功率时，设对应的基波无功电流指令值为I_b1，则在电感上形成的压降U₁为：

U₁＝ωLI_b1

式中：ω为基波角频率，L为桥臂总电抗。

基波调制度幅值A为：

式中：U_g为电网电压有效值，N为功率单元个数，U_dc为直流电容电压。

考虑一定裕量ΔA，基波调制度限幅值A′为：

A′＝A+ΔA

裕度ΔA可根据控制效果设定，控制效果好，裕度可设置相对小，控制效果差，裕度可设置相对大。

谐波控制包括负载电流采样补偿和谐波电压采样补偿；根据负载电流i_LOAD采样补偿提取的谐波电流或谐波电压U_AC采样补偿提取的谐波电压经控制器控制后作为谐波控制环电流指令值I_{h_ref}，采集有源电力滤波器输出电流i_APF并经过谐波检测环节提取谐波电流作为谐波控制环电流反馈值I_{h_fdb}，谐波控制环电流指令值与反馈值的差值经过谐波控制器后输出谐波调制波m_{h_b4}。

谐波智能限幅：包括单次谐波调制度限幅和多次谐波调制度限幅；其中多次谐波调制度限幅包括：全谐波补偿和特定次谐波补偿。

谐波调制度限幅值的计算方法：

(1)单次谐波调制度限幅，仅补偿单次谐波，单次谐波调制度幅值B为：

B＝C-A

式中，C为总调制波限幅值。

考虑一定裕度ΔB，谐波调制度限幅值B′为：

B′＝B+ΔB

(2)多次谐波调制度限幅，即补偿多次谐波，包括全谐波补偿和特定次谐波补偿；

全谐波补偿时，全谐波调制度幅值D为：

D＝C-A

式中，C为总调制度幅值。

考虑一定裕度ΔD，谐波调制度限幅值D′为：

D′＝D+ΔD

特定次谐波补偿时，特定次谐波限幅E′_n的步骤为：

A.利用采集的负载电流提取谐波电流指令或采集的公共并网点电压提取谐波电压指令经控制器后计算谐波电流指令，依据谐波电流指令，分别计算出各特定次谐波的谐波调制度幅值m_nh；

具体地，各特定次谐波的谐波调制度幅值m_nh的计算公式为：

U_nh＝nωLI_nh

式中，I_nh为第n次谐波电流指令值，ω为基波角频率，L为桥臂总电，n为个特定次谐波，N为功率单元个数，U_dc为直流电容电压，U_nh为第n次谐波对应电感上形成的压降。

B.将m_nh与对应的各特定次谐波裕度Δm_nh相加，得到各特定次谐波调制度限幅值E′_n，利用E′_n对各特定次谐波调制波进行限幅，得到限幅后的各特定次谐波调制波；

具体地，各次谐波调制度限幅值E′_n的计算公式为：

E′_n＝m_nh+Δm_nh。

其中，各次谐波控制调制度限幅，幅值不超过总限幅值减去基波调制度限幅值。

C.将限幅后的各特定次谐波调制波相加，得到谐波调制波。

有源电力滤波器智能限幅控制方法实施例：

本实施例针对的是如图2所示的有源电力滤波器变换器，其所采用的控制方法的控制思路在于依据调度命令发出的无功需求和控制模式，生成基波无功电流指令，根据基波无功电流指令计算得到基波调制度幅值A并与基波裕度ΔA相加，得到最终基波调制度限幅值A′；利用总调制度限幅值C减去A得到谐波调制度限幅值，并将其与谐波裕度相加，得到最终谐波调制度限幅值；将基波控制与谐波控制相结合，利用A′和最终谐波调制度限幅值分别对基波调制波和谐波调制波进行限幅后相加，得到总调制波并利用C对总调制波进行限幅，以实现限幅后的调制波对有源电力滤波器进行调制。具体的控制方法已在一种有源电力滤波器实施例中做了详细介绍，本实施例不再赘述。

本发明利用基波控制和谐波控制相结合的方式，在基波出力小时通过提高谐波出力能力，充分发挥有源电力滤波器装置能力，同时在其他次谐波不出力时，通过提高特定次谐波出力能力，提高了装置利用率。具有成本低、可靠性高、谐波输出能力强的优点。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行的各种修改或变更的行为，均在本发明专利的权利申请要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，依据调度命令发出的无功需求和控制模式，生成基波无功电流指令，根据基波无功电流指令计算得到基波调制度幅值A并与基波裕度ΔA相加，得到最终基波调制度限幅值A′；利用总调制度限幅值C减去A得到谐波调制度限幅值，并将其与谐波裕度相加，得到最终谐波调制度限幅值；将基波控制与谐波控制相结合，利用A′和最终谐波调制度限幅值分别对基波调制波和谐波调制波进行限幅后相加，得到总调制波并利用C对总调制波进行限幅，以实现限幅后的调制波对有源电力滤波器进行调制。

2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，若进行特定次谐波补偿，则计算谐波调制波的步骤包括：

1)依据谐波控制中的谐波电流指令分别计算出各特定次谐波的谐波调制度幅值m_nh；

2)将m_nh与对应的各特定次谐波裕度Δm_nh相加，得到各特定次谐波调制度限幅值E′_n，利用E′_n对各特定次谐波调制波进行限幅，得到限幅后的各特定次谐波调制波；

3)将限幅后的各特定次谐波调制波相加，得到所述谐波调制波。

3.根据权利要求1所述的有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，若进行单次谐波补偿，则所述谐波调制波为根据需要补偿的单次谐波得到的调制波；若进行全谐波补偿，则所述谐波调制波为根据需要补偿的全谐波得到的调制波。

4.根据权利要求2所述的有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，m_nh的计算公式为：

U_nh＝nωLI_nh

其中，I_nh为第n次谐波电流指令值，U_nh为第n次谐波对应电感上形成的压降，ω为基波角频率，L为桥臂总电抗，N为功率单元个数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，所述基波控制用于将基波外环控制生成的值作为电流内环控制的指令值，利用基波控制器对内环电流环控制的指令值与反馈值的差值进行控制后，再与电网电压前馈值相加以输出基波调制波，所述电流内环控制的反馈值为采集的有源电力滤波器输出电流经滤波器滤波后的值。

6.根据权利要求1-4任一项所述的有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，所述谐波控制用于利用谐波控制器对谐波电流指令值与反馈值的差值进行控制，以输出谐波调制波；所述谐波控制环指令值为负载电流提取的谐波电流指令值，或公共并网点电压提取的谐波电压指令经控制器后得到的谐波电流指令值；所述反馈值为采集的有源电力滤波器输出电流经谐波检测环节后的值。

7.根据权利要求1所述的有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，所述A的计算公式为：

U₁＝ωLI_b1

其中，I_b1为基波无功电流指令值，ω为基波角频率，L为桥臂总电抗，U_g为电网电压有效值，N为功率单元个数，U_dc为直流电容电压。

8.根据权利要求5所述的有源电力滤波器智能限幅控制方法，其特征在于，基波控制外环包括稳态定无功控制、稳态定电压控制、自动无功补偿控制、恒功率因数控制、电压无功综合控制。

9.一种有源电力滤波器，所述有源电力滤波器用于并联接入电网和负载之间的公共连接点，其特征在于，还包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现如权利要求1-8任一项所述的滤波器智能限幅控制方法。