一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，采用多机冗余、主从控制结构，整机系统根据负载谐波含量在两种运行模式下切换：1)当谐波容量小于整机补偿容量时，按照功率单元运行数量最少化原则分配补偿容量，通过协调各功率单元投切，实现整机补偿容量的最充分利用；2)当谐波容量大于整机补偿容量时，考虑三方面限容因素，即额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以及主电路器件运行温度，按照变步长策略输出限容系数，优先补偿含量较高的低频次谐波，实现对整机补偿能力的最大化利用。本发明通过上下层主从控制器间的协调配合，实现了多机并联型APF补偿容量的最优利用，具有很好的可行性和实用价值。
【专利说明】一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多机并联型大容量APF(有源电力滤波器）的容量最优利用方法 以及限容策略，属于电力电子技术在电力系统中应用的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着大量电力电子设备投入使用，电网谐波含量日益增大。受到可控硅器件技术 的限制，单机APF很难实现大容量输出，目前较多采用多机并联结构。采用多机并联结构 时，涉及到两方面问题：1)当谐波含量较小，低于整机补偿容量时，如何协调各单元投入运 行，在保证补偿性能的基础上，实现对整机补偿容量的最充分利用；2)当谐波含量较大，高 于整机补偿容量时，如何保证装置安全可靠运行，并且实现整机补偿能力的最大化利用。
[0003] 针对第一个问题，目前广泛应用的多机并联方案优缺点分析如下：
[0004] 1、多机分次方案：各个功率单元容量不同，高次谐波分配低容量、高开关频率运 行，低次谐波分配高容量、低开关频率运行，从而减少开关损耗、提高补偿容量利用率。缺 点：所有功率单元同时运行，当谐波含量较少时，整机补偿容量利用率低；发生单点故障 时，整机补偿性能将会受到影响。
[0005] 2、"级联式"方案：从负载侧开始，每个功率单元只补偿前级单元剩余谐波，靠近负 载侧的功率单元补偿容量大，各个功率单元无关联，真正实现单元化运行和冗余，在线更换 和维护简单。缺点：需要多个CT，成本高且采样电流同步性较差；离负载侧最近的APF长期 满负荷连续运行，容易出现硬件老化；各个功率单元之间缺少配合。
[0006] 3、IGBT+GT0方案：靠近负载侧功率单元的开关器件选择容量较大而开关频率较 低的GT0,而靠近网侧功率单元的开关器件选择容量较小而开关频率较高的IGBT ;后级功 率单元（GT0)补偿低次谐波，前级功率单元（IGBT)补偿高次谐波。缺点：扩展性较差；如果 后级功率单元失效，而前级补偿容量不足，容易导致前级功率单元过载运行。
[0007] 4、按负载分配方案：各个功率单元容量相同，集中控制，将谐波容量平均分配给所 有功率单元，通过协调各个单元的电流指令，可以成倍提高等效开关频率，提高补偿精度。 缺点：当谐波容量较低时，造成资源浪费；扩展容量时，需要修改主控制器参数，单元化运 行与集中控制存在矛盾；发生单点故障时，各个功率单元有可能过载运行。
[0008] 针对第二个问题，实际应用中制定最优的限容策略，需要考虑在什么情况下进行 限容。一般情况下应该考虑三方面因素，即装置额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以 及主电路器件运行温度，分述如下：
[0009] 1、对于装置额定补偿能力，目前有两种限容策略：1)截断限容，将指令电流峰值 限制在安全运行区间，该方法实现简单，只需要在指令电流运算环节增加一级比较器即可， 但是容易产生新的谐波频谱分量；2)容量比例限容，当大电流谐波负荷出现时，各次谐波 输出电流等比例减小，导致整机滤波能力大幅度下降。
[0010] 2、对于直流侧电压有效利用范围，三角载波调制情况下输出相电压最大值为 udc;/2(取调制比M= 1)。为了达到良好的滤波性能，APF应该有能力输出相电压瞬时分量 的最大值，以a相为例，如下式所示：
[0011]
【权利要求】
1. 一种有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，其特征在于：采用多机冗余、 主从控制结构，上层主控制器负责谐波检测、分配补偿容量、补偿优先级生成、限容系数下 发和载波移相，同时上层主控制器还负责接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状 态指令和所属功率单元的补偿容量，下层从控制器负责对谐波的独立控制； 当谐波容量小于并机容量时，整机运行于冗余模式，按照功率单元运行数量最少化原 则分配补偿容量，并且当某功率单元运行时间超过预设值，上层主控制器指定冗余功率单 元投入运行； 当谐波容量大于并机容量时，整机运行于优先补偿限容模式，考虑三方面限容因素，即 额定补偿能力、直流侧电压有效利用范围以及主电路器件运行温度，整机按照补偿优先级 指令的设定优先补偿含量较高的低频次谐波。
2. 根据权利要求1所述的有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，其特征在 于： 所述上层主控制器包括多机并联实时监测单元、谐波频次分析单元、多机并联分配单 元、载波移相单元和人机界面； 多机并联实时监测单元：接收下层从控制器发出的所属功率单元的运行状态指令； 谐波频次分析单元：负责各次谐波电流的计算，并下发补偿指令； 多机并联分配单元：根据谐波容量以及各功率单元的补偿容量，计算需要运行功率单 元的最少数量，并分配各功率单元的补偿容量，接收人机界面的谐波补偿频次设定量并生 成补偿优先级指令，并下发投切指令、限容系数； 载波移相单元：用于分配各功率单元的载波移相角； 人机界面：负责谐波补偿频次设定、显示系统运行参数； 所述下层从控制器包括电压外环、电流内环、状态反馈单元和PWM调制单元； 电压外环：负责接收直流侧电压，稳定直流侧电压在给定值阈值范围内； 电流内环：负责接收桥臂电流以及负载电流，形成偏差信号； 状态反馈单元：向上层主控制器发送所属功率单元的运行状态指令； PWM调制单元：接收电流内环形成的偏差信号，形成控制主电路IGBT的驱动脉冲。
3. 根据权利要求2所述的有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，其特征在 于：在冗余模式下，上层主控制器根据谐波容量以及各功率单元的补偿容量，计算需要运行 功率单元的最少数量，并分配各功率单元的补偿容量；功率单元投入运行后，并机时间计时 启动：冗余模式时，若某一功率单元并机时间t大于预设时间T，选择冗余功率单元预充电 等待投入，在该功率单元转为待机模式的同时冗余功率单元投入运行。
4. 根据权利要求3所述的有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，其特征在 于：在优先补偿限容模式下，多机并联分配单元接收人机界面的谐波补偿频次设定量，按照 频次由低到高生成补偿优先级指令；整机按照设定的补偿优先级指令优先补偿含量较高的 低频次谐波，限容系数S从0开始依次递增，保证整机的安全运行；限容系数S递增采用变 步长策略，步长τ随着频次的增加而逐渐减小，直至整机输出容量达到额定补偿能力并且 不超过直流侧电压有效利用范围；当主电路器件运行温度超出所设范围时，限容系数递减 采用定步长策略；所述三方面限容因素中，额定补偿能力和主电路器件运行温度为有效值 约束条件，直流侧电压有效利用范围为峰值约束条件。
5.根据权利要求4所述的有源谐波治理装置多机并联容量最优分配方法，其特征在 于：在优先补偿限容模式下，谐波电流指令及有效值表述如下：设定补偿优先级依次为基 波无功、5次负序、7次正序、…、η次，η = 1或6k±l，k为正整数，Μ为需要补偿的谐波频 次个数，各次谐波的补偿程度在〇?1范围内取值，总的限容系数在〇?Μ范围内取值，此 时各次谐波电流指令变为：
其中：4和/；：分别为限容前后补偿指令电流，^为限容后的指令电流有效值，?为 基波正序有功分量有效值，ζ为基波正序无功分量有效值，/：：为完全输出的谐波电流分量 有效值，匕为不完全输出的谐波电流分量有效值，Ν为整机输出的最高次谐波次数，Μ。为完 全输出的谐波频次个数，由下取整函数得到：
【文档编号】H02J3/01GK104218584SQ201410473542
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】赵剑锋, 刘康礼, 曹武, 王艺钢, 季永超 申请人:东南大学