多台并联型电能质量治理装置并联控制方法以及系统与流程

本公开涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种多台并联型电能质量治理装置并联控制方法以及系统。

背景技术：

近些年社会对电力的需求与日俱增，大量对电网电能质量产生影响的负载大规模应用，由此引发了电能质量问题。并联型电能质量治理装置(Parallel Active Power Quality Compensation，PAPQC)是用于治理由于不平衡负载以及非线性负载造成无功电流、不平衡电流以及谐波电流的有效装置之一。由于单台PAPQC的补偿容量有限，可以将多台PAPQC并联在一起，以适应工业现场，实现补偿容量的增加。然而，现有技术中对于多台PAPQC并联控制的补偿性能与可靠性却不能保证。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种多台并联型电能质量治理装置并联控制方法以及系统，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种多台并联型电能质量治理装置并联控制方法，其特征在于，所述方法包括：

确定负载电流的电流信息，所述电流信息包括负载电流中无功电流、不平衡电流、各次谐波电流的大小；

根据所述电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，并将所述电流补偿指令分配至对应的PAPQC；

PAPQC根据接收到的电流补偿指令生成补偿的输出电流，并根据所述补偿的输出电流进行并联控制。

在本公开的一种示例性实施例中，方法还包括：

当检测到PAPQC工作异常时，控制工作正常的PAPQC通过硬件模拟总线接收总容量信息，并退出主机控制；

各台PAPQC根据自身容量与并联系统总容量，计算容量比例；

按照容量比例分配电流补偿指令电流补偿指令。

在本公开的一种示例性实施例中，根据所述电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，包括：

根据各PAPQC的容量，均分无功电流补偿指令；

根据各PAPQC的容量，均分不平衡电流补偿指令；

计算各次谐波电流大小，根据谐波电流总量确定谐波电流均分阈值，将大于谐波电流均分阈值的谐波由各PAPQC均分补偿；剩余待补偿的谐波，按谐波数量由各PAPQC均分频段补偿。

在本公开的一种示例性实施例中，根据滑动窗DFT算法计算所述各次谐波电流的大小。

在本公开的一种示例性实施例中，方法还包括：

向PAPQC分配电流补偿指令后，若在预设时间内未收到该PAPQC回复的确认信息，确定PAPQC工作异常。

在本公开的一种示例性实施例中，方法还包括：

在PAPQC工作异常时，其他各PAPQC将自身的补偿容量通过数模转换器转换为相应电压，输出到硬件模拟总线回环电路。

根据本公开的一个方面，还提供一种多台并联型电能质量治理装置并联控制系统，包括：

信息确定模块，用于确定负载电流的电流信息，所述电流信息包括负载电流中无功电流、不平衡电流、各次谐波电流的大小；

指令分配模块，用于根据所述电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，并将所述电流补偿指令分配至对应的PAPQC；

补偿控制模块，用于各PAPQC根据接收到的电流补偿指令分别生成补偿的输出电流，根据所述补偿控制策略进行并联控制。

在本公开的一种示例性实施例中，所述补偿控制模块还用于：

当检测到PAPQC工作异常时，控制工作正常的PAPQC通过硬件模拟总线接收总容量信息；

获取各台PAPQC根据自身容量与并联系统总容量，并计算容量比例；

按照容量比例分配电流补偿指令，各PAPQC根据所述电流补偿指令生成补偿的输出电流。

在本公开的一种示例性实施例中，指令分配模块还用于：

根据各PAPQC的容量，均分无功电流补偿指令；

根据各PAPQC的容量，均分不平衡电流补偿指令；

计算各次谐波电流大小，根据谐波电流总量确定谐波电流均分阈值，将大于谐波电流均分阈值的谐波由各PAPQC均分补偿；剩余待补偿的谐波，按谐波数量由各PAPQC均分频段补偿。

本公开的示例性实施例中的多台并联型电能质量治理装置并联控制方法，通过确定负载电流的电流信息，根据电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，并将所述电流补偿指令分配至对应的PAPQC，以使各PAPQC根据接收到的电流补偿指令分别生成补偿控制策略，并根据补偿控制策略进行并联控制。本公开可以有效提高设备补偿容量，同时还保证了设备并联后的补偿性能与可靠性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1示出了根据本公开一示例性实施例的多台并联型电能质量治理装置的并联控制方法流程示意图；

图2示出了根据本公开一示例性实施例的滑窗迭代DFT算法原理示意图；

图3示出了根据本公开一示例性实施例的多级补偿策略示意图；

图4示出了根据本公开一示例性实施例的硬件模拟总线系统示意图；

图5示出了根据本公开一示例性实施例的两台PAPQC按中央控制器指令启动的直流母线电压波形图；

图6A-6C示出了根据本公开一示例性实施例的系统补偿处于稳态时的波形图；

图7A-7E示出了根据本公开一示例性实施例的稳态时的电网电流与负载电流频谱分析图；

图8示出了根据本公开一示例性实施例的设备重启后的直流母线电压启动波形；

图9A-9C示出了根据本公开一示例性实施例的两台设备启动补偿处于稳态时的补偿波形；

图10A-10E示出了根据本公开一示例性实施例的稳态时的电网电流与负载电流频谱分析图；

图11示出了根据本公开一示例性实施例的多台并联型电能质量治理装置并联控制系统。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器和/或微控制器中实现这些功能实体。

在本示例实施例中，提供了一种多台并联型电能质量治理装置并联控制方法，参考图1中所示，该多台并联型电能质量治理装置并联控制方法可以包括以下步骤：

步骤S110，确定负载电流的电流信息，所述电流信息包括负载电流中无功电流、不平衡电流、各次谐波电流的大小；

步骤S120，根据所述电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，并将所述电流补偿指令分配至对应的PAPQC；

步骤S130，PAPQC根据接收到的电流补偿指令生成补偿的输出电流，根据所述补偿控制策略进行并联控制。

本公开的示例性实施例中的多台PAPQC并联控制方法，通过确定负载电流的电流信息，根据电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，并将所述电流补偿指令分配至对应的PAPQC，以使各PAPQC根据接收到的电流补偿指令分别生成补偿的输出电流。本公开可以有效提高设备补偿容量，同时还保证了设备并联后的补偿性能与可靠性。

下面，将对本示例实施例中的多台并联型电能质量治理装置并联控制方法进行进一步的说明。

在步骤S110中，确定负载电流的电流信息；

其中，电流信息包括负载电流中无功电流、不平衡电流、各次谐波电流的大小，可以由DSP等中央控制器计算得出负载电流中无功电流、不平衡电流、各次谐波电流的大小，各次谐波电流可以根据滑动窗迭代DFT算法计算得出。滑窗迭代DFT算法的核心思路是更新最新的实时采样数据，滑动检测窗口进行谐波电流分析，以提高谐波电流检测速度。其中，滑窗迭代DFT算法原理如图2所示，滑动窗口迭代离散傅里叶变换算法由迭代与建立两个步骤组成。在滑窗迭代DFT算法建立步骤中，第一个整谐波电流检测周期仅移入最新的采样电流。图2中，Xa、Xb为滑窗DFT的两个迭代过程量，{x(n)}为实时采样数据。此时Xa(1)＝x(1)，Xb(1)＝0。在第一个整周期内建立滑窗DFT迭代计算的基础公式如下式：

式中，N为一个计算周期内的采样次数，h为谐波次数，n为当前采样次数。在建立步骤完成之后，采用下式进行滑动窗口迭代离散傅里叶变换的迭代步骤：

为避免需要较大的计算量，提升响应速度，因此本公开进一步采用滑窗迭代DFT算法的一部分作为人机交互界面中谐波含量显示的计算方式，每一个工频周期建立一次DFT迭代基础，并计算各次谐波电流的均方根值，谐波电流均方根值计算公式如下式：

在步骤S120中，根据所述电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，并将所述电流补偿指令分配至对应的PAPQC；

本示例实施例，电流补偿指令包括无功电流指令、不平衡电流指令、各次谐波电流指令，可以根据接入电网方式和分配目标的不同预设对应的补偿的输出电流，以进行并联系统中各PAPQC的电流补偿指令的计算分配，例如，可以参考以下方式的任意一种或多种：

1、按容量比例设置补偿的输出电流

按容量比例的方式可用集中式、主动式、分散式通讯系统，在这种方式下各个模块共用一套负载电流传感器，各个模块按照自己的补偿容量自行决定输出电流的比例。

2、按频率设置补偿的输出电流

按频率设置补偿的输出电流如：将无功电流补偿由PAPQC1完成，不平衡电流补偿由PAPQC2完成，低频250Hz下谐波电流由PAPQC3完成，其余由PAPQC4完成，这种策略较为简单，且每台PAPQC的计算量可有效减小。

3、根据多级补偿方式设置补偿的输出电流

多级补偿策略的拓扑结构如图3所示。该种策略下，每台补偿装置均具备负载电流传感器，前一级(靠近负载侧一级)补偿一部分电流，则后一级检测到的电流不会包含前级补偿的电流，依次类推。根据多级补偿方式设置补偿的输出电流对通讯系统的依赖程度较低。

本公开优选地实施方式中，基于以上策略还提出了混合型按容量比例+分频段分配方式设置补偿的输出电流，充分利用按容量比例分配策略和分频段分配策略的优点设置补偿的输出电流，以进行补偿指令的分配，具体地，根据所述电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，包括：

根据各PAPQC的容量，均分无功电流补偿指令；

根据各PAPQC的容量，均分不平衡电流补偿指令；

计算各次谐波电流大小，根据谐波电流总量确定谐波电流均分阈值，将大于谐波电流均分阈值的谐波由各PAPQC均分补偿；剩余待补偿的谐波，按谐波数量由各PAPQC均分频段补偿。

在步骤S230中，PAPQC根据接收到的电流补偿指令生成补偿的输出电流，根据所述补偿控制策略进行并联控制。

各从PAPQC接收到相应指令后，将按照中央处理器要求，在各补偿量上乘以相应的补偿系数。中央处理器DSP用于处理各个补偿量补偿率的计算及使能，具体的控制由各台PAPQC独立完成。

本公开示例性实施方式中，在向PAPQC分配电流补偿指令后，若在预设时间内未收到该PAPQC回复的确认信息，可以确定PAPQC工作异常，或者，在中央处理器离线或硬件通讯系统异常时，均可以确定PAPQC工作异常，为避免整体系统停机，本公开还提出了一种硬件模拟总线，请参考图4所示，包括CT检测电路以及多个控制器，在检测到PAPQC工作异常时，可以控制工作正常的PAPQC通过硬件模拟总线接收总容量信息；各台PAPQC根据自身容量与并联系统总容量，并计算容量比例；按照容量比例分配电流补偿指令，该电流补偿指令包括无功电流补偿，不平衡补偿以及分频谐波补偿，各PAPQC根据所述电流补偿指令生成补偿的输出电流。

具体地，一旦检测到PAPQC工作异常，将自动切换为异常模式，在该模式下，各PAPQC将按自身容量比例输出各自的补偿的输出电流补偿的输出电流，并将自身的补偿容量通过数模转换器转换为相应电压，输出到如图4所示的回环电路中，同时，读取回环电路的电压，在多个采样值中可以选取两个基本一致的电压求出回环电路均值，由图4可知，每台PAPQC读取到的值为并联系统的总容量，已知自身容量与并联系统总容量，则可以按照容量比例分配电流补偿指令，回环电路在CT电流检测处形成完整的闭环。

进一步地，本公开一个示例性实施方式中，还通过对正常工作模式下的多台PAPQC并联控制方法进行仿真以验证其可靠性。

在额定情况下两台模块化PAPQC并联，补偿不平衡电流、无功电流以及谐波电流，其中谐波电流补偿3、5、7、9、11、13、17、19次谐波，负载为三相RC型六脉波不控整流电路，负载交流侧串入0.3mH电感，B相缺相。图5为两台PAPQC按中央控制器指令启动的直流母线电压波形。中央控制器首先下发第一台系统直流母线预充电指令，在检测到第一台系统直流母线有压后下发第二台系统直流母线预充电指令。

图6A-6C示出了系统补偿处于稳态时的波形，按中央控制器计算结果，无功电流与不平衡电流由两台设备均分补偿，3、5、7、9次谐波电流由两台设备均分补偿，剩余的11、17次谐波电流由第一台设备补偿，13、19次谐波由第二台设备补偿。由图6A-6C可知，负载三相电流有效值分别为66.56A、0.8A、66.22A，电网三相电流有效值分别为27.76A、28.54A、26.94A，电网电流不平衡程度大大降低；各相电网电压与电网电流同频同相，验证了系统的无功补偿能力；电网电流波形正弦度较负载电流有明显改善，验证了系统的谐波补偿能力。

图7A-7E为稳态时的电网电流与负载电流频谱分析。由图7可知，补偿后的电网电流质量得到了较好的改善。本公开还提供了异常模式下的按容量比例分配策略进行实验验证。该实验的实验条件与上述实验保持一致。拔除中央控制器与设备的连接，系统检测到通讯断开后自动停机转入按容量比例分配策略后重启。

请参考图8-图9所示，各补偿指令按容量比例分配，用于并联的两台设备容量一致，因此各补偿量的补偿率均为50％。

由图9可知，在该补偿策略下，负载三相电流有效值分别为63.83A、0.95A、63.45A，电网三相电流有效值分别为26.82A、28.84A、26.05A，电网电流不平衡程度大大降低；各相电网电压与电网电流同频同相，同样验证了该策略下的系统的无功补偿能力；电网电流波形正弦度较负载电流有明显改善，验证了系统的谐波补偿能力。图10A-10E为稳态时的电网电流与负载电流频谱分析。

对比图7与图10所示的各谐波电流频谱，表1列出了A相电网电流与负载电流补偿频率次谐波的有效值。

表1

表1示出了A相电网电流与负载电流的补偿频率次谐波有效值，由表1可知，两种补偿策略下，3、5、7、9次谐波补偿效果接近，11、13、17、19次谐波由于含量较小，补偿后电网电流的谐波大小也十分接近，但改进的指令分配策略下，每台设备的计算量与按容量分配策略相比降低了25％，因此，本公开所提出的控制策略更有利于提高系统的综合补偿性能。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

在本示例实施例中，还提供了一种多台并联型电能质量治理装置并联控制系统。参照图11所示，所述多台并联型电能质量治理装置并联控制系统包括：

信息确定模块1110，用于确定负载电流的电流信息，所述电流信息包括负载电流中无功电流、不平衡电流、各次谐波电流的大小；

指令分配模块1120，用于根据所述电流信息按照补偿的输出电流计算并联系统中各PAPQC的电流补偿指令，并将所述电流补偿指令分配至对应的PAPQC；

补偿控制模块1130，用于PAPQC根据接收到的电流补偿指令生成补偿的输出电流。

进一步地，所述补偿控制模块1030还用于：

当检测到PAPQC工作异常时，PAPQC通过硬件模拟总线接收总容量信息；

各PAPQC根据自身容量与并联系统总容量，并计算容量比例；

按照容量比例分配电流补偿指令，PAPQC根据所述电流补偿指令生成补偿的输出电流，根据控制策略对PAPQC进行并联控制。

进一步地，指令分配模块1020还用于：

根据各PAPQC的容量，均分无功电流补偿指令；

根据各PAPQC的容量，均分不平衡电流补偿指令；

计算各次谐波电流大小，根据谐波电流总量确定谐波电流均分阈值，将大于谐波电流均分阈值的谐波由各PAPQC均分补偿；剩余待补偿的谐波，按谐波数量由各PAPQC均分频段补偿。

上述中多台PAPQC并联控制系统的各模块的具体细节已经在对应的多台PAPQC并联控制方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了多台PAPQC并联控制系统的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

所述技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施例、完全的软件实施例(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施例，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。