一種基於二次諧波混合有源濾波裝置的控制策略的製作方法
2023-06-06 19:31:32
本發明涉及諧波治理領域，具體是針對抑制二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波裝置的控制策略。
背景技術：
隨著電力電子技術的迅速發展，現代電力裝置的負荷特性及運行模式更加複雜化。一些非線性、衝擊性以及不平衡負荷如大型電弧爐、軋鋼機等設備往往要實現電壓、電流的快速變化，這樣的運行方式將直接導致變流器晶閘管觸發角不對稱、整流器交流系統電流幅值及相位的快速變化、整流變壓器直流偏磁和交、直流網絡動態諧波耦合等，通常會激發交流側的低次諧波諧振，如形成較大的2次諧波及其周邊間諧波。國標GB/T14549-1993《電能質量-公用電網諧波》明確規定了公共電網的2次諧波電壓限值和注入公共連接點的2次諧波電流允許值，這種低次諧波諧振對容量較小的電網系統影響更為嚴重。同時，二次諧波電流會增加輸電線路、變壓器以及旋轉電機的損耗，影響電力電容器的正常工作以及造成繼電保護裝置動作紊亂和加大電氣測量誤差等多方面的危害。
由有源濾波器(APF)和無源濾波器組(PF)相配合的混合有源濾波裝置在業內已經有了一定的應用。它的優勢是可以有效的利用無源濾波器和有源濾波裝置的特點，在濾波器容量大小、動態響應和調節帶寬之間形成一個平衡。無源濾波器的優點是可以為系統提供無功補償和抑制某次諧波，並且維護方便、運行穩定；其缺點是無法濾除較寬的連續頻段諧波，並且不可避免的造成旁瓣放大。有源濾波器的優點是可以動態抑制諧波和補償無功且響應速度快、有效避免電路諧振等；其缺點是受限於目前全控型電力電子開關的電壓電流水平，大容量有源濾波器成本很高而且控制複雜。
因此有必要提出一種合適的控制策略，有效的配合有源濾波器和無源濾波器組從而達到濾除2次諧波以其周邊間諧波的效果。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種針對抑制二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波裝置的控制策略。本發明的控制策略具體指的是選擇合適的控制目標(如以負載諧波電流源、濾波支路電流，電網側諧波電流或這些指標的組合)將有源濾波器控制為受控電壓源或受控電流源，而不僅僅是狹義的逆變器的控制方法，因為前者更多的決定著整個系統的濾波效果和穩定性，而後者更多的是提高控制精度。
本發明的設計方案是:
一種基於二次諧波混合有源濾波裝置的控制策略，其特徵在於：通過分析各種不同控制策略對電路的影響初擬可選控制策略、衡量選定控制策略下的系統穩定性和動態性能、引入控制校正環節、優化控制策略、校核系統阻抗頻率特性和電流放大曲線、驗證系統的濾波效果來確定控制策略，具體如下：
(1)通過分析各種不同控制策略對電路的影響初擬可選控制策略,的具體過程如下：
1)、基於抑制二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波電路特徵，分析各種不同控制策略對電路的影響；
2)、分析在基於二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波裝置中存在的多種諧波檢測點及組合運算檢測點，具體包括檢測負載諧波源電流、檢測電網母線處諧波電流、電網母線處諧波電壓及檢測濾波支路電流單一或組合運算檢測點；
3)、在明確理想情況下將有源濾波器控制為受控電流源還是電壓源的基礎上，並結合上述檢測點做整個系統的閉環轉移函數衡量穩態下不同控制策略對電路的不同影響，考察混合有源濾波裝置的整體濾波效果，在此基礎上初步確定基於二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波裝置的控制策略；
4)、分析初步確定的不同控制策略對電路影響核心是計算系統閉環轉移函數，從轉移函數中分析參變量對電路整體濾波效果的影響，具體包括以下步驟：
(a)根據負載諧波電流源進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源，即IAPF＝K*Ilh，其中，Ilh為負載諧波源的總電流，K為比例係數，IAPF為有源電力濾波器理想輸出電流；以電網側背景諧波電壓和負載諧波電流源作為輸入量，電網側的諧波電流值為輸出量，則整個電路的閉環轉移函數為：
其中，Ish為電網側的諧波電流，Ush電網側的背景諧波電壓，Ilh為負載諧波源電流，Za為與有源逆變器並聯的基波諧振支路的總阻抗，Zfq為除注入支路外所有無源支路的總阻抗，Zs為電網阻抗；
由上式可知，當K值增大時，電網處諧波電流不會減小，當各阻抗一定時，電路沒有對電網諧波電流調節的作用，可知此控制策略並不適用於本電路；
(b)根據電網諧波電流進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源，即IAPF＝K*Ish，輸入輸出量保持不變，則整個電路閉環轉移函數為：
由此公式可以看出，當K值增大時，整個電路網側的諧波電流值會有抑制的效果，因此此控制策略暫時可以考慮；
(c)根據電網諧波電壓進行控制IAPF＝K*Ush，將有源逆變器控制為受控電流源，整個系統的閉環轉移函數為：
由此公式可以看出，當K值增大時，電網背景諧波被放大，而且對負載諧波電流也沒有抑制作用；
(d)如將有源逆變器控制為受控電壓源，由於有源濾波器並聯在基波諧振支路的兩端，然有源濾波器不可能做到完全不含有基波分量，即使一個很小的基波電流分量也可能造成基波諧振支路的電容、電感燒毀及有源濾波器的故障，因此將有源逆變器控制為受控電壓源不適用於本發明；
(e)本發明提出的控制策略，根據注入支路和負載諧波電流進行控制IAPF＝K*If，其中If為注入支路和負載諧波電流之差，將有源逆變器控制為受控電流源，整個電路的閉環轉移函數為：
由此公式可以看出，當K值增大時對於負載諧波電流有明顯的抑制效果，所以此控制策略也可利用。
(2)衡量選定控制策略下的系統穩定性和動態性能
選定的控制策略必須要維持整個系統的穩定同時兼具較好的動態性能，由於混合有源濾波裝置的負載諧波源與電網之間往往還串、並聯大量電容、電感元件，因此系統往往會有多個諧振點，此時某些在穩態下濾波效果較好的控制策略可能無法維持系統穩定。應首先根據系統轉移函數做出相應閉環特徵方程，然後根據相應的穩定判據方法，衡量整個系統穩定性，淘汰使系統無法穩定的控制策略。同時可根據閉環特徵根來衡量系統的動態性能。
(3)引入控制校正環節，優化控制策略
由於混合有源濾波電路中往往有超過3條無源支路，加之以與有源濾波器配合的變壓器、輸出濾波器以及注入支路，整個系統往往是一個超過5階的系統，因此，即使確定的控制策略可以使系統穩定，但在控制的角度上往往存在著穩態臨界的問題，因此需要加入合適的控制校正環節，進一步提升整個系統的穩定性和動態性能。
(4)校核系統阻抗頻率特性和電流放大曲線
單純的無源濾波器或者SVC(Static Var Compensator,靜止無功補償)設備，尤其是裝設了諧振點在3次的無源濾波支路的濾波器，往往會造成負載諧波源二次諧波及其周邊間諧波電流在電網母線處整體放大，甚至在這個諧波頻段會出現並聯諧振點，因此在基於二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波裝置中，提出相應控制策略後，需要進行電路阻抗頻率掃描和給出諧波電流放大曲線。
(5)驗證系統的濾波效果，確定控制策略
在理想情況下，可將有源濾波器的整體作為受控電流源對待，但實際上控制器不可能做到完全瞬時、準確跟蹤，且有源濾波器配套輸出濾波及耦合變壓器等，因此需要驗證整個系統的濾波效果，最終確定控制策略。
本發明的效益在於：
(1)結構簡單，實施成本低。本控制策略是將目標檢測點進行運算組合，在實際工程實現中不管使用模擬電路還是數字控制的方法都能完成。同時由於控制策略的正確選擇和優化，極大降低了有源濾波器本身的控制難度，有效的降低了控制電路階數，結構簡單、實施成本低。
(2)系統穩定，濾波效果好。混合有源濾波裝置中負載諧波源與電網母線之間往往還並聯著多條無源濾波支路，導致整個系統存在多個諧振點，這與直接使用有源濾波器進行諧波補償有著原理上的區別。因此本發明提供了合適的控制策略即恰當的有源無源配合方法，確保系統穩定性及其濾波效果。
(3)適應性強，動態性能好。負載諧波源往往是變化極快、頻譜極其豐富的諧波電流源，但目前諧波檢測手段以及有源濾波器的整體響應時間還不能及時跟蹤反饋，本方案在原理上是利用受控源改變系統的阻抗從而達到濾波效果，因此對於不同的諧波源負載適應性強，動態性能好。
附圖說明
為了對本發明作進一步的說明，以下給出了相關實施例附圖。
圖1本發明一實施實例原理圖
圖2未投有源濾波裝置及注入支路系統阻抗頻率特性
圖3投入有源濾波裝置及注入支路的負載諧波電流放大曲線
圖4系統在0.5s投入有源濾波裝置及注入支路690V母線處總電流
圖5系統在0.5s投入有源濾波裝置及注入支路690V母線處二次諧波電流
具體實施例
一種基於二次諧波混合有源濾波裝置的控制策略，其特徵在於：通過分析各種不同控制策略對電路的影響初擬可選控制策略、衡量選定控制策略下的系統穩定性和動態性能、引入控制校正環節、優化控制策略、校核系統阻抗頻率特性和電流放大曲線、驗證系統的濾波效果來確定控制策略。
由圖1所示的實例原理圖中可以看出，本發明的控制策略為選擇注入支路的諧波電流與所有負載諧波源電流之差經過帶通濾波環節後與一個比例倍數K相乘後得到的電流值作為受控電流源注入電路中。常規的控制策略有如根據負載諧波源電流進行控制、根據電網諧波電流或電網諧波電壓進行控制將有源電力逆變器控制為受控電壓源或者受控電流源等方法。本發明證明在抑制2次諧波及其周邊間諧波的混合式有源濾波電路中，並不是所有的常規控制策略都有抑制諧波的效果。
1.通過分析各種不同控制策略對電路的影響初擬可選控制策略的具體過程如下：
(1)、基於抑制二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波電路特徵，分析各種不同控制策略對電路的影響；
(2)、分析在基於二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波裝置中存在的多種諧波檢測點及組合運算檢測點，具體包括檢測負載諧波源電流、檢測電網母線處諧波電流、電網母線處諧波電壓及檢測濾波支路電流單一或組合運算檢測點；
(3)、在明確理想情況下將有源濾波器控制為受控電流源還是電壓源的基礎上，並結合上述檢測點做整個系統的閉環轉移函數衡量穩態下不同控制策略對電路的不同影響，考察混合有源濾波裝置的整體濾波效果，在此基礎上初步確定基於二次諧波及其周邊間諧波的混合有源濾波裝置的控制策略；
(4)、分析初步確定的不同控制策略對電路影響核心是計算系統閉環轉移函數，從轉移函數中分析參變量對電路整體濾波效果的影響，以下是本發明給出的不同控制策略下本電路的閉環轉移函數，可以清晰得到系統在穩態下的濾波性能：
(a)根據負載諧波電流源進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源，即IAPF＝K*Ilh，其中，Ilh為負載諧波源的總電流，K為比例係數，IAPF為有源電力濾波器理想輸出電流；以電網側背景諧波電壓和負載諧波電流源作為輸入量，電網側的諧波電流值為輸出量，則整個電路的閉環轉移函數為：
其中，Ish為電網側的諧波電流，Ush電網側的背景諧波電壓，Ilh為負載諧波源電流，Za為與有源逆變器並聯的基波諧振支路的總阻抗，Zfq為除注入支路外所有無源支路的總阻抗，Zs為電網阻抗；
由上式可知，當K值增大時，電網處諧波電流不會減小，當各阻抗一定時，電路沒有對電網諧波電流調節的作用，可知此控制策略並不適用於本電路；
(b)根據電網諧波電流進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源，即IAPF＝K*Ish，輸入輸出量保持不變，則整個電路閉環轉移函數為：
由此公式可以看出，當K值增大時，整個電路網側的諧波電流值會有抑制的效果，因此此控制策略暫時可以考慮；
(c)根據電網諧波電壓進行控制IAPF＝K*Ush，將有源逆變器控制為受控電流源，整個系統的閉環轉移函數為：
由此公式可以看出，當K值增大時，電網背景諧波被放大，而且對負載諧波電流也沒有抑制作用；
(d)如將有源逆變器控制為受控電壓源，由於有源濾波器並聯在基波諧振支路的兩端，然有源濾波器不可能做到完全不含有基波分量，即使一個很小的基波電流分量也可能造成基波諧振支路的電容、電感燒毀及有源濾波器的故障，因此將有源逆變器控制為受控電壓源不適用於本發明；
(e)本發明提出的控制策略，根據注入支路和負載諧波電流進行控制IAPF＝K*If，其中If為注入支路和負載諧波電流之差，將有源逆變器控制為受控電流源，整個電路的閉環轉移函數為：
由此公式可以看出，當K值增大時對於負載諧波電流有明顯的抑制效果，所以此控制策略也可利用。
由上可知，從穩態濾波效果的角度，本發明的論證結果是根據注入支路和負載諧波電流進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源和根據電網諧波電流進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源的控制策略都是可行的。
2.上述分析的控制策略都是基於電路在穩態下的分析，沒有考慮系統的動態性能和閉環穩定性，本發明驗證了可能的控制策略的動態穩定性，具體的實施步驟是：
(1)由電路轉移函數得出系統的閉環特徵方程；
(2)由電路閉環特徵方程，由Routh-Hurwitz判據判斷系統的穩定性，同時由系統的閉環特徵方程列出電路的所有零極點；
根據電網諧波電流進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源情況下的閉環特徵方程為：
(Zcc+Za)(Zfq+Zs)+ZfqZs-KZfqZa＝0
根據注入支路和負載諧波電流進行控制，將有源逆變器控制為受控電流源的閉環特徵方程為：
(Zcc+Za-KZa)(Zfq+Zs)+ZfqZs＝0
將此特徵方程求解極點可知，根據電網諧波電流控制，將有源逆變器控制為受控電流源，電路是不穩定的(多個閉環極點落在虛軸右側)，至少需要引入6階以上的控制校正環節，而事實上是做不到的，因此本發明證明傳統的一些控制策略在基於二次諧波的混合有源濾波裝置中是不可行的。
3.圖1中的基於二次諧波混合有源濾波裝置中，有6條支路，加之以與有源濾波器配合的變壓器、輸出濾波器等，整個系統會有穩態臨界問題，即共軛閉環極點雖落在虛軸左側，但距虛軸較近，隨著裝置長時間運行，支路會有副邊調諧等問題即系統的電路參數發生變化，此時整個系統的穩定性會有很大的威脅。加入一階慣性校正環節，確保系統的穩定及保證系統的動態性能。一階慣性環節的表達式為：
由於本裝置抑制的二次諧波及其周邊間諧波，因此G(s)選取需要對二次諧波周邊的頻率段有很好的動態跟蹤性能，可選T＝5ms，由於控制策略中已有比例控制環節，這裡的k可取1。
4.校核負載諧波源二次諧波及其周邊間諧波電流在電網母線處沒有放大現象，如圖2和圖3所示。首先給出了系統未投有源濾波裝置的阻抗頻率特性曲線，確定其在二次諧波周邊頻譜範圍有並聯諧振點；其次給出諧波電流放大曲線，保證混合有源濾波裝置投入後在本頻率段諧波電流不會放大，此處重點考慮負載諧波源的影響，可以忽略來自電網背景諧波的影響，因此放大關係如下式：
5.按照系統的實際情況，實例驗證了整個系統的濾波效果，如圖4和圖5所示。實際系統包括了電網阻抗、各濾波支路、注入支路、有源濾波器、控制電路、直流屏電路及監控和保護電路等。可以看出本方案對二次諧波有很好的濾波效果，同時比例環節K＝3就可以滿足要求，使得裝置整體容量不需要很大。