大功率apf并机谐波补偿系统动态协调控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电力系统领域，特别是电力电子技术中一种大功率多机并联型有源电 力滤波器的补偿容量分配方法。
【背景技术】
[0002] 低压谐波污染源广泛存在于电网，例如乳钢、电解铝、商场照明等，这些谐波污染 对电网、其它用电设备，特别是用电可靠性都会带来严重影响。目前，谐波治理方案主要分 为无源型和有源型：无源型治理装置体积重量较大，并且容易产生谐振，不易限流输出；有 源型治理装置具有高度可控以及快速响应性能，可以实时动态补偿电网中的谐波，因而逐 渐成为谐波治理的首选。针对有源型谐波治理装置所应用的不同负载场合，需要采用不同 的补偿方法：对于低功率的工业应用场合，可以采用单模块进行谐波补偿，其耐压能力和负 载电流可以通过半导体开关的串并联实现；对于大功率应用场合，考虑到半导体开关技术 水平的限制以及串并联开关器件所带来的一系列问题，无法用单模块同时达到较高的额定 功率以及较高的开关频率，将多模块并联是实现大容量谐波源补偿的有效方案。但是，多模 块并联需要较大的经济投入，并且当需要处理的谐波负载为乳钢厂内的直流调速电机等负 载时，需要考虑其具体的负载特性：1)谐波电流等级较大；2)各次谐波电流或无功快速变 化，并且某时刻出现较大单次谐波或无功冲击。针对此类负载，需要进行合理的多机间谐波 动态协调控制，从而实现系统可靠运行及整机补偿容量的最优利用。
[0003] 目前，主要有如下几种协调控制或补偿容量分配方法：
[0004] (1)N台装置+N组CT，独立控制式：每台装置都配备一组CT(电流互感器），装置 间无互联线、独立控制。其优点是：扩展容量简单，允许不同补偿容量模块间的扩展；多个 模块自动实现冗余补偿。其缺点是：靠近负载侧的模块必须长期满负荷运行，多机补偿容量 利用不对称；加速了硬件老化；检测CT过多使得谐波补偿精度不高；需要性能优异的输出 限幅策略。
[0005] (2)N台装置+1组CT，集中控制+均流式：整机只配备一组CT，采用集中控制+均 流分配模式，每台APF模块都工作在全补偿模式下，并且各模块完全相同，分配到的补偿容 量相同。这样的并联方式，其优点是：动态性能较好，并机系统谐波补偿的响应速度与并机 数量无关，始终等于单机谐波补偿速度；不存在某一台装置长期满负荷运行的情况；各个 模块相同，从而使得维修较为方便；由于采用单个谐波检测环节，谐波补偿的精度相对较 高；多机容量利用率相同。其缺点是：所有装置全时段投入且全补偿运行，投入运行的模块 数量最多，使得损耗相对其他方式最大；无法实现自动冗余谐波补偿。
[0006] (3)N台装置+1组CT，集中控制+多机分次补偿式：其优点是整机分成低次补偿 组和高次补偿组，低次补偿组开关频率低、补偿容量较大，高次补偿组开关频率高、补偿容 量较小，从而使得装置容量利用率有所提升，整机运行损耗有所减小；同一补偿组多重化运 行，减小了整机输出电流开关次纹波。其缺点是，谐波容量分配固定，当需要治理的谐波污 染为乳钢厂负载谐波时，固定的指定次谐波补偿组并不能实现整机补偿容量的最优利用， 例如可能出现如下情形：负载中各次谐波频谱分布不均匀，分配的某指定次谐波补偿组容 量小于负载中该频次谐波电流，而其它指定次谐波补偿组小电流输出，从而造成整机补偿 容量的不合理利用；无法实现自动冗余补偿；补偿某频段的APF单元故障后，可能导致大量 谐波电流流入电网，即系统可靠性不高。
[0007] 综上所述，现有的大功率APF并机系统协调控制方法无法同时实现较高的补偿精 度、较优的补偿容量利用率、较好的运行可靠性以及自动冗余补偿，需要提出一种更为合理 的多机间谐波补偿动态协调控制方法。
【发明内容】
[0008] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大功率APF并机谐 波补偿系统动态协调控制方法，解决现有协调控制方法针对大电流谐波污染源治理存在的 不足，主要针对例如乳钢厂直流调速电机等动态波形复杂的谐波负载（该类负载某时刻特 定次谐波远高于其它频次谐波），实现整机补偿容量的最优利用。
[0009] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0010] -种大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，采用主控制器和若干从控 制器实现动态协调控制，每个从控制器对应一个功率模块，从控制器对对应的功率模块进 行模块运行状态监测；
[0011] 所述主控制器包括谐波分次检测单元、谐波实时比较运算单元、系统运行状态监 测单元、补偿指令电流生成及分配单元和功率模块时基同步单元；谐波分次检测单元，根据 采集的负载电流信号和网侧电压信号，实时分离出各次谐波；谐波实时比较运算单元，实时 比较各次谐波含量，同时确定各次谐波频谱分布，并按照各次谐波含量大小顺序实时生成 补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波为主要次谐波；系统运行状态监 测单元，实时汇总各个从控制器反馈的模块运行状态，并确定整机系统的在运行模块数量、 待机模块数量和故障模块数量；补偿指令电流生成及分配单元，根据各次谐波含量、补偿动 态优先级和模块运行状态确定整机系统的运行模式，实时生成并分配补偿指令电流；功率 模块时基同步单元，向各个功率模块发送同步信号，协调各个功率模块同步运行；
[0012] 所述从控制器包括直流母线电压闭环控制单元、谐波分次闭环控制单元、模块运 行状态监测及重启控制单元、时基同步单元和PWM调制单元；直流母线电压闭环控制单元， 用于稳定直流侧电压；谐波分次闭环控制单元，接收主控制器分配的补偿指令电流信号，比 较补偿指令电流与功率模块的输出电流；模块运行状态监测及重启控制单元，实时监测功 率模块的模块运行状态，并将模块运行状态反馈给主控制器，当功率模块出现故障停机状 态时，选择性重启故障功率模块；时基同步单元，用于接收主控制器的同步信号；PWM调制 单元，用于控制功率模块生成补偿电流。
[0013] 具体的，动态协调控制方法包括如下步骤：
[0014] 步骤一：载入初始参数，包括负载电流信号k、网侧电压信号E和各个功率模块 的额定补偿容量，主控制器根据负载电流信号1和网侧电压信号E实时分离出各次谐 波，并生成补偿动态优先级，其中补偿动态优先级最高的若干次谐波主要次谐波；η= 1，2， 3···，Ν，Ν为功率模块的总数；
[0015] 步骤二：主控制器根据总谐波电流U和整机系统的总补偿容量I_确定整机系统 的运行模式：情况①：当总谐波电流込大于总补偿容量1_时，整机系统按照运行模式二补 偿，即多机分次+多机均流补偿；情况②：当总谐波电流込不超过总补偿容量I_且各次谐 波频谱分布波动范围在阈值范围内时，整机系统按照运行模式一补偿，即多机均流补偿；情 况③：当总谐波电流不超过总补偿容量I_且各次谐波频谱分布波动范围超过阈值范围 时，按照运行模式二补偿，即多机分次+多机均流补偿；其中，总谐波电流込为各次谐波的 总和，总补偿容量1_为各个功率模块的额定补偿容量的总和；
[0016] 步骤三：主控制器根据整机系统的运行模式、模块运行状态、补偿动态优先级和各 次谐波含量，实时生成并分配补偿指令电流，具体分配原则为：针对情况①：整机系统分成 多机分次补偿组和多机均流补偿组，通过多机分次补偿组补偿谐波含量最高的若干主要次 谐波，通过多机均流补偿组补偿剩余次谐波；优先补偿谐波含量最高的若干主要次谐波，将 主要次谐波分配给多机分次补偿组，若总补偿容量1_有剩余，则将剩余次谐波平均分配给 多机均流补偿组内的功率模块，整机系统限幅运行；针对情况②：功率模块最少化运行，总 谐波电流平均分配给多机均流补偿组内的功率模块，且投入