有源電力濾波器的保護方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種有源電力濾波器的保護方法，本發(fā)明提出的有源電力濾波器的保護方法中通過對指令電流進行限流，使得有源電力濾波器實際輸出的補償電流限制在合理范圍內(nèi)，防止由于指令電流過大造成APF過流而損壞有源電力濾波器，且本發(fā)明中對指令電流依次進行比例限流和截斷限流，通過兩次限流實現(xiàn)雙重保護，提高了系統(tǒng)的可靠性，能夠更好的保護有源電力濾波器，延長使用壽命。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種有源電力濾波器的保護方法。 有源電力濾波器的保護方法

【背景技術(shù)】
[0002] 電力電子技術(shù)的日益發(fā)展成熟和電力自動化設(shè)備的廣泛應(yīng)用在推進工業(yè)生產(chǎn)力 發(fā)展和電氣自動化水平提高的同時，也引起了嚴(yán)重的電網(wǎng)諧波污染問題，有源電力濾波器 (APF)應(yīng)運而生。
[0003] 有源電力濾波器（APF)通過包括主電路（變流器）、驅(qū)動電路和控制系統(tǒng)。其補 償過程為先通過電壓互感器（PT)、電流互感器（CT)獲取系統(tǒng)電壓和非線性負(fù)載的電流信 號，控制系統(tǒng)對獲取的電壓和電流信號進行處理，計算出需要補償?shù)母鞔沃C波對應(yīng)的指令 電流，再根據(jù)該指令電流，生成用于驅(qū)動變流器的驅(qū)動脈沖，實時快速的控制主電路中開關(guān) 器件（功率器件）的通斷，輸出實際需要補償電流，該補償電流與負(fù)載電流中需要補償?shù)母?次諧波進行抵消，最終得到期望的正弦化的電網(wǎng)電流，從而改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
[0004] 作為一個電網(wǎng)諧波和無功的動態(tài)補償裝置，APF不僅需要有良好的穩(wěn)態(tài)補償性能 和動態(tài)響應(yīng)速度，最主要的是要保證能穩(wěn)定可靠的運行。APF穩(wěn)定運行的前提是其補償容量 不能超過自身的額定容量，因為其變流器中功率單元對瞬時過流和過壓非常敏感，短時的 過流和過壓也可能會導(dǎo)致開關(guān)管的損壞，所以要盡量避免APF的過容運行。
[0005] 正常情況下，可能造成APF過容運行的情況有兩種：（1)接入公用電網(wǎng)的非線性負(fù) 載突增；（2)接入公用電網(wǎng)的負(fù)載發(fā)生短路或斷路等故障，造成系統(tǒng)不對稱分量突增。這兩 種情況如果造成APF過容運行，其根本原因是負(fù)載電流諧波分量的突增導(dǎo)致指令電流的突 增。所以要限制APF的過容運行，最關(guān)鍵的是要限制指令電流在自身補償容量范圍之內(nèi)。
[0006] 楊振宇等人在題為并聯(lián)型有源電力濾波器限流補償策略研究（電力自動化設(shè) 備.2006, 26(3) :21-25) -文中提出一種軟件限流控制策略，只對參考電流進行處理，控制 實現(xiàn)簡單，并取得了較好的限流效果。但它存在一個最關(guān)鍵的問題尚未解決：指令電流最大 絕對值i Mfmax和系統(tǒng)最大允許補償電流值imax的定義。傳統(tǒng)的截斷限流和比例限流策略對 于指令電流最大絕對值i Mf_的定義就是指令電流峰值的絕對值，而系統(tǒng)最大允許補償電 流值imax則根據(jù)系統(tǒng)容量被定義為一個固定的值。
[0007] 實際上，對于一個能夠補償0?2. 5kHz以內(nèi)任意次諧波的APF系統(tǒng)來說，指令電 流最大絕對值iMfmax絕不能簡單的定義為指令電流峰值的絕對值。除了要考慮補償全頻段 諧波時指令電流的有效值達到系統(tǒng)額定容量時的峰值，還要考慮補償?shù)痛位騿未沃C波時指 令電流的有效值達到系統(tǒng)額定容量時的峰值。通常APF的額定容量是以每相能夠補償?shù)念~ 定諧波電流有效值來定義的。結(jié)合實際情況，當(dāng)APF需要補償全頻段諧波時，若系統(tǒng)的補償 電流有效值達到額定值，此時指令電流的峰值往往要比APF系統(tǒng)只補償?shù)痛位騿未沃C波而 補償電流有效值達到額定值時的指令電流峰值高得多。所以，若簡單的將指令電流最大值 iMfmax定義為峰值，那么可能出現(xiàn)下面兩種情況：
[0008] (1)若按APF補償全頻段諧波時有效值達到額定值時指令電流的峰值定義為系統(tǒng) 最大允許補償電流峰值iPMk，那么當(dāng)APF補償?shù)痛位騿未沃C波時，即使補償電流的有效值超 過了額定值，由于此時指令電流的峰值未達到系統(tǒng)設(shè)定的最大允許補償電流峰值iPMk，指 令電流會繼續(xù)增大，直到峰值達到設(shè)定的i peak，而此時指令電流的有效值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定 有效值，從而造成APF過流。
[0009] (2)若按APF補償?shù)痛位騿未沃C波時有效值達到額定值時指令電流的峰值定義為 系統(tǒng)最大允許補償電流峰值iPMk(即最大允許電流），那么當(dāng)APF補償全頻段諧波時，由于 當(dāng)指令電流的峰值達到設(shè)定的iPMk時，指令電流的有效值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達到系統(tǒng)額定值，從而 造成APF利用率不高。
[0010] 同時，獲得用于比例限流環(huán)節(jié)的指令電流有效值及實現(xiàn)APF的選擇性諧波補償需 要采用一種有效的諧波檢測方法。張樹全等人在題為多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下指定次諧波電流 控制（中國電機工程學(xué)報.2010(03) :55-62)提出一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的選擇性諧 波電流檢測算法，但是該方法需要經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，計算量大，并且需要設(shè)計一個低 通或帶通濾波器，諧波分量的檢測精度取決于濾波器的設(shè)計，濾波器的參數(shù)設(shè)計不當(dāng)會直 接影響檢測精度。
[0011] 此外，大容量非線性負(fù)載突變時會引起APF直流側(cè)電壓波動，若直流側(cè)出現(xiàn)過壓， 則并聯(lián)在直流母線電容兩端的開關(guān)器件有可能因為瞬態(tài)高壓擊穿而導(dǎo)致?lián)p壞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種有源電力濾波器的保護方法。
[0013] 本發(fā)明的有源電力濾波器的保護方法，包括如下步驟：
[0014] (1)提取負(fù)載電流中需要補償?shù)母鞔沃C波分量，并將提取的各次諧波分量疊加得 到指令電流；
[0015] (2)根據(jù)有源電力濾波器的額定補償電流有效值和需要補償?shù)淖罡咧C波次數(shù)依次 設(shè)定第一閾值和第二閾值；
[0016] (3)將第一閾值作為最大允許電流對所述的指令電流進行比例限流，得到第一指 令電流；
[0017] (4)將第二閾值作為截斷峰值電流對所述的第一指令電流進行截斷限流，得到第 二指令電流；
[0018] (5)根據(jù)第二指令電流生成用于驅(qū)動有源電力濾波器中變流器的驅(qū)動脈沖，使變 流器輸出相應(yīng)的補償電流。
[0019] 本發(fā)明提出的有源電力濾波器的保護方法中通過對指令電流進行限流，使得有源 電力濾波器實際輸出的補償電流限制在合理范圍內(nèi)，防止由于指令電流過大造成APF過流 (指實際輸出的補償電流超過開關(guān)器件所能承受的最大允許值）而損壞有源電力濾波器， 且本發(fā)明中對指令電流依次進行比例限流和截斷限流，通過兩次限流實現(xiàn)雙重保護，提高 了系統(tǒng)的可靠性，能夠更好的保護有源電力濾波器，延長使用壽命。
[0020] 在進行比例限流和截斷限流處理前，先根據(jù)用戶設(shè)定的補償頻次設(shè)定比例限流和 截斷限流的相關(guān)參數(shù)。這樣根據(jù)實際情況設(shè)定相關(guān)參數(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)中任何工況下都固定 使用單一參數(shù)比較，更為靈活，在APF僅補償?shù)痛沃C波的情況下，可以進一步提高APF的輸 出能力，改善了 APF的利用效率，即使在全頻段補償?shù)那闆r下，也能有效地將補償電流限制 在額定輸出能力范圍之內(nèi)。該種參數(shù)可調(diào)型的比例限流和截斷限流方法有助于實現(xiàn)不同工 況下APF輸出能力最大化和高可靠性的統(tǒng)一。
[0021] 作為優(yōu)選，所述步驟（1)基于滑窗迭代DFT算法提取需要補償?shù)母鞔沃C波分量。
[0022] 基于滑窗迭代DFT算法克服了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的諧波電流檢測算法中坐標(biāo) 變換復(fù)雜、參數(shù)設(shè)計困難的缺陷，并通過取消周期平均濾波器對傳統(tǒng)滑窗DFT算法進行改 進，大大減小了對程序空間資源的占用，實現(xiàn)了任意次諧波的單次或者疊加提取，具有很高 的精度。
[0023] 基于滑窗迭代DFT算法提取η次諧波分類的具體過程如下：
[0024] a初始化一個滑窗，所述滑窗的長度為一個基波周期內(nèi)的采樣點的總數(shù)，記為Ν， 假設(shè)滑窗采樣的數(shù)據(jù)存儲在一個大小為N的數(shù)組X[N]中，初始條件下滑窗中所有的元素的 值為 0,即 X[0]?X[N_1] = 0 ;
[0025] b采集一個新的數(shù)據(jù)x(k τ ) (x(k τ )為某一時刻的采樣數(shù)據(jù)，其中k表示當(dāng)前的采 樣點編號，k的取值范圍為0?Ν-1，τ為采樣時間間隔），更新滑窗一個基波周期前該采樣 點對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)，；
[0026] c.計算需要提取的η次諧波在當(dāng)前采樣點的相位，具體為：
[0027] -個周期是2π，一個周期采樣Ν個采樣點，故每個采樣點之間的相位差為

【權(quán)利要求】
1. 一種有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 提取負(fù)載電流中需要補償?shù)母鞔沃C波分量，并將提取的各次諧波分量疊加得到指 令電流； (2) 根據(jù)有源電力濾波器的額定補償電流有效值和需要補償?shù)淖罡咧C波次數(shù)依次設(shè)定 第一閾值和第二閾值； (3) 將第一閾值作為最大允許電流對所述的指令電流進行比例限流，得到第一指令電 流； (4) 將第二閾值作為截斷峰值電流對所述的第一指令電流進行截斷限流，得到第二指 令電流； (5) 根據(jù)第二指令電流生成用于驅(qū)動有源電力濾波器中變流器的驅(qū)動脈沖，使變流器 輸出相應(yīng)的補償電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，所述步驟（1)基于滑 窗迭代DFT算法提取需要補償?shù)母鞔沃C波分量。
3. 如權(quán)利要求1所述的有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，所述步驟⑵根據(jù)如 下公式計算第一閾值imax : Imax = Ki*ip, 其中，ip為額定補償電流有效值； I為第一比例系數(shù)：
其中，h為需要補償?shù)淖罡咧C波次數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，所述步驟⑵根據(jù)如 下公式計算第二閾值iPMk: j --Κ ?ι 丄 peak Up 丄 max， 其中，imax為第一閾值； Kp為第二比例系數(shù)：
其中，h為需要補償?shù)淖罡咧C波次數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，所述步驟（3)過程如 下： (3-1)計算指令電流的有效值，并用第一閾值除以指令電流的有效值和第一閾值中的 較大者得到的商作為比例限流因子； (3-2)根據(jù)公式： i' ref = k*iref 計算第一指令電流i' Mf，iMf為指令電流，k為比例限流因子。
6. 如權(quán)利要求1所述的有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，所述的保護方法還 包括實時檢測有源電力濾波器的直流側(cè)電壓，根據(jù)直流側(cè)電壓對有源電力濾波器進行硬件 封鎖限流，具體過程如下： (51) 實時檢測有源電力濾波器的直流側(cè)電壓； (52) 將檢測到的直流側(cè)電壓調(diào)理到設(shè)定的電壓范圍內(nèi)得到相應(yīng)的等效直流側(cè)電壓； (53) 將調(diào)理得到的等效直流側(cè)電壓與第三閾值進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果進行如下操 作： 若大于或等于第三閾值，則封鎖有源電力濾波器中變流器的驅(qū)動脈沖，直至等效直流 側(cè)電壓下降至第四閾值時解除封鎖，使變流器輸出相應(yīng)的補償電流； 否則，則不操作。
7. 如權(quán)利要求6所述的有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，所述的第三閾值Vi 根據(jù)公式： Vi = KT*(Vdcp+AVh) 計算，V#表示直流側(cè)電壓額定值，表示直流側(cè)過壓保護的過壓裕量，&表示等效 調(diào)理變比。
8. 如權(quán)利要求7所述的有源電力濾波器的保護方法，其特征在于，所述的第四閾值V2 根據(jù)公式： V2 = Κρ-Λ%) 計算，V#表示直流側(cè)電壓額定值，表示直流側(cè)過壓保護解除的欠壓裕量，Κτ表示 等效調(diào)理變比。
【文檔編號】H02J3/01GK104113052SQ201410305638
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】陳國柱, 徐群偉, 王異凡 申請人:浙江大學(xué)