一种有源电力滤波器架构及控制方法与流程

1.本发明属于电力系统电磁兼容技术领域，更具体地，涉及一种有源电力滤波器架构及其控制方法。


背景技术：

2.有源电力滤波器已在电力系统谐波治理领域获得了越来越广泛的应用。有源电力滤波器通常由布置于电网上的电流/电压传感器、控制器，功率输出部分等组成，其基本原理为：电流/电压传感器对电网的电流或电压进行实时监测，控制器以实时监测数据为输入，计算谐波电流或电压目标量，输入到功率输出模块，使其输出与干扰电流幅值相同、相位相反的补偿电流，从而达到削弱谐波干扰的目的。出于提升有源电力滤波器谐波抑制效果、拓展工作频段、提升系统对外部扰动的鲁棒性等目的，有源电力滤波器的控制方法一直是该领域的关键技术和研究热点。
3.以应用较为广泛的三相交流电力系统使用的前馈式有源电力滤波器为例，主要基于三相电流瞬时无功功率理论，生成目标量信号驱动功率输出模块输出补偿信号抑制电网谐波，但前馈式控制方式本质上是开环控制系统，当控制器中信号处理过程存在较大延时或功率输出模块的相位特性非线性严重时，其谐波抑制效果将大打折扣。常用的方法是在有源电力滤波器调试阶段通过实验，反复调整控制参数，补偿其谐波监测-目标量计算-功率输出全过程的幅度、相位影响，可以一定程度提高谐波抑制效果并且防止振荡产生，但这种方法存在参数整定困难的问题。
4.有源电力滤波器的基本工作原理是将监测到的电网电流中的基频分量滤除，得到谐波分量，其控制器模块以谐波分量作为输入，生成目标量，再以目标量作为有源电力滤波器内部功率输出模块的输入，使功率输出模块产生与谐波分量幅值相等，相位相反的补偿电流注入电网，达到抑制谐波的目的，常见的前馈式有源电力滤波器基本工作原理框图如图1所示。干扰源产生干扰电流i1，有源电力滤波器内控制器模块对i1的实时监测信号进行分析，并且驱动功率输出模块产生补偿电流i2，当i2＝-i1时，则电流注入点之后的支路上的干扰电流i3＝i1+i2＝0。前馈式有源电力滤波器内的控制器模块，为了调整补偿电流i2，其控制方法主要包括：
5.(1)使用模拟或数字滤波器对电流传感器送来的电流时域监测信号进行处理，筛选出基频分量以外的谐波信号；
6.(2)使用傅里叶变换对电流传感器送来的电流时域监测信号进行处理，直接得到各次谐波分量的幅值。
7.以上两种方法均存在适用性有限的问题。若使用模拟或数字滤波器滤除基波成分，则滤波器自身相移特性会造成计算结果与实际谐波信号相位存在偏差，因此需要对滤波器的选频特性与相位特性进行折衷设计，难度很大；若使用傅里叶变换方法，则需要采集一定时间长度的数据再进行分析，存在实时性差的问题。
8.另一方面，即使得到了较精确的谐波目标量，将其作为有源电力滤波器功率输出
模块的输入信号，由于功率输出模块的幅度特性、相位特性影响，其实际输出的信号与目标量并不相等，会造成谐波抑制效果恶化，甚至增强谐波。综上，传统的前馈式有源电力滤波器控制方法需要综合考虑目标量计算实时性、准确性以及后续功率输出模块的幅频特性，精确理论计算非常困难，因此其设计时不能完全依赖理论计算，工程上通常需要通过实验，反复调整控制参数，补偿其谐波监测-目标量计算-功率输出全过程的幅度、相位影响。这种方法存在问题包括：(1)参数整定困难，耗时较长；(2)即使通过多次实验，将参数整定完毕，接入电网稳定工作时，由于缺乏反馈，其谐波抑制效果比较有限。


技术实现要素：

9.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出一种有源电力滤波器架构及控制方法，将谐波抑制效果量化值作为控制器的反馈输入，使用搜索算法调整输出电流控制参数，从而实现控制参数自动调整，又因其使用了反馈控制方法，谐波抑制效果较传统的前馈开环控制方法有较大提升。
10.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种有源电力滤波器架构，有源电力滤波器内部包括功率输出模块、加法器模块、可变增益放大模块、正交信号生成模块、搜索算法模块及谐波抑制效果量化指标计算模块，其中，有源电力滤波器与电网连接的补偿电流注入点后布置一个电流传感器；
11.所述谐波抑制效果量化指标计算模块，用于在有源电力滤波器向电网馈送补偿电流前，对由电流传感器获取的电流监测信号进行分析，找出待抑制的目标谐波频率，得到对各目标谐波频率的谐波抑制量化指标，将谐波抑制量化指标作为所述搜索算法模块的输入，以由所述搜索算法模块判断是否达到迭代终止条件；
12.所述正交信号生成模块，用于为每一个目标谐波频率生成一组频率为目标谐波频率，幅值为1的正交参考信号，然后通过所述可变增益放大模块对各组正交参考信号的幅值进行调制；
13.所述加法器模块，用于以调制后的正交参考信号之和为目标量驱动功率输出模块输出补偿电流并注入电网，与干扰电流合成后，在补偿电流注入点之后形成补偿后的电流；
14.补偿后的电流的实时监测信号作为有源电力滤波器的反馈输入，由谐波抑制效果量化指标计算模块计算谐波抑制效果量化指标，结果输入搜索算法模块，搜索算法模块以迭代更新方式调整正交参考信号的幅值，从而持续改变补偿电流的幅值和相位，每次迭代更新正交参考信号的幅值后，都重新计算谐波抑制效果量化指标，作为下一次迭代过程的输入，循环反复，谐波抑制效果量化指标在数次迭代过程中不断得到优化，当满足搜索算法终止条件时，正交参考信号的幅值调整完毕，干扰得到抑制。
15.按照本发明的另一方面，提供了一种有源电力滤波器的控制方法，包括：
16.(1)在有源电力滤波器向电网馈送补偿电流前，根据电流传感器获取的电流监测信号确定需要抑制的目标谐波频率fk，其中，目标谐波频率的个数大于等于1，k＝1,2......n，n目标谐波频率的个数；
17.(2)由搜索算法模块执行第一次迭代时l＝1，相应的第一代种群a
jkl
和b
jkl
记为a
jk1
和b
jk1
，a
jk1
和b
jk1
的生成方法为在用户设定的区间内生成m
×
n个随机分布的二维数组，其中，m为算法种群规模，j为搜索算法种群中的个体索引，j＝1,2......m，l＝1,2......r，r
为算法最大迭代次数；
18.(3)由正交信号生成模块对第1代种群中第1只个体生成n组正交信号p
1k1
(t)和q
1k1
(t)；
19.(4)将n组正交信号p
1k1
(t)和q
1k1
(t)之和作为目标量l
11
(t)，以l
11
(t)驱动功率输出模块输出补偿电流至电网，并采集电网上的谐波电流，将采集的时域电流信号记为s
11
(t),t∈[t1,t2]，其中，t1的取值是任意的，但t1时刻到t2时刻的时长应等于目标谐波频率所对应周期时长的最小公倍数的整数倍；
[0020]
(5)基于s
11
(t),t∈[t1,t2]，令k＝1,2......n，依次计算第1代种群中第1只个体对目标谐波频率成分fk的抑制效果量化指标r
1k1
，k＝1,2......n；
[0021]
(6)令j＝2,3......m，对第1代种群中其它m-1只个体，执行步骤(3)～步骤(5)，变量下标j由1替换为2,3......m，最终得到第1代种群中各个体对目标谐波频率为fk的谐波成分的抑制效果量化指标r
jk1
，j＝1,2......m，k＝1,2......n；
[0022]
(7)r
jk1
与设定的门限比较，如果满足算法终止条件，则算法提前终止，否则转入步骤(8)；
[0023]
(8)令l＝2，基于r
jk1
以及a
jk1
、b
jk1
，按照搜索算法流程，计算a
jk2
、b
jk2
，并且执行步骤(3)～步骤(7)，变量下标l由1替换为2，得到第2代种群中各个体对目标谐波频率为fk的谐波成分的抑制效果量化指标r
jk2
，j＝1,2......m，k＝1,2......n；
[0024]
(9)依次令l＝3,4......r，基于r
jk2
以及a
jk2
、b
jk2
，执行步骤(3)～步骤(8)，变量下标l依次替换为3,4......r，从而迭代计算出后续所有a
jkl
、b
jkl
的值，直到迭代次数达到算法门限r为止；
[0025]
(10)持续监测电网谐波状态，并对电流传感器采集的电流实时信号进行频域变换，并在满足条件时，重复步骤(1)～步骤(9)。
[0026]
在一些可选的实施方案中，步骤(3)包括：
[0027]
p
1k1
(t)＝a
1k1
sin 2πfkt，q
1k1
(t)＝b
1k1
cos 2πfkt，t为时间变量。
[0028]
在一些可选的实施方案中，l
11
(t)＝[p
111
(t)+q
111
(t)]+[p
121
(t)+q
121
(t)]+......+[p
1n1
(t)+q
1n1
(t)]。
[0029]
在一些可选的实施方案中，在一些可选的实施方案中，
[0030]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：采用搜索算法自动调整控制参数，无需通过反复实验整定控制参数，降低有源电力滤波器的调试难度；采用反馈控制方法，有源电力滤波器稳定工作时的谐波抑制效果较传统方法有较大提升。
附图说明
[0031]
图1是本发明实施例提供的一种应用较为广泛的前馈式有源电力滤波器工作原理图；
[0032]
图2是本发明实施例提供的一种有源电力滤波器架构；
[0033]
图3是本发明实施例提供的一种本发明控制方法流程图；
[0034]
图4是本发明实施例提供的一种未使用本发明前的电网谐波时域波形；
[0035]
图5是本发明实施例提供的一种未使用本发明前的电网谐波频谱分析结果；
[0036]
图6是本发明实施例提供的一种使用本发明后的电网谐波时域波形；
[0037]
图7是本发明实施例提供的一种使用本发明后的电网谐波频谱分析结果。
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0039]
本发明通过反馈方式自动调整相应控制参数，有效弥补了前馈式有源电力滤波器普遍存在的参数整定困难、谐波抑制效果有限等不足，可极大提升有源电力滤波器调试效率，适用于各类交、直流电网，以及对谐波抑制效果要求较高的场合。
[0040]
本发明提出一种有源电力滤波器架构及控制方法，其架构如图2所示。
[0041]
该架构中，有源电力滤波器内部包括功率输出模块、加法器模块、可变增益放大模块、正交信号生成模块、搜索算法模块、谐波抑制效果量化指标计算模块等，有源电力滤波器与电网连接的补偿电流注入点后布置一个电流传感器，用于有源电力滤波器开始工作前鉴别电网中的谐波频率成分，也用于将补偿之后的电流信号作为反馈量输入谐波抑制效果量化指标计算模块，该模块的输出作为搜索算法模块调整控制参数的依据。基于上述架构的有源电力滤波器工作基本原理为：
[0042]
(1)有源电力滤波器向电网馈送补偿电流前，对电流监测信号s(t)进行分析，找出待抑制的目标谐波频率fk；
[0043]
(2)针对每一个目标谐波频率fk，有源电力滤波器内部生成一组频率为fk，幅值为1的正交信号sin2πfkt和cos2πfkt，通过可变增益放大模块，将这组正交参考信号调制为aksin2πfkt和bkcos2πfkt；
[0044]
(3)以aksin2πfkt和bkcos2πfkt之和为目标量驱动功率输出模块输出补偿电流i2并注入电网，与干扰电流i1合成后，在补偿电流注入点之后形成补偿后的电流i3；
[0045]
(4)将补偿后的电流i3的实时监测信号s(t)作为有源电力滤波器的反馈输入，计算谐波抑制效果量化指标，结果输入搜索算法模块，搜索算法模块以迭代更新方式调整ak和bk的值，从而持续改变i2的幅值和相位，每次迭代更新ak和bk的值后，都重新计算谐波抑制效果量化指标，作为下一次迭代过程的输入。循环反复，谐波抑制效果量化指标在数次迭代过程中不断得到优化。当满足搜索算法终止条件时，ak和bk调整完毕，干扰得到抑制。
[0046]
基于上述基本工作原理，进一步提出一种基于谐波抑制效果实时评估的反馈式控制方法，在上述架构应用时，可通过多次迭代，自动完成ak和bk的调整。为更清晰描述本控制方法，将本发明中将用到的各变量说明如下：
[0047]
将ak和bk重新定义为a
jkl
、b
jkl
，a
jkl
、b
jkl
为搜索算法求解目标，即待优化的控制变量，下标j为搜索算法种群中的个体索引，下标k为目标谐波频率序号，下标l为算法迭代次数。若算法种群规模为m，目标谐波频率个数为n，算法最大迭代次数为r，则j＝1,2......m，
k＝1,2......n，l＝1,2......r。
[0048]
p
jkl
(t)为第l次迭代中，算法种群中第j只个体，产生的频率为fk的正弦信号；q
jkl
(t)为第l次迭代中，算法种群中第j只个体，产生的频率为fk的余弦信号；p
jkl
(t)与q
jkl
(t)构成一组正交信号。
[0049]
l
jl
(t)为第l次迭代中，算法种群中第j只个体，产生的所有频率为fk(k＝1,2......n)的正交信号之和；
[0050]sjl
(t)为以l
jl
(t)为目标量驱动功率输出模块产生补偿电流后，电流传感器对电网电流的监测信号；
[0051]rjkl
为第l次迭代中，算法种群中第j只个体，对频率为fk的谐波的抑制效果量化指标。
[0052]
基于以上变量定义，如图2所示，控制算法的具体步骤如下：
[0053]
(1)确定目标谐波频率
[0054]
有源电力滤波器向电网馈送补偿电流前，确定需要抑制的目标谐波频率，目标谐波频率的个数大于等于1。例如使用快速傅里叶变换等方法，对电流传感器采集的电流实时信号进行频域变换，在频域变换结果中筛选出幅值大于用户设置门限c0的频率成分并排序，按照频率从低到高记为f1,f2...fk...fn，这n个频率即为目标谐波频率。
[0055]
(2)种群初始化
[0056]
搜索算法执行第一次迭代时l＝1，相应的第一代种群a
jkl
、b
jkl
记为a
jk1
、b
jk1
。当算法种群规模为m，目标谐波个数为n时，a
jk1
、b
jk1
的生成方法为在用户设定的区间[c1,c2]内生成m
×
n个随机分布的二维数组。
[0057]
(3)生成正交信号
[0058]
对第1代种群中第1只个体(即l＝1，j＝1，k＝1,2......n时对应的a
jkl
和b
jkl
)生成n组正交信号，具体方法为：
[0059]
p
1k1
(t)＝a
1k1 sin2πfkt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]q1k1
(t)＝b
1k1 cos2πfkt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0061]
其中，k＝1,2......n，t为时间变量，π为圆周率。
[0062]
(4)驱动功率输出模块产生补偿电流并采集谐波抑制之后的电流信号将n组正交信号p
1k1
(t)和q
1k1
(t)之和作为目标量，即
[0063]
l
11
(t)＝[p
111
(t)+q
111
(t)]+[p
121
(t)+q
121
(t)]+......+[p
1n1
(t)+q
1n1
(t)]
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0064]
以l
11
(t)驱动功率输出模块输出补偿电流至电网，并采集电网上的谐波电流，将采集的时域电流信号记为s
11
(t),t∈[t1,t2]。其中，t1的取值是任意的，但t1时刻到t2时刻的时长应等于目标谐波频率f1,f2,...,fn所对应周期时长t1,t2...tn的最小公倍数的整数倍。
[0065]
(5)计算谐波抑制量化指标
[0066]
基于上一步骤得到的s
11
(t),t∈[t1,t2]，令k＝1,2......n，依次计算第1代种群中第1只个体对频率成分fk的抑制效果量化指标r
1k1
(k＝1,2......n)，具体计算方法为：
[0067]
[0068][0069][0070]
其中，k＝1,2......n。
[0071]
(6)计算种群中其它个体的谐波抑制量化指标
[0072]
令j＝2,3......m，对第1代种群中其它m-1只个体，执行与步骤(3)～步骤(5)相似的流程(变量下标j由1替换为2,3......m)，最终可得到第1代种群中各个体对目标谐波频率为fk的谐波成分的抑制效果量化指标r
jk1
(j＝1,2......m，k＝1,2......n)。
[0073]
(7)算法终止条件判断
[0074]rjk1
与用户设定的门限c3比较，如果满足算法终止条件，则算法提前终止，转入步骤(10)，否则转入下一步。
[0075]
(8)令l＝2，计算求解目标的值
[0076]
令l＝2，基于r
jk1
以及a
jk1
、b
jk1
，按照搜索算法流程，计算a
jk2
、b
jk2
，并且执行与步骤(3)～步骤(7)相似的流程(变量下标l由1替换为2)，得到第2代种群中各个体对频率为fk的谐波成分的抑制效果量化指标r
jk2
(j＝1,2......m，k＝1,2......n)。由于搜索算法(典型如粒子群算法、遗传算法或其改进算法等)均有公开算法流程，在此不再赘述各a
jk2
、b
jk2
(j＝1,2......m，k＝1,2......n)的计算过程。
[0077]
(9)令l＝3,4......r，计算求解目标的值
[0078]
依次令l＝3,4......r，基于r
jk2
以及a
jk2
、b
jk2
(j＝1,2......m，k＝1,2......n)，按照搜索算法流程，并执行与步骤(3)～步骤(8)相似的流程(变量下标l依次替换为3,4......r)，从而迭代计算出后续所有a
jkl
、b
jkl
(j＝1,2......m，k＝1,2......n，l＝3,4......r)的值，直到迭代次数达到算法门限r为止。此时参数自动调整过程完毕，a
jkl
、b
jkl
收敛为图1中的ak、bk(k＝1,2......n)，有源电力滤波器进入谐波抑制稳定状态。
[0079]
(10)持续监测电网谐波状态，并对电流传感器采集的电流实时信号进行频域变换，当因电网工况变化导致阻抗变化，从而使谐波抑制效果恶化时，例如发现某谐波分量幅值超过用户设定门限c4时，触发参数重新调整机制，即重复步骤(1)～步骤(9)。
[0080]
下面通过实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。
[0081]
本实施例中电网是一个直流电网，存在1khz、2khz、3khz、8khz、12khz共5种交流谐波成分，有源电力滤波器内部的加法器模块、可变增益放大模块、正交信号生成模块、搜索算法模块、谐波抑制效果量化指标计算模块均以软件形式固化入以fpga为核心的信号处理电路板中；功率输出模块采用基于spwm的全桥逆变电路实现；以罗氏线圈作为电网电流传感器。
[0082]
fpga内部控制方法使用粒子群算法，算法终止条件为迭代50次或在此之前发现某一代中r
jkl
小于门限值c3＝0.8；算法种群规模设置为m＝10，即每一代种群中都包括10只个体。
[0083]
具体实施过程为：
[0084]
(1)在有源电力滤波器启动前，对电网的电流谐波采样并进行傅里叶变换后得到
的结果如图3所示，在判断目标谐波时，查找幅值超过用户设置门限c0＝1的谐波成分作为目标谐波，即幅值超过1安培的谐波均为要抑制的目标谐波，由图3可知，满足要求的目标谐波频率为1khz、2khz、3khz、8khz，因此目标谐波个数n＝4，这4个谐波的幅值分别为21.92安培、8.14安培、4.154安培、2.09安培。上述4个谐波频率的周期的最小公倍数为1khz频率成分的周期，即1毫秒，将1毫秒作为谐波抑制量化指标计算式(式4、式5)中的积分时间。
[0085]
(2)生成10
×
4个随机数组作为搜索算法的种群初始值，随机数上下限参数设置为c1＝-90，c2＝90。因此随机数组满足区间[-90，90]的均匀分布，本实施例中，种群初始值如表1所示。
[0086]
表1第1次迭代时使用的种群初始值
[0087][0088]
(3)根据式(1)和式(2)，基于上述目标频率及种群初始值，生成10
×
4组正交信号。
[0089]
(4)根据式(3)，计算l＝1，j＝1、2......10时各个目标量l
jl
(t)，并依次驱动功率放大级输出补偿电流，同时记录谐波抑制结果时域波形s
jl
(t)，每次记录时长为1毫秒。
[0090]
(5)根据式(4)～式(6)，以s
jl
(t)(l＝1，j＝1、2......10)为输入计算当前种群对各次谐波的抑制效果量化指标r
jkl
，结果如表2所示。显然，表2中每一行数据代表种群中某只个体(即某组a
jkl
、b
jkl
)对各频率谐波的抑制效果，每一列数据代表种群中各个体对于同一谐波成分的抑制效果。实际上表2中各r
jkl
具有明确物理意义，即表征了经谐波抑制处理后的电网电流的1毫秒采样信号中，残余谐波成分的幅值，显然该值越小代表谐波抑制效果越好。
[0091]
表2第1次迭代时计算出的谐波抑制量化指标
[0092]
[0093]
(6)将表2中的r
jkl
与用户设定的门限c3＝0.8比较，可见目前没有一行数据满足同时小于c3的条件，故算法不满足终止条件，转入步骤(7)。
[0094]
(7)基于表1和表2中的数据，得到l＝2时的a
jkl
、b
jkl
，如表3所示。此时种群对各次谐波的抑制效果量化指标r
jkl
，如表4所示。
[0095]
表3第2次迭代时的种群值
[0096][0097][0098]
表4第2次迭代时计算出的谐波抑制量化指标
[0099][0100]
(8)将表4中的r
jkl
与用户设定的门限c3＝0.8比较，可见目前没有一行数据满足同时小于c3的条件，故算法不满足终止条件，转入步骤(9)。
[0101]
(9)重复步骤(3)到步骤(8)，当l＝41，即迭代第41次时，得到的a
jkl
、b
jkl
值如表5所示，其谐波抑制效果量化指标如表6所示，可见此时第7只个体对所有4个谐波频率成分的抑制效果量化值r
jkl
均小于门限0.8，搜索算法满足终止条件，算法提前结束，将表5中第7只个体对应的值作为控制参数最优解。此时有源电力滤波器进入稳定工作状态，谐波抑制效果的时域和频域波形如图6、图7所示。
[0102]
表5第41次迭代时的种群值
[0103]
[0104][0105]
表6第41次迭代时计算出的谐波抑制量化指标
[0106][0107]
比较图4和图6，比较图5与图7中各谐波的幅值可知，有源电力滤波器进入谐波稳定抑制状态后，1khz频率成分幅值降低了22.28db；2khz频率成分幅值降低了24.82db；3khz频率成分幅值降低了20.04db；8khz频率成分幅值降低了16.03db。
[0108]
(10)持续监测电网谐波状态，并对电流传感器采集的电流实时信号进行频域变换，在此实施例中，将门限c4设置为5安培，当发现监测到某频率的谐波幅值大于5安培时，即认为电网参数发生变化，谐波抑制效果恶化，此时触发参数重新调整机制，返回步骤(1)。
[0109]
以上所述为本发明的较佳实施例，旨在阐述本发明的典型实现方案及工作流程，然而由于控制算法实现方法、电力电子器件的多样性，本发明的实现方法亦具有较大灵活性，因此本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，例如，将实施例中的某些功能模块进行合并和拆分、变更功能模块的软硬件形态、对某些功能模块及算法流程进行局部改动以增强其功能等措施，都落入本发明保护的范围。