模块化多机并联式大功率APF控制系统和实现方法

摘要

本发明公开了一种模块化多机并联式大功率APF的控制系统和实现方法，利用上下层控制器的协调配合以期达到合理分配补偿容量以及提高补偿精度的效果；上层控制器负责对各功率模块进行协调与投切控制，包括按照负载需求对需要投入的功率模块数量进行运算和监测、对功率模块按照规则进行编号、应用载波相移来消除开关次谐波等；下层控制器负责接收来自上层控制器的补偿指令和前一序号控制器的同步信号，并将功率模块的状态信息反馈回上层控制器。本发明合理分配了功率模块的补偿容量以及控制系统上下层的运算量，能够使整个系统稳定有序的运行，避免因某台功率模块出现故障而导致整个系统停机，具有很好的可行性和实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模块化多机并联式大功率APF控制系统和实现方法，属于电力电子 应用技术。

背景技术

自从二十世纪二三十年代，德国人使用的汞弧整流器在电网中产生了较为明显的电 压电流畸变，谐波问题才受到人们的重视。谐波来源于具有非线性特性的电气设备，小 部分由电网中的变压器、电抗器等产生，主要有以下五类：①电力电子装置，②电气化 铁路，③工业电弧装置，④配电网中的变压器、电抗器，⑤居民建筑用电。

由于传统无源滤波器的不足，再加上电力电子技术、控制理论和数字信号处理技术 的发展，有源电力滤波器的理论被提出并且逐渐在工程上实现。常规并联型功率模块的 原理是从负载电流中提取谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等，相位相反 补偿电流，从而使得电网侧电流正弦化。由于功率半导体的容量和价格不是成比例增长 的，而是以指数曲线增长，对于单台有源电力滤波器的容量限制问题，为了达到一定的 补偿效果，其开关频率不能太低，因而损耗较大，导致可发出的功率减少，而降低开关 频率直接影响补偿效果。

为了解决大功率的功率模块设计困难，目前有几种方案：①将开关速度较快但是容 量小的器件串并联；②多电平方案；③多机并联。第一种方案可以让设备的拓扑和控制 完全不变，但是存在串并联器件无法完全导通的问题，这个问题制约了该种方法的推广。 第二种方法适用于中高压并网问题。第三种方法是目前工业现场用的较多的一种形式。 如果使用分次补偿的方法，即把滤波任务按频谱分配给各个功率模块，各个模块的参数 不尽相同，按照补偿频谱分配和负载谐波特性来设计功率模块参数。当一台发生故障时， 会影响整个系统的运行；当负载谐波变化较大的时候，不易于扩展和维护。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模块化多机并联式大 功率APF控制系统和实现方法，能够使得整个系统稳定可靠地运行，实现对低压大电 流谐波污染源的有效治理。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种模块化多机并联式大功率APF控制系统，包括上层控制器和多机全补偿单元， 所述多机全补偿单元由若干并联的功率模块构成，所述功率单元包括下层控制器和三相 三线制PWM交流器；利用上下层数据协调方法实现上层控制器和下层控制器之间的数 据交换，上下层数据协调方法包括谐波数据的接收和载入，该方法可以减少数字系统延 迟；

所述上层控制器根据电网侧电压信号和负载侧电流信号形成补偿指令电流，并下发 至各功率模块的下层控制器，对各个功率模块进行协调与投切控制，具体包括根据负载 需求对需要投入的功率模块的数量进行运算和监测、对功率模块进行编号、分组和应用 载波相移消除开关次谐波；

所述下层控制器接收来自上层控制器的补偿指令、接收前一个下层控制器发出的同 步信号和/或向下一个下层控制器发出同步信号，生成PWM脉冲，并向上层控制器反馈 所属功率模块的状态信息，所述功率模块的状态信息包括补偿电流有效值、直流侧电压 值和故障状态信息。

优选的，对需要投入运行的功率模块按照4个功率模块为一组进行编号，同一组的 四个功率模块编号分别为1～4；

所述上层控制器包括采样系统自检模块、谐波检测模块、实时数据下发模块、协调 控制模块、投切控制模块、上下层数据协调模块和人机交互模块，其中：

所述采样系统自检模块，用于开机检测采样系统的正确性；

所述谐波检测模块，用于检测负载侧电流，生成用于补偿全频段的补偿指令电流信 号；

所述实时数据下发模块，用于向下层控制器发送指令、同步各功率模块的补偿电流；

所述协调控制模块，用于根据负载需求对需要投入的功率模块的数量进行运算、监 测以及编号，并向每组功率模块的第一台功率模块发送同步触发信号；

所述投切控制模块，用于对控制系统进行投切控制；

所述上下层数据协调模块，用于协调上层控制器和下层控制器件的数据交换；

所述人机交互模块，用于人为向该控制系统发出指令或显示该控制系统状态；

所述下层控制器包括直流侧电压稳压控制模块、电流内环跟踪控制模块、载波信号 同步模块、SVPWM调制模块、过流过压保护模块、故障保护模块和状态回馈模块，其 中：

所述直流侧电压稳压控制模块，用于闭环控制直流电压；

所述电流内环跟踪控制模块，用于比较补偿指令电流和桥臂电流以生成占空比；

所述载波信号同步模块，由同一组功率模块中的第一台功率模块开始发出载波同步 信号，由上一个编号的功率模块向下一个编号的功率模块发出，用来同步整个控制系统 里各功率模块的载波；所述同一组功率模块的编号顺序为1、2、3、4循环；

所述SVPWM调制模块，根据占空比发出脉冲信号，使PWM整流器生成谐波电流；

所述过流过压保护模块，用于监测功率模块的直流侧电压、桥臂电流峰值和有效值 不超过阈值；

所述故障保护模块，用于监测功率半导体驱动的故障信号；

所述状态回馈模块，用于将功率模块的状态信息反馈给上层控制器，所述功率模块 的状态信息包括补偿电流有效值、直流侧电压值和故障状态信息。

优选的，所述下层控制器和下层控制器之间、下层控制器和上层控制器之间均通过 光纤连接。

一种模块化多机并联式大功率APF控制系统的实现方法，包括：

（1）根据负载需求对需要投入的功率模块的数量进行运算与监测：设负载电流为 I_Lh，每台功率模块的额定补偿电流为I_APF，选取需要投入的功率模块的数量为k+1， 使得

kI_APF≤I_Lh≤(k+1)I_APFk；

当负载需求发生变化或下层控制器故障切机时，上层控制器实时更新I_Lh值，并重 新计算上式；

（2）对功率模块进行编号：对需要投入运行的功率模块按照4个功率模块为一组 进行编号，同一组的四个功率模块编号分别为1～4，不需要投入运行的功率模块编号统 一为0；向各功率模块下发编号和投入命令，收到投入命令的、编号不为0的功率模块 先根据编号进行载波同步，再启动运行状态；

（3）应用载波相移消除开关次谐波：编号为1的功率模块相位角为0°，编号为2 的功率模块相位角为180°，编号为3的功率模块相位角为90°，编号为4的功率模块 相位角为270°；每个周期开始时，由同一组功率模块中的第一台功率模块开始发出载 波同步信号，由上一个编号的功率模块向下一个编号的功率模块发出，同步其他各功率 模块的载波；所述同一组功率模块的编号顺序为1、2、3、4循环；

（4）投切控制，包括投运策略和切机策略：

所述投运策略为：①某个功率模块需要投入运行时，都必须向上层控制器发出请求， 只有得到许可，该功率模块才能投入运行，此时上层控制器需要对各台功率模块重新编 号和更新均流系数；②功率模块收到许可信号之后，需要首先闭合接触器，整流升压至 额定值，然后向上层控制器发出就绪信号，上层控制器按接收到的就绪信号的时间顺序， 首先对最早发出就绪信号的功率模块进行编号处理，直至处理结束后再处理下一个发出 就绪信号的功率模块；③当所有指定的功率模块都已经就绪的时候，上层控制器下达补 偿指令，指定的功率模块收到补偿指令之后开始补偿并向上层控制器反馈功率模块的状 态信息；④上层控制器完成补偿指令下达后，继续监测电网侧电压信号和负载侧电流信 号；

所述切机策略为：①当功率模块检测到自身故障的时候，先切机然后再把故障信息 发回上层控制器，上层控制器通过人机交互系统把故障信号反馈至上位机，再根据投运 策略将新的功率模块投入运行以替代故障设备；②如果上层控制器检测到负载减小，已 运行的功率模块数量已经超过负载所需的功率模块数量，那么将会向多余的功率模块发 送切机信号，功率模块收到切机信号之后切离出系统，并把切机信息发回上层控制器， 上层控制器对剩下的功率模块重新编号；

（5）上下层数据协调：载波同步信号触发时，上层控制器采集负载侧电流信号并 计算谐波数据，立即下发到各下层控制器；同时，各下层控制器中断等待数据下发，生 成PWM脉冲，并在下一个波峰或波谷时载入，各功率模块数字化延迟半拍或者1/4拍。

所述（5）中，若上层控制器载波与编号为1的功率模块载波一致，上层控制器在 波谷时载入调制波数据，那么：编号为1的功率模块在波峰时载入调制波数据，延迟半 拍；编号为2的功率模块在波谷时载入调制波数据，延迟半拍；编号为3的功率模块在 波谷时载入调制波数据，延迟1/4拍；编号为4的功率模块在波峰时载入调制波数据， 延迟1/4拍。

有益效果：本发明提供的模块化多机并联式大功率APF控制系统和实现方法，相 比较现有技术，存在如下优点：

1、扩展性强，每个功率模块用两根光纤与上层控制器相连，任一台功率模块与前 后编号的功率模块各用一根光纤互联，起到载波同步的作用，大大减小了上层控制器的 负担；

2、稳定性好，不会因为某台功率模块的故障而使得整个控制系统停机，即使上层 控制器发生故障时也可以启动备用控制，大大提高了控制系统的可靠性；

3、由于谐波数据是上层控制器统一计算并下发的，大大减少了下层控制器的运算 量；

4、适合热拔插，易于扩展；

5、采用载波相移技术，可以有效抑制输出补偿电流的波纹。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为下层控制器的结构示意图；

图3为本发明方法的流程示意图；

图4为功率模块编号规则示意图；

图5为载波信号同步规则示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，为一种模块化多机并联式大功率APF控制系统，包括上层控制器和 多机全补偿单元，所述多机全补偿单元由若干并联的功率模块构成，所述功率单元包括 下层控制器和三相三线制PWM交流器；利用上下层数据协调方法实现上层控制器和下 层控制器之间的数据交换，上下层数据协调方法包括谐波数据的接收和载入，该方法可 以减少数字系统延迟；

所述上层控制器根据电网侧电压信号和负载侧电流信号形成补偿指令电流，并下发 至各功率模块的下层控制器，对各个功率模块进行协调与投切控制，具体包括根据负载 需求对需要投入的功率模块的数量进行运算和监测、对功率模块进行编号、分组和应用 载波相移消除开关次谐波；

所述下层控制器接收来自上层控制器的补偿指令、接收前一个下层控制器发出的同 步信号和/或向下一个下层控制器发出同步信号，通过采集三相电压信号和桥臂电流信号 生成PWM脉冲，并向上层控制器反馈所属功率模块的状态信息，所述功率模块的状态 信息包括补偿电流有效值、直流侧电压值和故障状态信息。

低压大电流谐波负载由多个功率模块并机补偿，按照功率平均分配的原则，以4台 功率模块为一组，组内使用载波相移技术减小流入电网的纹波；对需要投入运行的功率 模块按照4个功率模块为一组进行编号，同一组的四个功率模块编号分别为1～4；

如图1所示，所述上层控制器包括采样系统自检模块、谐波检测模块、实时数据下 发模块、协调控制模块、投切控制模块、上下层数据协调模块和人机交互模块，其中：

所述采样系统自检模块，用于开机检测采样系统的正确性；

所述谐波检测模块，用于检测负载侧电流，生成用于补偿全频段的补偿指令电流信 号；

所述实时数据下发模块，用于向下层控制器发送指令、同步各功率模块的补偿电流；

所述协调控制模块，用于根据负载需求对需要投入的功率模块的数量进行运算、监 测以及编号，并向每组功率模块的第一台功率模块发送同步触发信号；

所述投切控制模块，用于对控制系统进行投切控制；

所述上下层数据协调模块，用于协调上层控制器和下层控制器件的数据交换；

所述人机交互模块，用于人为向该控制系统发出指令或显示该控制系统状态；

如图2所示，所述下层控制器包括直流侧电压稳压控制模块、电流内环跟踪控制模 块、载波信号同步模块、SVPWM调制模块、过流过压保护模块、故障保护模块和状态 回馈模块，其中：

所述直流侧电压稳压控制模块，用于闭环控制直流电压；

所述电流内环跟踪控制模块，用于比较补偿指令电流和桥臂电流以生成占空比；

所述载波信号同步模块，由同一组功率模块中的第一台功率模块开始发出载波同步 信号，由上一个编号的功率模块向下一个编号的功率模块发出，用来同步整个控制系统 里各功率模块的载波；所述同一组功率模块的编号顺序为1、2、3、4循环；

所述SVPWM调制模块，根据占空比发出脉冲信号，使PWM整流器生成谐波电流；

所述过流过压保护模块，用于监测功率模块的直流侧电压、桥臂电流峰值和有效值 不超过阈值；保证功率模块安全运行，防止故障恶化；

所述故障保护模块，用于监测功率半导体驱动的故障信号；

所述状态回馈模块，用于将功率模块的状态信息反馈给上层控制器，所述功率模块 的状态信息包括补偿电流有效值、直流侧电压值和故障状态信息。

所述下层控制器和下层控制器之间、下层控制器和上层控制器之间均通过光纤连 接，提高信号传输的效率，保证同步载波信号的质量。

一种模块化多机并联式大功率APF控制系统的实现方法，包括：

（1）根据负载需求对需要投入的功率模块的数量进行运算与监测：设负载电流为 I_Lh，每台功率模块的额定补偿电流为I_APF，选取需要投入的功率模块的数量为k+1， 使得

kI_APF≤I_Lh≤(k+1)I_APFk；

当负载需求发生变化或下层控制器故障切机时，上层控制器实时更新I_Lh值，并重 新计算上式；

（2）对功率模块进行编号：对需要投入运行的功率模块按照4个功率模块为一组 进行编号，同一组的四个功率模块编号分别为1～4，不需要投入运行的功率模块编号统 一为0；向各功率模块下发编号和投入命令，收到投入命令的、编号不为0的功率模块 先根据编号进行载波同步，再启动运行状态；

（3）应用载波相移消除开关次谐波：编号为1的功率模块相位角为0°，编号为2 的功率模块相位角为180°，编号为3的功率模块相位角为90°，编号为4的功率模块 相位角为270°；每个周期开始时，由同一组功率模块中的第一台功率模块开始发出载 波同步信号，由上一个编号的功率模块向下一个编号的功率模块发出，同步其他各功率 模块的载波；所述同一组功率模块的编号顺序为1、2、3、4循环；

（4）投切控制，包括投运策略和切机策略：

所述投运策略为：①某个功率模块需要投入运行时，都必须向上层控制器发出请求， 只有得到许可，该功率模块才能投入运行，此时上层控制器需要对各台功率模块重新编 号和更新均流系数；②功率模块收到许可信号之后，需要首先闭合接触器，整流升压至 额定值，然后向上层控制器发出就绪信号，上层控制器按接收到的就绪信号的时间顺序， 首先对最早发出就绪信号的功率模块进行编号处理，直至处理结束后再处理下一个发出 就绪信号的功率模块；③当所有指定的功率模块都已经就绪的时候，上层控制器下达补 偿指令，指定的功率模块收到补偿指令之后开始补偿并向上层控制器反馈功率模块的状 态信息；④上层控制器完成补偿指令下达后，继续监测电网侧电压信号和负载侧电流信 号；

所述切机策略为：①当功率模块检测到自身故障的时候，先切机然后再把故障信息 发回上层控制器，上层控制器通过人机交互系统把故障信号反馈至上位机，再根据投运 策略将新的功率模块投入运行以替代故障设备；②如果上层控制器检测到负载减小，已 运行的功率模块数量已经超过负载所需的功率模块数量，那么将会向多余的功率模块发 送切机信号，功率模块收到切机信号之后切离出系统，并把切机信息发回上层控制器， 上层控制器对剩下的功率模块重新编号；

（5）上下层数据协调：载波同步信号触发时，上层控制器采集负载侧电流信号并 计算谐波数据，立即下发到各下层控制器；同时，各下层控制器中断等待数据下发，生 成PWM脉冲，并在下一个波峰或波谷时载入，各功率模块数字化延迟半拍或者1/4拍。

所述（5）中，若上层控制器载波与编号为1的功率模块载波一致，上层控制器在 波谷时载入调制波数据，那么：编号为1的功率模块在波峰时载入调制波数据，延迟半 拍；编号为2的功率模块在波谷时载入调制波数据，延迟半拍；编号为3的功率模块在 波谷时载入调制波数据，延迟1/4拍；编号为4的功率模块在波峰时载入调制波数据， 延迟1/4拍。

每组功率模块的第一台功率模块发出同步信号以后，则向上层控制器请求谐波数 据，上层控制器采集负载电流、运算谐波电流并下发至下层控制器，下层控制器读取谐 波数据生成调制波并把数据在下一周期的波峰或者波谷时载入，形成的PWM脉冲产生 补偿电流到电网。控制系统开机先检测系统采样的正确性，通过计算负载谐波电流有效 值来确定投入功率模块数量，在线更新均流系数之后，把负载谐波平均下发给正在运行 的功率模块。如果负载变动或者功率模块故障，那么上层控制器会及时更新均流系数来 确保运行效率。

如图3所示，为基于本发明的一中具体实现方法示意图，控制系统开机后，谐波检 测模块采集3～5个周期的谐波电流并计算其有效值I_Lh，以此来判断所需功率模块的数 量，之后按需要进行功率模块编号，1～4，编号顺序从靠近负载的开始，不需要运行的 功率模块的标号为0，然后判断目前运行的数量是否符合上一步的编号情况，最后实时 更新载波相移。

图4示例了功率模块的编号规则，整个系统共8台功率模块，从发展侧开始计数， 第二台故障停机，第八台备用，6台运行，依次以1～4编号，各台功率模块的初始相位 为：1号0°，2号180°，3号9°，4号270°；使用载波相移技术抵消开关次谐波。

图5示例了载波同步点和载入调制值的点。载波同步信号在波谷触发时，上层控制 器采集负载电流并计算谐波数据，立即下发到所述下层控制器；同时各下层控制器中断 等待数据下发，生成调制值，并在下一个波峰时载入，功率模块数字化延迟半拍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。