本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种多模块有源电力滤波器控制方法。
背景技术：
随着现代工业技术的发展，用电设备的飞速电力电子化，配电系统中应用了越来越多的非线性负载。这些非线性负载给人们提供了丰富、功能强大的用电设备的同时，会产生大量的谐波电流，引起输、配电系统中一系列电能质量问题。如系统谐振、电压波形畸变、占用额外的系统容量、产生额外的损耗等。有源电力滤波器是治理电网谐波电流的一种有效的装置。
目前，有源电力滤波器装置越来越趋向于模块化设计，标准化生产，单位容量的模块并联组成更大容量的整机设备。目前的多模块并联的控制方法为每个模块的输出电流分配为平均分配，且为开环控制，由于每个模块都必然在采样、计算和输出环节存在不一致性，导致每个模块的出力并不是完全相等的，存在出力不均衡的情况。此时，就会必然导致补偿效果的下降。此外，现有的多模块并联运行装置不论负荷大小，总是同时投入运行，这样会造成装置容量和寿命的浪费，需要一种根据负荷大小自动的投入合适数量模块的方法以提高整机的稳定性和使用寿命。
技术实现要素：
针对上述问题中的至少之一，本发明提供了一种多模块有源电力滤波器控制方法，在传统的多模块有源电力滤波器控制方法的基础上，基于负载电流有效值和补偿电流有效值，添加额外的容量分配和启停控制算法环节，在不增加设备硬件成本的情况下，实现多个模块有源电力滤波器的启动和停止以及各个模块输出电流根据负载的大小自动分配的功能，尽可能保证每个有源电力滤波器模块工作在合理的容量范围区间，从而便捷的实现整个系统输出和启停电流的控制，提高了补偿精度效果，延长了整套系统的使用寿命，提高了稳定性、降低了故障率。
为实现上述目的，本发明提供了一种多模块有源电力滤波器控制方法，包括：检测负载电流有效值，根据所述负载电流与预设负载电流阈值的大小关系和持续时间，启动或停止有源电力滤波器模块的运行；根据预设的容量分配策略分配所述有源电力滤波器模块的输出电流，并计算运行的所述有源电力滤波器模块的运行负载率；根据所述运行负载率与预设期望负荷率上限和预设期望负荷率下限的大小关系以及持续时间，启动或停止所述有源电力滤波器模块的运行。
在上述技术方案中，优选地，多模块有源电力滤波器控制方法具体包括：检测负载电流有效值，当判断所述负载电流持续低于预设负载电流阈值达到预设第一持续时间时，将所有有源电力滤波器模块停机；当判断所述负载电流持续超出所述预设负载电流阈值达到预设第一持续时间时没有所述有源电力滤波器模块运行，将所述有源电力滤波器模块启动；当判断所述负载电流持续超出所述预设负载电流阈值达到预设第一持续时间时存在运行的所述有源电力滤波器模块，根据预设的容量分配策略分配各个所述有源电力滤波器模块的输出电流，并计算运行的所述有源电力滤波器模块的运行负载率；判断所述运行负载率与预设期望负荷率上限和预设期望负荷率下限的大小关系；当所述运行负载率持续大于所述预设期望负荷率上限达到预设第二持续时间时，判断是否还有所述有源电力滤波器模块没有启动运行，若有则启动一个新的所述有源电力滤波器模块；当所述运行负载率持续小于所述预设期望负荷率下限达到所述预设第二持续时间时，判断是否还有两个以上的所述有源电力滤波器模块没有停止运行，若有则停止一个所述有源电力滤波器模块；当所述运行负载率持续小于所述预设期望负荷率上限且大于所述预设期望负荷率下限达到预设第三持续时间时，启动未运行的所述有源电力滤波器模块替换运行的所述有源电力滤波器模块。
在上述技术方案中，优选地，所述计算运行的所述有源电力滤波器模块的运行负载率具体为：以所有运行的所述有源电力滤波器模块的输出电流有效值除以所有运行的所述有源电力滤波器模块的容量之和，得到所述运行负载率。
在上述技术方案中，优选地，所述预设期望负荷率上限和所述预设期望负荷率下限根据所述有源电力滤波器模块的功率器件容量预先设定，所述预设期望负荷率上限和所述预设期望负荷率下限代表所述有源电力滤波器模块最佳的输出容量比例。
在上述技术方案中，优选地，所述预设的容量分配策略为：根据负载总的负载谐波电流，按照每个所述有源电力滤波器模块各自功率器件容量的加权平均系数输出补偿电流，各个所述有源电力滤波器模块的功率器件容量允许存在差异。
在上述技术方案中，优选地，根据所述运行负载率与预设期望负荷率上限和预设期望负荷率下限的大小关系以及持续时间，启动或停止所述有源电力滤波器模块的运行过程中，所述有源电力滤波器模块的启动和停止按照先入先出堆栈的操作进行。
在上述技术方案中，优选地，所述预设第一持续时间和所述预设第二持续时间按照所述有源电力滤波器模块投切接触器的投切寿命以及负荷波动的时间周期规律进行设定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：基于负载电流有效值和补偿电流有效值，添加额外的容量分配和启停控制算法环节，在不增加设备硬件成本的情况下，实现多个模块有源电力滤波器的启动和停止以及各个模块输出电流根据负载的大小自动分配的功能，尽可能保证每个有源电力滤波器模块工作在合理的容量范围区间，从而便捷的实现整个系统输出和启停电流的控制，提高了补偿精度效果，延长了整套系统的使用寿命，提高了稳定性、降低了故障率。
附图说明
图1为现有的多模块有源电力滤波器的工作原理示意图；
图2.1为未采用有源电力滤波器补偿的电网电压电流信号示意图；
图2.2为采用有源电力滤波器补偿的电网电压电流信号示意图；
图3为本发明一种实施例公开的多模块有源电力滤波器补偿电流分配策略的逻辑示意图；
图4为本发明实施例一公开的多模块有源电力滤波器控制方法的流程示意图；
图5为本发明实施例二公开的多模块有源电力滤波器控制方法的流程示意图；
图6为本发明实施例三公开的多模块有源电力滤波器控制方法的流程示意图；
图7.1和7.2为本发明根据负载电流变化控制整套装置启停的趋势波形示意图；
图7.3和7.4为本发明根据负载谐波电流变化控制不同模块启停的趋势波形示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示为现有的多模块有源电力滤波器工作示意图。n个有源电力滤波器模块并联接在电网与负荷之间，图中ig表示电网电流，il表示负荷电流，if表示负荷电流的基波分量，ih表示谐波分量，i1到in表示各个模块的补偿输出电流，在理想条件下，i1 i2 …in＝ih，这样在电网侧就只有基波电流if。当负荷为非线性负载时，负荷电流il中会含有大量的谐波电流分量，这些谐波电流分量会影响供电质量与供电安全。
如图2.1所示，当有源电力滤波器未开启时，则电网电流与负荷电流完全一致。如图2.2所示，当有源电力滤波器开启后，有源电力滤波器向电网中注入与负载中的谐波电流大小相等，相位相反的谐波电流，以抵消负荷中原有的谐波电流。当开启有源电力滤波器后，负载中的谐波电流得到了滤除，电流波形的畸变得到了改善。
如图3所示，多个有源电力滤波器模块，共同分担负荷含有的全部谐波电流分量，每个模块按照各自容量的加权平均系数来进行补偿，首先计算出所有正常投入运行的模块额定容量之和为ca，每个模块的补偿系数为
由此可见，每个模块补偿的电流系数与正常运行的模块容量之和以及其本体额定容量有关，且满足∑kn＝1，且当负荷发生变化时，每个模块都根据其系数和负载谐波电流的乘积作为指令进行补偿。但当负荷的谐波含量远远小于模块容量之和时，会导致每个模块都输出极小的补偿电流，由于整个设备中每个模块包含采样、计算以及输出控制等环节的精度和效率在小电流补偿时较差，导致此时每个模块的运行处在非理想状态，整机运行效果也较差。
实施例一：
如图4所示，根据本发明提供的一种多模块有源电力滤波器控制方法，包括：检测负载电流有效值，根据负载电流与预设负载电流阈值的大小关系和持续时间，启动或停止有源电力滤波器模块的运行；根据预设的容量分配策略分配有源电力滤波器模块的输出电流，并计算运行的有源电力滤波器模块的运行负载率；根据运行负载率与预设期望负荷率上限和预设期望负荷率下限的大小关系以及持续时间，启动或停止有源电力滤波器模块的运行。
在上述实施例中，优选地，多模块有源电力滤波器控制方法具体包括：
1)设定多模块有源电力系统的有源电力滤波器模块组成个数n；
2)设定期望的多模块有源滤波器系统平均负荷率的预设期望负荷率上限n2_u和预设期望负荷率下限n2_d；
3)设定期望的模块投切的时间间隔预设第二持续时间t2；
4)设定期望的多模块有源滤波器系统需要启动运行的预设负载电流阈值n1；
5)设定期望的整机停机或启动的检测时间间隔预设第一持续时间t1；
6)检测负载电流有效值，当判断负载电流持续低于预设负载电流阈值n1达到预设第一持续时间t1时，将所有有源电力滤波器模块停机；
7)当判断负载电流持续超出预设负载电流阈值n1达到预设第一持续时间t1时没有有源电力滤波器模块运行，将有源电力滤波器模块启动；
8)当判断负载电流持续超出预设负载电流阈值达到预设第一持续时间t1时存在运行的有源电力滤波器模块，根据预设的容量分配策略分配各个有源电力滤波器模块的输出电流；
9)计算运行的有源电力滤波器模块的运行负载率η，判断运行负载率η与预设期望负荷率上限n2_u和预设期望负荷率下限n2_d的大小关系；
10)当运行负载率η持续大于预设期望负荷率上限n2_u达到预设第二持续时间t2时，判断是否还有有源电力滤波器模块没有启动运行，若有则启动一个新的有源电力滤波器模块；
11)当运行负载率η持续小于预设期望负荷率下限n2_d达到预设第二持续时间t2时，判断是否还有两个以上的有源电力滤波器模块没有停止运行，若有则停止一个有源电力滤波器模块；
12)当运行负载率η持续小于预设期望负荷率上限n2_u且大于预设期望负荷率下限n2_d达到预设第三持续时间t3时，启动一个未运行的有源电力滤波器模块替换一个运行的有源电力滤波器模块；
13)返回至步骤1)，循环检测。
在上述实施例中，优选地，计算运行的有源电力滤波器模块的运行负载率η具体为：以所有运行的有源电力滤波器模块的输出电流有效值除以所有运行的有源电力滤波器模块的容量之和，得到运行负载率η。
在上述实施例中，优选地，预设期望负荷率上限n2_u和预设期望负荷率下限n2_d根据有源电力滤波器模块的功率器件容量预先设定，预设期望负荷率上限n2_u和预设期望负荷率下限n2_d代表有源电力滤波器模块最佳的输出容量比例。一般的，当有源电力滤波器模块的输出电流运行负载率η满足n2_d<η<n2_u时，是该有源电力滤波器模块的理想的输出负荷率。
在上述实施例中，优选地，预设的容量分配策略为：根据负载总的负载谐波电流，按照每个有源电力滤波器模块各自功率器件容量的加权平均系数输出补偿电流，各个有源电力滤波器模块的功率器件容量允许存在差异，可以相等，也可以不相等。
在上述实施例中，优选地，根据运行负载率η与预设期望负荷率上限n2_u和预设期望负荷率下限n2_d的大小关系以及持续时间，启动或停止有源电力滤波器模块的运行过程中，有源电力滤波器模块的启动和停止按照先入先出堆栈的操作进行。
在上述实施例中，优选地，预设第一持续时间t1和预设第二持续时间t2按照有源电力滤波器模块投切接触器的投切寿命以及负荷波动的时间周期规律进行设定。一般的，预设第一持续时间t1为对负荷电流进行判定的时间条件，当持续时间超过预设第一持续时间t1时，即可判定负荷运行进入小负荷状态或正常负荷状态，而模块投切的时间间隔即预设第二持续时间t2为有源电力滤波器模块投切接触器所能承受的投切时间间隔。
在上述实施例中，优选地，负载电流阈值n1的设置，指当负荷电流足够小，以至于可以忽略其谐波影响，此时可以让有源滤波器停止补偿谐波的数值。一般的，当负载电流小于此负载电流阈值时，认为现场的负荷属于小负荷状态，其产生的谐波电流足够小，重点设备已经停机，此时有源电力滤波器可以停机休眠，不需要再进行补偿。
实施例二：
如图5所示，实施例二公开的多模块有源电力滤波器控制方法，相比于实施例一，在进行负载电流与预设负载电流阈值的比较计算时，采用了不同的预设负载电流阈值，运行和停止分别为不同的数值，且比较的预设第一持续时间不同。
实施例三：
如图6所示，实施例三公开的多模块有源电力滤波器控制方法，相比于实施例一，在进行负载率η与预设期望负荷率阈值上限和预设期望负荷率阈值下限的比较时，不同比较阈值的判定时间采用不同的值(如图中所示t2a和t2b)。
以上述实施例一的控制方法为例，如图7.1所示，具体的，假设初始负荷没有电流，所有有源电力滤波器模块为停机状态，当负荷发生变化，负荷电流的有效值il>n1，此时定时器1启动，对负荷电流的这一个状态进行计时，如果在计时时间t1内，负荷电流始终满足il>n1，则给所有的有源电力滤波器模块发出启动指令，若计时时间t1内，出现il<n1的情况，则重置计时器，重新计时。在图7.1中，设置的n1为10，t1为30，当且仅当il>10且持续30s时，启动指令start才为1。
如图7.2所示，当负荷电流发生变化，负荷电流的有效值il≤n1时，此时定时器2启动，对负荷电流的这一个状态进行计时，如果在计时时间t1内，负荷电流始终满足il≤n1，则给所有运行中的有源电力滤波器模块发出停机指令，若计时时间t1内，出现il＞n1，则重置计时器2，重新计时。在图7.2中，设置的n1位10，t1为30，当且仅当il≤10且持续时间30s时，则停机指令才为1。
当有有源电力滤波器模块投入运行时，每个有源电力滤波器模块根据其输出补偿电流的有效值除以其本机额定容量作为该有源电力滤波器模块的运行负载率，由于每个有源电力滤波器模块的补偿电流系数为其额定容量的加权系数，故当忽略每个有源电力滤波器模块补偿电流偏差时，所有有源电力滤波器模块的运行负载率均相等。一般的，计算整机运行负载率η可以将所有运行的有源电力滤波器模块的负载率取平均得到。
然后，将运行负载率η与预设期望负荷率阈值n2_u和n2_d进行比较，进行不同有源电力滤波器模块的启停控制。具体的，假设有源电力滤波器模块正常补偿运行，当某一时刻，负荷电流减小，所有运行中的有源电力滤波器模块的补偿电流相应的也减小，此时运行负载率η下降，当负荷减小到使运行负载率η小于预设期望负荷率下限n2_d时，定时器3开始计时，对运行负载率η的这一个状态进行计时，如果在计时时间t2内，始终满足η<n2_d且有两个以上有源电力滤波器模块在运行时，系统根据先投入先切除的原则，切除一个相对最早投入运行的有源电力滤波器模块。切除一个有源电力滤波器模块后，负载的补偿电流由剩余运行模块分摊，此时运行负载率η上升，若运行负载率η仍然小于预设期望负荷率下限n2_d，则重复上述步骤，直到剩余一个模块待机运行。如图7.3所示，il_h为负荷所含的谐波电流分量，n为运行的模块数量，在该图中，每个模块的容量均为100a，设置时间t2为10s，可见当负荷降低后，负载率η也降低，当满足触发条件时，切除一个有源电力滤波器模块后，负载率上升，当负荷继续降低后，系统控制模块切除到只剩一个有源电力滤波器模块补偿运行。
同理，当某一时刻，负荷电流增加，所有运行中的有源电力滤波器模块的补偿电流相应的也增加，运行负载率η上升，当负荷电流增加到使运行负载率η大于预设期望负荷率上限n2_u时，定时器4开始计时，对运行负载率η的这一个状态进行计时，如果在计时时间t2内，始终满足η>n2_u且仍有空闲的有源电力滤波器模块没有投入时，系统根据先切先投的原则，投入一个相对最早切除运行的有源电力滤波器模块。投入一个有源电力滤波器模块后，负载的补偿电流由更多的有源电力滤波器模块进行分摊，此时运行负载率η下降，若运行负载率η仍然大于预设期望负荷率上限n2_u，则重复上述步骤，直到所有模块都投入运行。如图7.4所示，il_h为负荷所含的谐波电流分量，n为运行的模块数，在该图中，每个模块容量为100a，且总共有3个模块，可见当负荷电流上升后，运行负载率η上升，当满足触发条件η>n2_u时且持续时间10s时投入一个模块，负载率下降，当负荷继续增加时，系统控制模块投入，直到3个模块全部投入。
当负荷电流持续稳定，且满足n2_d<η<n2_u时，模块的运行状态也是稳定的，考虑到有部分有源电力滤波器模块始终运行而部分有源电力滤波器模块始终停机的状况发生，这对整个系统的寿命是不利的，此时系统根据设置的运行时间t3进行轮换，即将长时间运行的有源电力滤波器模块替换下来，这样能够总体提高整机的使用寿命。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种多模块有源电力滤波器控制方法，用于控制多个有源电力滤波器模块的启停运行和输出分配，其特征在于，包括：
检测负载电流有效值，根据所述负载电流与预设负载电流阈值的大小关系和持续时间，启动或停止有源电力滤波器模块的运行；
根据预设的容量分配策略分配所述有源电力滤波器模块的输出电流，并计算运行的所述有源电力滤波器模块的运行负载率；
根据所述运行负载率与预设期望负荷率上限和预设期望负荷率下限的大小关系以及持续时间，启动或停止所述有源电力滤波器模块的运行。
2.根据权利要求1所述的多模块有源电力滤波器控制方法，其特征在于，具体包括：
检测负载电流有效值，当判断所述负载电流持续低于预设负载电流阈值达到预设第一持续时间时，将所有有源电力滤波器模块停机；
当判断所述负载电流持续超出所述预设负载电流阈值达到预设第一持续时间时没有所述有源电力滤波器模块运行，将所述有源电力滤波器模块启动；
当判断所述负载电流持续超出所述预设负载电流阈值达到预设第一持续时间时存在运行的所述有源电力滤波器模块，根据预设的容量分配策略分配各个所述有源电力滤波器模块的输出电流，并计算运行的所述有源电力滤波器模块的运行负载率；
判断所述运行负载率与预设期望负荷率上限和预设期望负荷率下限的大小关系；
当所述运行负载率持续大于所述预设期望负荷率上限达到预设第二持续时间时，判断是否还有所述有源电力滤波器模块没有启动运行，若有则启动一个新的所述有源电力滤波器模块；
当所述运行负载率持续小于所述预设期望负荷率下限达到所述预设第二持续时间时，判断是否还有两个以上的所述有源电力滤波器模块没有停止运行，若有则停止一个所述有源电力滤波器模块；
当所述运行负载率持续小于所述预设期望负荷率上限且大于所述预设期望负荷率下限达到预设第三持续时间时，启动未运行的所述有源电力滤波器模块替换运行的所述有源电力滤波器模块。
3.根据权利要求1或2所述的多模块有源电力滤波器控制方法，其特征在于，所述计算运行的所述有源电力滤波器模块的运行负载率具体为：
以所有运行的所述有源电力滤波器模块的输出电流有效值除以所有运行的所述有源电力滤波器模块的容量之和，得到所述运行负载率。
4.根据权利要求1或2所述的多模块有源电力滤波器控制方法，其特征在于，所述预设期望负荷率上限和所述预设期望负荷率下限根据所述有源电力滤波器模块的功率器件容量预先设定，所述预设期望负荷率上限和所述预设期望负荷率下限代表所述有源电力滤波器模块最佳的输出容量比例。
5.根据权利要求1或2所述的多模块有源电力滤波器控制方法，其特征在于，所述预设的容量分配策略为：根据负载总的负载谐波电流，按照每个所述有源电力滤波器模块各自功率器件容量的加权平均系数输出补偿电流，各个所述有源电力滤波器模块的功率器件容量允许存在差异。
6.根据权利要求1或2所述的多模块有源电力滤波器控制方法，其特征在于，根据所述运行负载率与预设期望负荷率上限和预设期望负荷率下限的大小关系以及持续时间，启动或停止所述有源电力滤波器模块的运行过程中，所述有源电力滤波器模块的启动和停止按照先入先出堆栈的操作进行。
7.根据权利要求1或2所述的多模块有源电力滤波器控制方法，其特征在于，所述预设第一持续时间和所述预设第二持续时间按照所述有源电力滤波器模块投切接触器的投切寿命以及负荷波动的时间周期规律进行设定。
技术总结