本發明涉及一種具有濾波裝置的配電系統的運行方法。

背景技術：

電能質量即電力系統中電能的質量。理想的電能應該是完美對稱的正弦波。一些因素會使波形偏離對稱正弦，由此便產生了電能質量問題。電能質量是多個指標的有機綜合，雖然世界各國對各個電能質量指標制定了一系列的標準，但這些用來確定單個指標合格與不合格的標準，不能全面、真實、唯一地反映總的電能質量的性質。

隨著各行各業投入的電力設備逐漸增多，電網中的諧波含量逐漸增加，如化工燒堿行業電解用低壓大容量整流裝置，這些大容量諧波電流對電網、其他用電設備、特別是用電可靠性都會帶來嚴重影響，因此對大容量、高精度和高可靠性的模塊化多機并聯有源濾波需求日益增加，并且逐漸成為研究熱點。

有源濾波裝置能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，是目前諧波治理的一項關鍵技術。源濾波裝置是一種動態補償裝置，能夠對電網中的諧波、無功進行快速響應，并越來越受到關注。而目前，某些應用場合需要投入大量的單相負載，這種情況通常在個別用戶使用大容量、不平衡單相負載時發生。作為有源濾波裝置，設備必然存在容量限制，那么如何快速得到不平衡負荷中不平衡分量的有效值成為計算限幅系數的關鍵。

有源濾波裝置由于可以動態抑制電網電流諧波，補償無功功率，避免因諧波導致的一系列電能質量問題。但是隨著連接在有源濾波裝置所在電網上的非線性、沖擊性負荷大的用電設備或負載越來越多并且越來越雜亂，有源濾波裝置所在電網中的電能質量問題波動較大，需要實時檢測，及時更新有源濾波裝置的參數。

技術實現要素：

本發明提供一種具有濾波裝置的配電系統的運行方法，能夠準確、全面的進行有源濾波裝置配電系統穩定性判定，能夠將有源濾波裝置的控制結構由傳統的控制電流和電壓的雙環結構變成了只需控制電流的內環結構，因而具有控制參數設定簡單、系統動態響應速度快和魯棒性強的技術特性。

為了實現上述目的，本發明提供一種具有濾波裝置的配電系統的運行方法，該方法包括如下步驟：

S1.監測模塊實時監測配電系統參數、有源濾波裝置參數；

S2.對配電系統的穩定性進行判斷；

S3.根據配電系統穩定判斷結果，確定有源濾波裝置并網運行策略；

S4.利用單環控制算法控制有源濾波裝置實時補償濾除諧波。

優選的，在所述步驟S4中，包括如下子步驟：

S41.有源濾波控制單元，根據監測模塊采集的相鄰三個控制時刻(k-1)、k和(k+1)時的有源濾波裝置直流側電容C上的電壓值U_dc(k-1)、U_dc(k)和U_dc(k+1)；

S42.由表達式和求取相鄰兩個控制周期內直流側的電容能量變化量ΔW(k+1)和ΔW(k)后，利用相鄰控制周期T_k內電容有功功率波動ΔP_dc為一恒定值及這些約束關系，代入等式求取第k個控制周期內有源濾波裝置吸收的有功功率p_dc(k)；

S43.通過數據采集獲得的k時刻的負載電流i_Lα(k)和單相電網電壓u_Sα(k)，利用數字鎖相環形成滯后i_Lα(k)和u_Sα(k)π/2的虛擬量i_Lβ(k)和u_Sβ(k)；利用p_L(k)＝u_Sα(k)i_La(k)+u_Sβ(k)i_Lβ(k)計算k時刻負載側的瞬時有功功率p_L(k)；采用低通濾波算法獲得p_L(k)的直流分量

S44.利用等式獲得電流環的給定指令與經過低通濾波器采集獲得的k時刻有源濾波裝置的電流輸出值i_C(k)相減后，進入數字化PI控制器；

S45.PI控制器輸出值與u_Sα(k)相減后，形成單相全橋逆變單元的調制信號，由調制信號生成單相全橋逆變單元的驅動脈沖。

優選的，在步驟S1中，所述配電系統參數包括配電系統導納、并網端無源器件等效導納、諧波負載等效無源導納、配電系統頻率、配電系統電壓、電流，所述有源濾波裝置參數包括電流環擾動增益、電流環開環支路增益。

優選的，在所述步驟S2中，包括如下子步驟：

S21.根據所述配電系統參數、有源濾波裝置參數建立電流環導納模型、諧波控制環導納模型；

S22.根據所述電流環導納模型以及諧波控制環導納模型，得到配電系統全導納形式等效電路，包括待機運行模式和補償運行模式；

S23.根據所述全導納形式等效電路得到兩種運行模式下配電系統并網運行處電壓的表達式，其中Y_total為并網系統全局導納：

待機運行模式：

補償運行模式：

式中，E為配電系統電壓，E'為配電系統并網運行處電壓，Y_g為配電系統導納，Y_p為并網端無源器件等效導納，Y_i為電流環導納，Y_hi為諧波控制環導納，Y_L為諧波負載等效無源導納，I′_i為待機運行時有源濾波裝置等效電流源(i＝1,2，...n)，n為配電系統有源濾波裝置數量，I′_hi為諧波補償運行時源濾波裝置等效電流源，I_Lh為諧波電流源；

S24.穩定性判定單元根據配電系統全局導納判斷配電系統的穩定性；所述配電系統的穩定性為配電系統在當前穩定激勵下的所有響應穩定，所述激勵包括配電電壓、有源濾波裝置輸出電流源和負載諧波電流源，所述響應包括配電系統并網運行處電壓、有源濾波裝置輸出電流和并聯無源器件電流。

優選的，穩定性判定單元判斷配電系統的穩定性的方法為：根據得到的配電系統全局導納Y_total繪制Nyquist曲線，得到s平面負實軸的正、負穿越次數；若全局導納Y_total對應的Nyquist曲線在s平面負實軸的正、負穿越次數相等，則該配電系統穩定；反之，配電系統失穩。

優選的，穩定性判定單元判斷配電系統的穩定性的方法為：根據配電系統全局導納頻域增益為零時，確定配電系統諧振點，若諧振點對應的增益實部R_d全部大于零，則該配電系統穩定；反之，配電系統失穩。

本發明具有如下優點：(1)可智能識別并跟蹤系統運行拓撲和狀態的變化，獲取節點電壓、負載、可用支線無功補償的出力等信息，并以此為信息源動態智能調節無功補償，協調各分布式有源濾波裝置的無功功率注入；(2)能夠使得配電系統中饋電線路各節點電壓滿足標準的要求，協調分布式有源濾波裝置向配電系統提供無功功率支撐，進一步提高了分布式有源濾波裝置的利用率和經濟效益。

附圖說明

圖1示出了本發明的一種可智能濾波補償的配電系統的框圖；

圖2示出了一種具有濾波裝置的配電系統的運行方法的流程圖。

具體實施方式

圖1示出了本發明的一種可智能濾波補償的配電系統，該配電系統包括：

饋電線路14，該饋電線路為多個，用于為多個負載15提供電能；

有源濾波裝置12，用于為饋電線路14提供無功功率，以維持饋電線路14電壓的穩定，該有源濾波裝置為多個，并與所述饋電線路一一對應；

并網裝置13，用于實現有源濾波裝置12和饋電線路14并網運行，該并網裝置13與所述饋電線路14一一對應；

和監控裝置11；

該監控裝置11包括：

監測模塊113、控制模塊112和用于所述各模塊通信的通信總線111；

所述監測模塊113，用于實時監測配電系統參數、有源濾波裝置參數，所述配電系統參數包括配電系統導納、并網端無源器件等效導納、諧波負載等效無源導納、配電系統頻率、配電系統電壓、電流，所述有源濾波裝置參數包括電流環擾動增益、電流環開環支路增益；

所述控制模塊112包括穩定性判定單元和有源濾波控制單元，其中：

所述穩定性判定單元，基于配電系統的全局導納判斷系統的穩定性；

所述有源濾波控制單元，利用單閉環控制實現諧波濾除和補償。

優選的，所述穩定性判定單元，所述配電系統參數、有源濾波裝置參數建立電流環導納模型、諧波控制環導納模型，根據所述電流環導納模型以及諧波控制環導納模型，得到配電系統全導納形式等效電路，包括待機運行模式和補償運行模式。

優選的，穩定性判定單元根據所述全導納形式等效電路得到兩種運行模式下配電系統并網運行處電壓的表達式，其中Y_total為配電系統全局導納：

待機運行模式：

補償運行模式：

式中，E為配電系統電壓，E'為配電系統并網運行處電壓，Y_g為配電系統導納，Y_p為并網端無源器件等效導納，Y_i為電流環導納，Y_hi為諧波控制環導納，Y_L為諧波負載等效無源導納，I′_i為待機運行時有源濾波裝置等效電流源(i＝1,2，...n)，n為配電系統有源濾波裝置數量，I′_hi為諧波補償運行時源濾波裝置等效電流源，I_Lh為諧波電流源。

優選的，穩定性判定單元根據配電系統全局導納判斷配電系統的穩定性；所述配電系統的穩定性為配電系統在當前穩定激勵下的所有響應穩定，所述激勵包括配電電壓、有源濾波裝置輸出電流源和負載諧波電流源，所述響應包括配電系統并網運行處電壓、有源濾波裝置輸出電流和并聯無源器件電流。

優選的，穩定性判定單元判斷配電系統的穩定性的方法為：根據得到的配電系統全局導納Y_total繪制Nyquist曲線，得到s平面負實軸的正、負穿越次數；若全局導納Y_total對應的Nyquist曲線在s平面負實軸的正、負穿越次數相等，則該配電系統穩定；反之，配電系統失穩。

優選的，穩定性判定單元判斷配電系統的穩定性的方法為：根據配電系統全局導納頻域增益為零時，確定配電系統諧振點，若諧振點對應的增益實部R_d全部大于零，則該配電系統穩定；反之，配電系統失穩。

優選的，有源濾波控制單元，根據監測模塊采集的相鄰三個控制時刻(k-1)、k和(k+1)時的有源濾波裝置直流側電容C上的電壓值U_dc(k-1)、U_dc(k)和U_dc(k+1)，由表達式和求取相鄰兩個控制周期內直流側的電容能量變化量ΔW(k+1)和ΔW(k)后，利用相鄰控制周期T_k內電容有功功率波動ΔP_dc為一恒定值及這些約束關系，代入等式求取第k個控制周期內有源濾波裝置吸收的有功功率p_dc(k)；通過數據采集獲得的k時刻的負載電流i_Lα(k)和單相電網電壓u_Sα(k)，利用數字鎖相環形成滯后i_Lα(k)和u_Sα(k)π/2的虛擬量i_Lβ(k)和u_Sβ(k)；利用p_L(k)＝u_Sα(k)i_La(k)+u_Sβ(k)i_Lβ(k)計算k時刻負載側的瞬時有功功率p_L(k)；采用低通濾波算法獲得p_L(k)的直流分量利用等式獲得電流環的給定指令與經過低通濾波器采集獲得的k時刻有源濾波裝置的電流輸出值i_C(k)相減后，進入數字化PI控制器；PI控制器輸出值與u_Sα(k)相減后，形成單相全橋逆變單元的調制信號，由調制信號生成單相全橋逆變單元的驅動脈沖。

參見附圖2，本發明的一種具有濾波裝置的配電系統的運行方法的流程圖，該方法包括如下步驟：

S1.監測模塊實時監測配電系統參數、有源濾波裝置參數；

S2.對配電系統的穩定性進行判斷；

S3.根據配電系統穩定判斷結果，確定有源濾波裝置并網運行策略；

S4.利用單環控制算法控制有源濾波裝置實時補償濾除諧波。

優選的，在步驟S1中，所述配電系統參數包括配電系統導納、并網端無源器件等效導納、諧波負載等效無源導納、配電系統頻率、配電系統電壓、電流，所述有源濾波裝置參數包括電流環擾動增益、電流環開環支路增益。

優選的，在所述步驟S2中，包括如下子步驟：

S21.根據所述配電系統參數、有源濾波裝置參數建立電流環導納模型、諧波控制環導納模型；

S22.根據所述電流環導納模型以及諧波控制環導納模型，得到配電系統全導納形式等效電路，包括待機運行模式和補償運行模式；

S23.根據所述全導納形式等效電路得到兩種運行模式下配電系統并網運行處電壓的表達式，其中Y_total為并網系統全局導納：

待機運行模式：

補償運行模式：

式中，E為配電系統電壓，E'為配電系統并網運行處電壓，Y_g為配電系統導納，Y_p為并網端無源器件等效導納，Y_i為電流環導納，Y_hi為諧波控制環導納，Y_L為諧波負載等效無源導納，I′_i為待機運行時有源濾波裝置等效電流源(i＝1,2，...n)，n為配電系統有源濾波裝置數量，I′_hi為諧波補償運行時源濾波裝置等效電流源，I_Lh為諧波電流源；

S24.穩定性判定單元根據配電系統全局導納判斷配電系統的穩定性；所述配電系統的穩定性為配電系統在當前穩定激勵下的所有響應穩定，所述激勵包括配電電壓、有源濾波裝置輸出電流源和負載諧波電流源，所述響應包括配電系統并網運行處電壓、有源濾波裝置輸出電流和并聯無源器件電流。

優選的，穩定性判定單元判斷配電系統的穩定性的方法為：根據得到的配電系統全局導納Y_total繪制Nyquist曲線，得到s平面負實軸的正、負穿越次數；若全局導納Y_total對應的Nyquist曲線在s平面負實軸的正、負穿越次數相等，則該配電系統穩定；反之，配電系統失穩。

優選的，穩定性判定單元判斷配電系統的穩定性的方法為：根據配電系統全局導納頻域增益為零時，確定配電系統諧振點，若諧振點對應的增益實部R_d全部大于零，則該配電系統穩定；反之，配電系統失穩。

優選的，在所述步驟S4中，通過以下步驟確定有源濾波裝置的實際工作下得補償電流指令：

對單相系統構造與單相電路中實際電流和電壓相位差為-π/2的虛擬電流和電壓分量，形成兩相正交αβ坐標系，得：

其中，u_s和i_s分別為單相電網電壓和補償后的單相電網電流，u_sα和u_sβ分別為u_s在αβ坐標系中的α和β分量；V_m和ω分別為u_s的幅值和角頻率，i_Lα和i_Lβ分別為i_L在αβ坐標系中的α和β分量；i_sα和i_sβ分別為i_s在αβ坐標系中的α和β分量；i_Lm為i_L中的基波幅值；i_Sm為i_S的幅值；和分別為i_L的基波分量和i_s與u_s的相位差；i_n為i_L中的n次諧波幅值；為i_L中的n次諧波與u_s的相位差，其中，角頻率ω是通過單相PLL(Phase locked loop)環節的作用獲得的；

利用PQ變換求取單相電網側和負載側的瞬時有功無功：

其中，p_S和q_S分別為電網側瞬時有功和瞬時無功功率；p_L和q_L分別為負載側的瞬時有功和瞬時無功功率；

考慮到在實際應用中，有源濾波裝置總會存在一些損耗(諸如主回路元器件熱損耗和功率開關管的損耗)，使得有源濾波裝置必須從電網中吸收適當的有功功率，用于穩定直流側電壓。因此在實際工作狀態下，有源濾波裝置需要補償的功率如下：

其中，Δp_dc為維持有源濾波裝置直流側電壓所必須從單相電網中吸收的有功功率，為負載有功功率的震蕩功率；

對電網側電流進行PQ反變換求取i_Sα和i_Sβ

其中，P_L(ωt)經過LPF(Low-pass filter)環節作用后得到為負載瞬時有功功率的平均功率；

最終實際工作狀態下補償電流補償指令為：

優選的，在所述步驟S4中，包括如下子步驟：

S41.有源濾波控制單元，根據監測模塊采集的相鄰三個控制時刻(k-1)、k和(k+1)時的有源濾波裝置直流側電容C上的電壓值U_dc(k-1)、U_dc(k)和U_dc(k+1)；

S42.由表達式和求取相鄰兩個控制周期內直流側的電容能量變化量ΔW(k+1)和ΔW(k)后，利用相鄰控制周期T_k內電容有功功率波動ΔP_dc為一恒定值及這些約束關系，代入等式求取第k個控制周期內有源濾波裝置吸收的有功功率p_dc(k)；

S43.通過數據采集獲得的k時刻的負載電流i_Lα(k)和單相電網電壓u_Sα(k)，利用數字鎖相環形成滯后i_Lα(k)和u_Sα(k)π/2的虛擬量i_Lβ(k)和u_Sβ(k)；利用p_L(k)＝u_Sα(k)i_La(k)+u_Sβ(k)i_Lβ(k)計算k時刻負載側的瞬時有功功率p_L(k)；采用低通濾波算法獲得p_L(k)的直流分量

S44.利用等式獲得電流環的給定指令與經過低通濾波器采集獲得的k時刻有源濾波裝置的電流輸出值i_C(k)相減后，進入數字化PI控制器；

S45.PI控制器輸出值與u_Sα(k)相減后，形成單相全橋逆變單元的調制信號，由調制信號生成單相全橋逆變單元的驅動脈沖。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本發明的保護范圍。