用于并联3线和4线三相有源谐波滤波器的系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35 u.s.c.
§
119(e)要求于2021年4月29日提交的题为“systems and methods for paralleling 3-wire and 4-wire 3-phase active harmonic filters”的序列号为63/181,668的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入此文。
技术领域
3.本公开总体上涉及滤波设备，并且更具体地，涉及用于并联3线和4线三相有源谐波滤波器(ahf)的系统和方法。
背景技术：4.三相ahf是一种电力电子设备，其能够补偿负载电流的不期望分量，使得三相交流(ac)源仅看到没有谐波频率成分的电流。另外，ahf还可以提供无功电流和/或平衡分量(负序或零序电流)形式的基频补偿电流，使得三相ac源电流分别实现期望的基频功率因数(pf)和/或实现三相平衡条件。
5.根据其提供中性电流补偿的能力，三相ahf可以分类为两种类型之一：4线ahf和3线ahf。4线ahf具有4线输出端子(3个常规相a、b、c和中性线[n])并且可以补偿三个常规相以及中性线，而3线ahf具有没有中性输出连接的3线输出端子(a、b、c)。
技术实现要素：[0006]
本文描述了用于并联3线和4线三相ahf的系统和方法。在本公开的一个方面，一种用于并联3线和4线三相ahf的方法包括通过一个或多个通信信道在一个或多个3线ahf与一个或多个4线ahf之间建立双向通信，以及通过通信信道在3线ahf与4线ahf之间传送与3线ahf和4线ahf的总安培容量有关的信息。在3线ahf和4线ahf中的每一个上，从系统中的控制装置(例如，主控制器或ahf之一)接收至少与系统中的总参考电流(在本文中有时也称为“总补偿电流”)有关的信息，以及提供关于如何在3线ahf和4线ahf之间分离总参考电流的非零分量的信息的比率。在3线ahf和4线ahf中的每一个上，基于3线ahf和4线ahf的总参考电流、比率和总安培容量导出3线ahf和4线ahf的参考电流，使得3线ahf和4线ahf中的每一个获得与其总安培容量成比例的总参考电流的份额。
[0007]
根据本公开的一些实施例，总参考电流首先被分解为零分量(例如，仅4线单元可以产生的电流分量)和非零分量(例如，4线和3线单元都可以产生的电流分量)。另外，根据本公开的一些实施例，在将所有零分量分派给四线单元之后，所公开的方法引入新颖的计算技术以在3线单元和4线单元之间分离总参考电流的非零分量，使得可以充分利用4线单元和整个3线单元的剩余容量。
[0008]
根据本公开的至少一个方面，一种电力系统包括至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)，其被配置为耦合到三相负载并向其提供补偿电流，至少一个四线ahf，其被配置为耦合到三相负载并向其提供补偿电流，以及控制器，其被配置为：确定要提供给三相负载的总
补偿电流，总补偿电流包括零分量和非零分量，确定所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的输出容量，基于所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的所述输出容量计算电流补偿比率，并且基于所述电流补偿比率控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供所述总补偿电流的所述非零分量的至少一部分。
[0009]
在一些示例中，至少一个三线ahf与至少一个四线ahf并联耦合。在各种示例中，控制器还被配置为控制至少一个四线ahf以向三相负载提供零补偿电流，从而满足总补偿电流的零分量。在至少一个示例中，控制器被配置为在将总补偿电流的零分量分派给至少一个四线ahf之后确定至少一个四线ahf的剩余容量，并且确定至少一个四线ahf的剩余容量是否超过总补偿电流的非零分量。在一些示例中，控制器被配置为响应于确定至少一个四线ahf的剩余容量超过总补偿电流的非零分量，而将总补偿电流的全部分派给至少一个四线ahf。
[0010]
在各种示例中，电流补偿比率是1，并且至少一个三线ahf不向三相负载提供补偿电流。在至少一个示例中，控制器被配置为响应于确定总补偿电流的非零分量超过至少一个四线ahf的剩余容量，而将至少一个四线ahf的剩余容量分派给非零补偿电流。在一些示例中，总补偿电流的非零分量的至少一部分是提供给三相负载的非零补偿电流的第一部分，并且非零补偿电流的剩余部分被分派给至少一个三线ahf。在各种示例中，电流补偿比率等于非零补偿电流的第一部分除以非零补偿电流。
[0011]
根据本公开的至少一个方面，提供了一种非暂时性计算机可读介质，其上存储有用于操作包括至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和至少一个四线ahf的电力系统的计算机可执行指令序列，至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和至少一个四线ahf中的每一个都被配置为耦合到三相负载并向该三相负载提供补偿电流，计算机可执行指令序列包括指示以下内容的指令：至少一个处理器确定要提供给三相负载的总补偿电流，所述总补偿电流包括零分量和非零分量，确定所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的输出容量，基于所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的所述输出容量计算电流补偿比率，并且基于所述电流补偿比率控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供所述总补偿电流的所述非零分量的至少一部分。
[0012]
在一些示例中，所述指令还指示所述至少一个处理器控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供零补偿电流，从而满足所述总补偿电流的零分量。在各种示例中，所述指令还指示所述至少一个处理器在将所述总补偿电流的所述零分量分派给所述至少一个四线ahf之后确定所述至少一个四线ahf的剩余容量，并且确定所述至少一个四线ahf的所述剩余容量是否超过所述总补偿电流的所述非零分量。在至少一个示例中，指令还指示至少一个处理器响应于确定至少一个四线ahf的剩余容量超过总补偿电流的非零分量而将总补偿电流的全部分派给至少一个四线ahf。
[0013]
在一些示例中，电流补偿比是1，并且至少一个三线ahf不向三相负载提供补偿电流。在各种示例中，所述指令还指示所述至少一个处理器响应于确定所述总补偿电流的所述非零分量超过所述至少一个四线ahf的所述剩余容量而将所述至少一个四线ahf的所述剩余容量分派给非零补偿电流。在至少一个示例中，分派给至少一个四线ahf的总补偿电流的非零分量的至少一部分是提供给三相负载的非零补偿电流的第一部分，并且非零补偿电流的剩余部分被分派给至少一个三线ahf。在一些示例中，电流补偿比率等于非零补偿电流
的第一部分除以非零补偿电流。
[0014]
根据本公开的至少一个方面，提供了一种操作电力系统的方法，该电力系统包括至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和至少一个四线ahf，所述至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和至少一个四线ahf中的每一个都被配置为耦合到三相负载并向该三相负载提供补偿电流，该方法包括：确定要提供给三相负载的总补偿电流，该总补偿电流包括零分量和非零分量，确定至少一个三线ahf和至少一个四线ahf的输出容量，基于所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的所述输出容量来计算电流补偿比率，并且基于所述电流补偿比率来控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供所述总补偿电流的所述非零分量的至少一部分。
[0015]
在一些示例中，该方法包括控制至少一个四线ahf以向三相负载提供零补偿电流以满足总补偿电流的零分量，在将总补偿电流的零分量分派给至少一个四线ahf之后确定至少一个四线ahf的剩余容量，以及确定至少一个四线ahf的剩余容量是否超过总补偿电流的非零分量。在各种示例中，该方法包括响应于确定至少一个四线ahf的剩余容量超过总补偿电流的非零分量，将总补偿电流的全部分派给至少一个四线ahf。
[0016]
应当理解，如将从下面的讨论中理解的，存在与所公开的发明相关联的许多特征和优点。
附图说明
[0017]
从以下对附图的详细描述中可以更全面地理解本公开的前述特征以及本公开本身，在附图中：
[0018]
图1示出了示例的4线有源谐波滤波器(ahf)系统；
[0019]
图2示出了示例的3线ahf系统；
[0020]
图3示出了用于实现4线ahf的示例功率转换器；
[0021]
图4示出了用于实现3线ahf的示例功率转换器；
[0022]
图5示出了3线ahf和4线ahf的示例并联系统；
[0023]
图6a示出了零电流分量和非零电流分量可以如何在3线ahf和4线ahf之间分配的示例实现，其中优先级被给予4线单元；
[0024]
图6b示出了零电流分量和非零电流分量可以如何在3线ahf和4线ahf之间分配的另一示例实现，其中优先级被给予4线单元；
[0025]
图6c示出了零电流分量和非零电流分量可以如何在3线ahf和4线ahf之间分配的另一示例实现，其中优先级被给予4线单元；
[0026]
图6d示出了零电流分量和非零电流分量可以如何在3线ahf和4线ahf之间分配的另一示例实现，其中优先级被给予4线单元；
[0027]
图7a示出了零电流分量和非零电流分量可以如何在3线ahf和4线ahf之间分配的另一示例，其中非零补偿的优先级首先给予3线ahf单元；
[0028]
图7b示出了零电流分量和非零电流分量可以如何在3线ahf和4线ahf之间分配的另一示例，其中非零补偿的优先级首先给予3线ahf单元；
[0029]
图8示出了并联方法的示例实现；
[0030]
图9示出了并联方法的替代实现(例如，具有由并联系统中的单元之一实现的主控
制器角色)；
[0031]
图10示出了用于单个3线ahf或4线ahf的示例控制方法；
[0032]
图11a示出了计算ahf补偿参考电流的示例技术(开环方法)；
[0033]
图11b示出了计算ahf补偿参考电流的另一示例技术(闭环方法)；
[0034]
图12示出了例如在基本周期t1中发生的主控制器的控制计算的示例；
[0035]
图13示出了例如在基本周期t1中发生的示例性4线从属单元控制计算；以及
[0036]
图14示出了例如在基本周期t1中发生的示例性3线从属单元控制计算。
具体实施方式
[0037]
现在将更具体地描述本文寻求保护的概念、系统和技术的特征和其他细节。应当理解，本文描述的任何具体实施例是通过说明的方式示出的，而不是作为本公开和本文描述的概念的限制。在不脱离寻求保护的概念的范围的情况下，可以在各种实施例中采用本文描述的主题的特征。
[0038]
如在本公开的背景技术部分中简要讨论的，三相有源谐波滤波器(ahf)可以根据其提供中性电流补偿的能力被分类为两种类型之一：4线ahf和3线ahf。4线ahf具有4线输出端子(三个常规相a、b和c以及中性线(n))，并且可以补偿三个常规相以及中性线，而3线ahf具有没有中性输出连接的3线输出端子(a、b、c)。
[0039]
图1示出了示例性4线ahf系统100，图2示出了示例性3线ahf系统200。在这两个系统中，使用一组电流互感器(ct)或电流传感器来测量源侧或负载侧的三相电流。ahf使用来自这些ct的信息来生成补偿电流以实现期望的目标。使用负载ct还是源ct的选择取决于所使用的参考生成技术，这将在本公开内容中稍后讨论。
[0040]
图3示出了在4线ahf中使用的典型3电平功率转换器300(示出为t型)，而图4示出了其在3线ahf 400中的典型使用。每个都配备有由电感器和电容器的网络(示出为l-c-l型)组成的输出滤波器电路。特定的功率转换器和滤波器拓扑仅作为示例实施方式示出。有源滤波器(n)的中性点输出可以连接到dc总线电容器的中点。
[0041]
注意，如果4线ahf的中性连接端子(n)未连接到系统中性线，则如图3所示的典型4线ahf也可以用作3线ahf。换句话说，大多数4线ahf可以用作4线ahf以及3线ahf。尽管如此，在一些示例中，使用专门设计仅用于3线的ahf(诸如图4所示)在商业上可能是有利的，因为由于以下原因，这种ahf比具有相当容量的4线ahf更经济地构建。首先，4线ahf必须容纳额外的中性相导体，该中性相导体需要大到相电流的三倍以考虑最坏情况的中性电流。其次，3线ahf可以利用功率转换器的3线性质，并使用公知的3线脉宽调制(pwm)技术，其允许在单个时刻仅切换三个支路中的两个，从而将pwm切换损耗的量减少1/3。这又可以降低功率开关(例如，绝缘栅双极晶体管[igbt])的尺寸要求。最后，由于3线连接，3线ahf可以仅使用两个内部电流传感器，而不是4线ahf中所需的三个传感器，从而降低成本。
[0042]
由于3线ahf的构建和制造更经济，但是中性电流补偿仍然需要4线ahf，因此可以需要使两种类型的ahf共存于并联连接的系统中。图5示出了这样的系统500，其中m个4线ahf单元的并联网络与n个3线ahf单元组合使用。每个单元可以具有不同的载流量额定值。如在图1和图2所示的单个单元系统中，并联系统的目标是补偿负载电流(iloada、iloadb和iloadc)，使得源电流(isrca、isrcb和isrcc)可以没有谐波或实现期望的功率因数和/或平
衡条件。为了防止每个单元的循环电流和不必要的负载，可以通过每个单元尺寸的比例在3线单元之间共享总的3线单元电流(i
a3w
、i
b3w
和i
c3w
)。类似地，总的4线单元电流(i
a4w
、i
b4w
和i
c4w
)应通过每个单元尺寸的比例在4线单元之间共享。
[0043]
操作如图5中的并联的3线ahf和4线ahf的示例方式是限制4线单元以仅产生补偿电流的零分量(中性分量)，并且让3线单元产生所有非零分量。该方法的优点是3线单元和4线单元可以独立工作，并且在两个系统之间不需要通信来实现正确的并行。然而，该方法可能不允许完全利用系统中所有单元的输出容量(例如，安培容量)。例如，当负载的零分量不存在时(例如，当系统中没有4线负载流动时)，即使当4线单元具有产生电流的非零分量的能力时，4线单元也可能未被使用。利用这种方法，4线单元不能用于增加3线单元的总容量，即使它具有这样做的能力。注意，由于大多数零分量可以是三重谐波，因此该技术的变型还包括使4线单元仅输出三重谐波，并且让其余(非三重)由3线单元处理。
[0044]
本公开的示例包括用于并联混合3线ahf和4线ahf以增加并联系统中每个单元的安培容量的利用率的方法。在一个示例实现中，该方法将所有零分量电流分配给4线单元。该方法将非零分量分成由4线单元和3线单元实现的比例，使得并行系统中的每个单元可以加载到其各自的容量。各种示例包括计算比率p《1.0，该比率等于待由4线单元实现的非零补偿电流的比例，使得可以更充分地利用4线单元的容量。非零分量的剩余比例(1-p)可以分配给3线单元。
[0045]
图6a-6d各自示出了根据示例的并联系统中的零补偿电流和非零补偿电流的分配方案的框图。图6a示出了根据示例的第一电流补偿方案600的框图。第一电流补偿方案600说明了总电流602在一个或多个3线单元604与一个或多个4线单元606之间被划分，或者总电流602被指派给一个或多个3线单元604和一个或多个4线单元606。一个或多个3线单元604和一个或多个4线单元606可以以分配的量向负载提供补偿电流。总电流602包含非零分量608以及零分量610。
[0046]
在第一电流补偿方案600下，总电流602的全部被指派给一个或多个4线单元606。在各示例中，一个或多个4线单元606被给予高于一个或多个3线单元604的优先级以提供补偿电流。例如，如果总电流602在一个或多个4线单元606的总容量之内，则总电流602的全部可被指派给一个或多个4线单元606，如第一电流补偿方案600中所说明的。
[0047]
图6b示出了根据示例的第二电流补偿方案612。在第二电流补偿方案612下，零分量610被指派给一个或多个4线单元606，并且非零分量608在一个或多个3线单元604与一个或多个4线单元606之间被划分。在各示例中，一个或多个4线单元606被给予高于一个或多个3线单元604的优先级以提供补偿电流。可以利用一个或多个4线单元606的剩余容量来提供非零分量608的部分p，直到一个或多个4线单元606处于其容量。非零分量608的其余部分(1-p)可以被指派给一个或多个3线单元606。下面更详细地讨论确定比率p的示例。
[0048]
图6c示出了第三电流补偿方案614。在第三电流补偿方案614下，零分量610被指派给一个或多个4线单元606，并且非零分量608在一个或多个3线单元604与一个或多个4线单元606之间被划分。在各示例中，一个或多个4线单元606被给予高于一个或多个3线单元604的优先级以提供补偿电流。可以利用一个或多个4线单元606的剩余容量来提供非零分量608的部分p，直到一个或多个4线单元606处于其容量。非零分量608的其余部分(1-p)可以被指派给一个或多个3线单元604。然而，在第三电流补偿方案614中，一个或多个3线单元
604和一个或多个4线单元606两者都可以处于其容量。
[0049]
图6d示出了第四电流补偿方案616。在第四电流补偿方案616下，零分量610被指派给一个或多个4线单元606，这可能消耗一个或多个4线单元606的整个容量。在一些示例中，零分量610可以超过一个或多个4线单元606的容量。非零分量608被指派给一个或多个3线单元604，其也可能消耗一个或多个3线单元604的整个容量。
[0050]
相应地，在各示例中，一个或多个4线单元606可以在补偿的非零分量的分派中被给予优先级。例如，在一些实现中，仅在一个或多个4线单元606已经被完全加载到它们的满容量之后，非零分量608的剩余部分才会被分派给一个或多个3线单元604。该方法的替代例也是可能的，例如，其中非零分量608的分派的优先级首先被给予一个或多个3线单元604。例如，图7a示出了第五电流补偿方案700，其中非零分量608首先被提供给一个或多个3线单元604，并且零分量610被提供给一个或多个4线单元606。在第五电流补偿方案700中，非零分量608可以小于一个或多个3线单元604的容量。图7b示出了第六电流补偿方案702，其基本上类似于第五电流补偿方案700，但是其中一个或多个3线单元604接收非零分量608的完全分派(例如，因为一个或多个3线单元604处于满容量)，并且一个或多个4线单元606接收非零分量608的剩余部分，同时仍然接收零分量610。
[0051]
图8示出了根据示例的电力系统800的框图。电力系统800包括一个或多个3线ahf 802(“3线单元802”)、一个或多个4线ahf 804(“4线单元804”)、至少一个三相4线ac源806(“ac源806”)、一个或多个4线负载808(“负载808”)、至少一个控制器810、一个或多个源ct 812(“源ct 812”)、以及一个或多个负载ct 814(“负载ct 814”)。ac源806耦合到负载808并且被配置为向负载808提供ac电力。单元802、804耦合到负载808并且被配置为向负载808提供补偿电流。源ct 812耦合到ac源806并且被配置为测量由ac源806输出的电流。负载ct 814耦合到负载808并且被配置为测量提供给负载808的电流。
[0052]
控制器810通信地耦合到3线单元802、4线单元804、源ct 812和负载ct 814。尽管为了清楚起见，附图中未示出控制器810和ct 812、814之间的通信耦合，但是控制器810可以经由一个或多个有线或无线通信介质通信地耦合到ct 812、814。在一些示例中，控制器810是单元802、804中的至少一个的组件，并且仅出于解释的目的而被示出为单独的组件。源ct 812和负载ct 814被配置为分别向控制器810提供源电流信息和负载电流信息。控制器810被配置为确定总补偿电流以实现期望的ahf目标，诸如谐波补偿、功率因数校正、负载平衡等。控制器810将总补偿电流分解为零分量和非零分量。控制器810可以实施上文所论述的电流补偿方案中的任一者。例如，控制器810可以将总补偿电流的零分量分派给4线单元804。控制器810还可以计算指示单元802、804之间的非零分量的分配的比率p。
[0053]
为了确定比率p，控制器810可以访问关于4线单元804和3线单元802的总容量的信息。该信息可以在单元802、804和/或控制器810之间共享。例如，3线单元802和4线单元804可以经由有线或无线通信介质816彼此双向通信地耦合。在一些示例中，该双向通信可以用于共享用于显示目的的电压和电流计量信息、警报、故障等，以及在单元802、804之间共享命令和设置。控制器810可以在单独的快速通信总线818上广播总补偿电流信息以及3线单元802和4线单元804中的每一个的比率p和总容量。然而，在一些示例中，控制器810可以使用有线或无线通信介质816来广播总补偿电流信息以及3线单元802和4线单元804中的每一个的比率p和总容量(例如，如果有线或无线通信介质816上有足够的带宽可用并且传递信
息的及时性不是问题)。使用该信息，单元802、804中的每一个可以能够基于指示相应单元的容量和相应单元的类型(例如，4线或3线)的信息来确定相应的参考电流，使得每个单元获得与单元802、804的容量成比例的总补偿电流的份额。
[0054]
应当理解，在一些示例中，控制器810可以在物理上不同于单元802、804。在其他示例中，控制器810可以是单元802、804中的一个或多个的组件。在各种示例中，单元802、804中的一个或多个可以包括控制器。例如，控制器810可以是被配置为执行上述过程的主控制器，并且单元802、804中的每一个可以包括相应的从属控制器。在另一示例中，单元802、804中的一者可以包括主控制器(例如，基本上类似于控制器810)，并且其余单元可以包括被配置为充当从属控制器的控制器。图9示出了电力系统900的示例，其中单元802a、802b、804中的每一个都充当从属单元(例如，通过包括从属控制器)，并且单元802n充当主单元(例如，通过包括与控制器810基本相似或相同的主控制器)。在一些示例中，负载电流和源电流信息可以有线连接到单元802、804中的一个或多个，并且如果主控制器发生故障，则对应于单元802、804中的任何一个的从属控制器可以用作主控制器，从而在电力系统800中提供一定程度的冗余。
[0055]
在各种示例中，单元802、804中的每一个都可以以与可变或可编程电流源类似的方式运行。图10示出了根据一个示例的ahf控制方案1000的框图。参考生成块1002基于可以从源ct 812和负载ct 814接收的测得的系统电流1006(iloada/isrca、iloadb/isrcb、iloadc/isrcc)以及跨提供给负载808的相线的端子电压1008(van、vbn、vcn)来生成参考电流1004(irefa、irefb、irefc)。转换器-控制器块1010产生pwm门信号1012以提供给单元802、804(例如，提供给单元802、804中的开关)，使得输出电流1004(iouta、ioutb、ioutc)遵循参考并保持期望的dc总线电压。
[0056]
转换器-控制器块1010包括动态反馈控制器1012、dc总线电压控制器1014和pwm调制控制器1016。动态反馈控制器1012被配置为将参考电流与输出电流之间的误差减小到近似零，并且输出指示所述误差的命令电压信号1018(vcmda、vcmdb、vcmdc)。dc总线电压控制器1014被配置为调节dc总线电压。pwm调制控制器1016被配置为基于命令电压信号1018来确定或计算pwm门信号1012。
[0057]
可以实现各种技术来计算有源谐波滤波器的参考补偿电流1004。例如，图11a示出了使用快速傅里叶变换(fft)方法的电流计算技术1100的框图，其中通过称为开环方法的过程从测得的负载电流(例如，提供给负载808并由负载ct 814测量的每个相电流)的逆fft计算得到参考补偿电流1004。在开环方法中处理负载电流的fft频谱可以包括去除基频谐波或高阶谐波以及总补偿频谱的rms限制。如果需要，还可以包含基频补偿，例如无功电流补偿或负载平衡。存在用于计算这些基频补偿电流的各种已知技术，并且这里将不再讨论。替代地，可以如图11b所示进行谐波处理，这被称为闭环方法。在闭环方法中，替代地使用测得的源电流(例如，由ac源806提供并由源ct 812测量的每个相电流)。对于期望被控制的高于基频的每个谐波，使用闭环pi控制器来迫使每个源电流谐波为零，如图11b所示。图11b示出了使用fft方法的第二电流计算技术1102的框图。
[0058]
参考图8，假设3线单元802的总输出电流的参考电流由iref
a3w
、iref
b3w
和iref
c3w
给出。类似地，假设4线单元804的总输出电流的参考电流由iref
a4w
、iref
b4w
和iref
c4w
给出。总补偿电流irefa、irefb和irefc的参考电流然后可以表示为：
[0059]
irefa＝iref
a4w
+iref
a3w
ꢀꢀꢀ
(1.a)
[0060]
irefb＝iref
b4w
+iref
b3w
ꢀꢀꢀ
(1.b)
[0061]
irefc＝iref
c4w
+iref
c3w
ꢀꢀꢀ
(1.c)
[0062]
此外，假设3线单元802的任意第i个3线单元的容量(例如，额定电流强度)由cap3wi给出，并且4线单元804的任意第i个4线单元的容量由cap4wi给出，则3线单元802和4线单元804的总容量分别为：
[0063][0064][0065]
为了允许单元802、804基于每个单元的相应容量的比例共享输出电流，则3线单元802和4线单元804中的每一个的参考电流应当根据相应的单元类型计算为：
[0066]
对于x＝a,b,c，并且i＝1
…
n(3.a)
[0067]
对于x＝a,b,c，并且i＝1
…
m(3.b)
[0068]
在一些示例中，单元802、804的参考电流首先被分解为零分量和非零分量。(1)中给出的参考电流的零分量可以定义如下：
[0069][0070]
因为iref
a3w
+iref
b3w
+iref
c3w
＝0，于是
[0071][0072]
总参考电流的非零分量由从每个相电流中去除0分量的相电流定义如下：
[0073]
iref
α
≡iref
a-iref0ꢀꢀꢀ
(6.a)
[0074]
iref
β
≡iref
b-iref0ꢀꢀꢀ
(6.b)
[0075]
iref
β
≡iref
c-iref0ꢀꢀꢀ
(6.c)
[0076]
可以看出，iref
α
+iref
β
+iref
γ
＝0或iref
γ
＝-iref
α-iref
β
。由于iref
γ
可以从iref
α
和iref
β
导出，因此非零电流的该第三分量可以被丢弃。剩余的两个非零分量iref
α
、iref
β
，以及iref0可以一起用于定义原始的三相量。在各种示例中，如(6.a)、(6.b)和(4)中所定义的irefa、iref
β
和iref0类似于标准abc-to-dq0静止参考系变换(park变换)或clarke变换，并且这些标准变换也可以用于获得参考电流到零分量和非零分量的分解。
[0077]
利用如(5)中定义的4线单元参考电流(iref
04w
)的零分量，参考电流的非零分量是：
[0078]
iref
α4w
≡iref
a4w-iref
04w
ꢀꢀꢀ
(7.a)
[0079]
iref
β4w
≡iref
b4w-iref
04w
ꢀꢀꢀ
(7.b)
[0080]
iref
β4w
≡iref
b4w-iref
04w
ꢀꢀꢀ
(7.c)
[0081]
或等效地：
[0082]
iref
a4w
＝iref
α4w
+iref
04w
ꢀꢀꢀ
(8.a)
[0083]
iref
b4w
＝iref
β4w
+iref
04w
ꢀꢀꢀ
(8.b)
[0084]
iref
c4w
＝iref
γ4w
+iref
04w
ꢀꢀꢀꢀ
(8.c)
[0085]
对于3线单元802，参考电流的非零分量与abc相电流相同，因为零分量iref
03w
＝0。
[0086]
iref
α3w
＝iref
a3w
ꢀꢀꢀ
(9.a)
[0087]
iref
β3w
＝iref
b3w
ꢀꢀꢀ
(9.b)
[0088]
iref
γ3w
＝iref
c3w
ꢀꢀꢀ
(9.c)
[0089]
在各种示例中，参考电流的零分量首先被指派给4线单元804，如(5)中给出的，约束是rms幅度限于总的4线容量cap4w，即：
[0090]
|iref
04w
|＝min(|iref0|,cap
4w
)
ꢀꢀꢀ
(10)
[0091]
一旦分派了零电流，就可以在4线单元804和3线单元802之间划分参考电流的非零分量(iref
α
、iref
β
和iref
γ
)。在各种示例中，在将参考电流的非零分量(iref
α
、iref
β
和iref
γ
)分派给3线单元802之前，首先将4线单元804的剩余容量用于分派参考电流的非零分量(iref
α
、iref
β
和iref
γ
)。例如，可以相对于总的非零分量来定义4线输出的非零分量的比率p。
[0092]
iref
α4w
＝ρ
·
iref
α
ꢀꢀꢀ
(11.a)
[0093]
iref
β4w
＝ρ
·
iref
β
ꢀꢀꢀ
(11.b)
[0094]
iref
γ4w
＝ρ
·
iref
γ
ꢀꢀꢀ
(11.c)
[0095]
根据(1)，有
[0096]
iref
α3w
＝(1-ρ)
·
iref
α
ꢀꢀꢀ
(12.a)
[0097]
iref
β3w
＝(1-ρ)
·
iref
β
ꢀꢀꢀ
(12.b)
[0098]
iref
γ3w
＝(1-ρ)
·
iref
γ
ꢀꢀꢀ
(12.c)
[0099]
为了充分利用4线单元804的容量(例如，安培容量)，可以确定满足以下约束的比率p：
[0100]
|iref
a4w
|≤cap
4w
ꢀꢀꢀ
(12.a)
[0101]
|iref
b4w
|≤cap
4w
ꢀꢀꢀ
(12.b)
[0102]
|iref
c4w
|≤cap
4w
ꢀꢀꢀ
(12.c)
[0103]
通过使用(8)并代入(11)，(12)可以重写为：
[0104]
|iref
a4w
|＝|ρ
·
iref
α
+iref0|≤cap
4w
ꢀꢀꢀ
(13.a)
[0105]
|iref
b4w
|＝|ρ
·
iref
β
+iref0|≤cap
4w
ꢀꢀꢀ
(13.b)
[0106]
|iref
c4w
|＝|ρ
·
iref
γ
+iref0|≤cap
4w
ꢀꢀꢀ
(13.c)
[0107]
为了确定p，可以使用fft技术将等式(13a-13c)变换到频域。根据谐波频谱的频域中的(13a-13c)的rms值的平方值由下式给出：
[0108][0109][0110][0111]
为了找到满足不等式(14)的比率p，首先确定满足(14)的等式部分的值ρa、ρb,和ρc，所述等式部分即，
[0112]
[0113][0114][0115]
然后，可以从下式中找到满足(14)的比率p：
[0116]
ρ＝min(ρa,ρb,ρc)
ꢀꢀꢀ
(16)
[0117]
为了求解ρ
x
(x＝a,b,c)，可以求解等式(15.a)，并且等式(15.b)和(15.c)的解可以具有类似的形式。将(15.a)扩展为实部和虚部，得到：
[0118][0119]
收集(17)的实部和虚部，得到，
[0120][0121]
计算(18)中的求和部分里的项目的复幅度(|
·
|)，得到，
[0122][0123]
其扩展为
[0124][0125]
等式(20)可以重写为，
[0126]
|i
a4w
|2＝aρ
a2
+bρa+c
ꢀꢀꢀ
(21)
[0127]
其中a、b、c定义为：
[0128][0129][0130][0131]
在(15.a)中使用(21)，得到，
[0132]
|i
α4w
|2＝(aρ
a2
+bρa+c)＝cap
4w2
ꢀꢀꢀ
(23)
[0133]
根据二次公式(24)，可以从该(23)中求解pa：
[0134]
(aρ
a2
+bρa+c-cap
1w2
)＝0
ꢀꢀꢀ
(24)
[0135]
使用二次公式，由下式获得pa[0136]
如果d＝[b
2-4a(c-cap
4w2
)]≥0
ꢀꢀꢀ
(25)
[0137]
如果(24)没有实解，即d≡b
2-4a(c-cap
4w2
)《0，则pa＝1。这对应于图6a和图7a中的情况。概括而言，
[0138][0139]
其中d＝[b
2-4a(c-cap
4w2
)]，并且a、b、c如(22)中所定义，可以使用相同的公式，通
过分别用和代替(22)中a和b的表达式中的来找到pb和pc。
[0140]
图12、图13和图14示出了可以由一个或多个控制器执行的控制计算的示意图。在一些示例中，控制器810执行图12-14的控制计算。在各种示例中，单元802、804中的每一个包括至少一个控制器，其可以是被配置为执行图12-14的控制计算的主控制器或从属控制器。在至少一个示例中，图12-14的控制计算可以由控制器中的每一个在源电压t1(即，由ac源806提供的ac电压)的每个基频谐波周期循环中执行(例如，对于50hz或60hz的ac信号，分别为每20ms或16.667ms)。在一些示例中，可以使用锁相环来确定t1。
[0141]
图12示出了根据示例的表明控制方案1200的控制图。在至少一个示例中，控制方案1200可以由控制器810执行，控制器810可以在单元802、804中的至少一个的内部或外部。例如，控制器810可以重复地执行控制方案1200，诸如在从ac源806接收的ac电压的每个周期t1。
[0142]
控制器810从源ct 812和/或负载ct 814接收分别指示每个相上的源电流和负载电流的电流信息1202。在各种示例中，以基本周期t1的n倍的速率对电流进行采样，并将其存储到长度为n的存储器缓冲器中。在第一控制块1204处，控制器810确定n。为了有效的计算，n可以被选择为2的幂。通过奈奎斯特(nyquist)定理，n可以被选择为大于待控制的感兴趣的谐波频率(表示为nh)的2倍。例如，如果期望将谐波控制到高达50次谐波，则nh＝50，这要求n》2
×
nh＝100。在该示例中，也是2的幂的最小的n等于128。fft计算结果是由n/2个复数表示的谐波频谱。由于在随后的计算中不需要dc成分(i＝0)和大于nh次谐波的谐波频谱，所以可以忽略dc成分(i＝0)和大于nh次谐波的谐波频谱。第一控制块1204产生提供给第二控制块1208的复电流
[0143]
在第二控制块1208处，谐波频谱用于分别使用如图11a或11b中的开环或闭环方法基于ahf目标(谐波补偿、功率因数校正或负载平衡)来计算和输出总负载补偿电流1210，从而产生参考电流的复谐波频谱对于功率因数校正，从至少一个电压传感器接收来自ac源806的相对中性点电压van、vbn和vcn 1212。
[0144]
总负载补偿电流1210被提供给第三控制块1214。在第三控制块1214处，使用等式(4)和(6)计算对于i＝1,
…
,nh的复谐波频谱的零分量和非零分量，如下：
[0145][0146][0147][0148]
第三控制块1214输出参考电流1216。零电流参考被提供给rms限制块1218。在rms限制块1218处，限制零电流参考的复谐波频谱，使得零电流的总rms小于4线单元804的总容量cap4w。
[0149][0150]
对于i＝1,
…
,nh，并且(with)
[0151]
rms限制块1218输出受限的零电流参考如果适用的话，第三控制块1214将参考电流1216的非零分量提供给单元802、804中的包含控制器810的单元以外的每一个，并且rms限制块1218将受限的零电流参考提供给单元802、804中的除了包含控制器810的单元之外的每一个。rms限制块1218还将受限的零电流参考提供给比率计算器块1222。
[0152]
比率计算器块1222确定指示单元802、804之间的非零电流的分配的比率p 1224。在各种示例中，比率计算器块1222使用等式(16)、(22)和(26)来确定比率p 1224。比率计算器块1222可以基于4线单元804的容量并且基于受限的零电流参考和参考电流1216的非零分量来确定比率p 1224，如上所述。如果适用的话，比率计算器块1222可以将比率p 1224广播到单元802、804中的除了包含控制器810的单元之外的每一个。因此，由控制器810共同广播到从属单元的输出信息1226包括非零参考电流受限的零电流参考比率p、3线单元的容量信息cap3w和4线单元的容量信息cap4w。
[0153]
在从控制器810接收到数据时，从属单元执行控制计算。图13示出了由4线单元804的4线从属单元执行的控制方案1300的控制图。4线从属单元接收输出信息1226。在第一控制块1302处，非零参考谐波频谱以p进行缩放：
[0154][0155][0156]
对于i＝1,
…
,nh
[0157]
经缩放的非零参考谐波频谱1304被提供给第二控制块1306。在第二控制块1306处，通过将缩放后的非零参考谐波频谱1304乘以单元自身的相应容量与4线单元的总容量cap4w相比的比率来导出单元的局部参考电流1308：
[0158]
对于x＝α,β和0，并且i＝1,
…
,nh
[0159]
在第三控制块1310处，将局部参考电流1308变换回abc空间以生成变换后的参考电流1312：
[0160][0161]
[0162][0163]
对于i＝1,
…
,nh
[0164]
在第四控制块1314处，执行n点逆fft以获得用于在上面讨论的ahf控制方案1000中使用的单元的时域参考电流iref
4wa
、iref
4wb
和iref
4wc 1316。在各种示例中，可以在该步骤将大于nh次谐波的dc成分和谐波频谱设置为零。
[0165]
图14示出了由3线单元802的3线从属单元执行的控制方案1400的控制图。控制方案1400类似于控制方案1300。然而，当参考电流的零分量为零时，在第一控制块1402中，非零参考谐波频谱按(1-p)进行缩放：
[0166][0167][0168]
经缩放的非零参考谐波频谱1404被提供给第二控制块1406，在第二控制块1406处，非零电流的总rms被限制为3线单元802的总容量cap3w，如下：
[0169][0170][0171]
控制方案1400的其余部分可以与控制方案1300基本相似或相同，除了省略了电流的零分量，并且为了简洁起见不再重复。
[0172]
如上所述并且如本领域普通技术人员将理解的，本文公开的实施例可以被配置为系统、方法或其组合。因此，本公开的实施例可以由包括硬件、软件、固件或其任何组合的各种装置组成。
[0173]
应当理解，本文寻求保护的概念、系统、电路和技术不限于在本文描述的示例应用中使用，而是可以在其中可能期望在包括以并联配置布置的一个或多个3线ahf和一个或多个4线ahf的系统中分配参考电流的基本上任何应用中有用。如上所述，在某些系统中，可能出现具有并联连接的3线ahf和4线ahf的期望。上面讨论的示例包括用于并联混合3线ahf和4线ahf以增加并联系统中每个单元的安培容量的利用率的方法。在一个示例实现中，该方法将所有零分量电流分派给4线单元。该方法可以将非零分量分成由4线单元和3线单元实现的比例，使得并行系统中的每个单元可以被加载到其相应的容量。各种示例包括计算等于将由4线单元实现的非零补偿电流的比例的比率p《1.0，使得可以更充分地利用4线单元的容量。非零分量的剩余比例(1-p)可以分配给3线单元。
[0174]
虽然已经示出和描述了本公开的特定示例和应用，但是应当理解，本公开的实施例不限于本文公开的精确构造和组成，并且在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的精神和范围的情况下，各种修改、改变和变型可以从前述描述中显而易见。
[0175]
已经描述了用于说明作为本专利主题的各种概念、结构和技术的优选实施例，现在对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，可以使用包含这些概念、结构和技术的其
他实施例。另外，本文描述的不同实施例的元件可以组合以形成上面没有具体阐述的其他实施例。
[0176]
因此，认为本专利的范围不应限于所描述的实施例，而是应仅由所附权利要求的精神和范围限制。
技术特征：1.一种电力系统，包括：至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)，配置为耦合到三相负载并向所述三相负载提供补偿电流；至少一个四线ahf，配置为耦合到所述三相负载并向所述三相负载提供补偿电流；以及控制器，所述控制器被配置为：确定要提供给所述三相负载的总补偿电流，所述总补偿电流包括零分量和非零分量；确定所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的输出容量；基于所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的所述输出容量来计算电流补偿比率；以及基于所述电流补偿比率来控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供所述总补偿电流的所述非零分量的至少一部分。2.根据权利要求1所述的电力系统，其中，所述至少一个三线ahf与所述至少一个四线ahf并联耦合。3.根据权利要求1所述的电力系统，其中，所述控制器还被配置为控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供零补偿电流，从而满足所述总补偿电流的所述零分量。4.根据权利要求3所述的电力系统，其中，所述控制器被配置为：在将所述总补偿电流的所述零分量分配给所述至少一个四线ahf之后，确定所述至少一个四线ahf的剩余容量；以及确定所述至少一个四线ahf的所述剩余容量是否超过所述总补偿电流的所述非零分量。5.根据权利要求4所述的电力系统，其中，所述控制器被配置为响应于确定所述至少一个四线ahf的所述剩余容量超过所述总补偿电流的所述非零分量，而将所述总补偿电流的全部分配给所述至少一个四线ahf。6.根据权利要求5所述的电力系统，其中，所述电流补偿比率为1，并且其中，所述至少一个三线ahf不向所述三相负载提供补偿电流。7.根据权利要求4所述的电力系统，其中，所述控制器被配置为响应于确定所述总补偿电流的所述非零分量超过所述至少一个四线ahf的所述剩余容量，而将所述至少一个四线ahf的所述剩余容量分配给非零补偿电流。8.根据权利要求7所述的电力系统，其中，所述总补偿电流的所述非零分量的所述至少一部分是提供给所述三相负载的非零补偿电流的第一部分，并且其中，所述非零补偿电流的剩余部分被分配给所述至少一个三线ahf。9.根据权利要求8所述的电力系统，其中，所述电流补偿比率等于所述非零补偿电流的所述第一部分除以所述非零补偿电流。10.一种非暂时性计算机可读介质，在所述非暂时性计算机可读介质上存储有用于操作电力系统的计算机可执行指令序列，所述电力系统包括至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和至少一个四线ahf，所述至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和至少一个四线ahf中的每一个都被配置为耦合到三相负载并向所述三相负载提供补偿电流，所述计算机可执行指令序列包括指示至少一个处理器进行以下操作的指令：确定要提供给所述三相负载的总补偿电流，所述总补偿电流包括零分量和非零分量；
确定所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的输出容量；基于所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的所述输出容量来计算电流补偿比率；以及基于所述电流补偿比率来控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供所述总补偿电流的所述非零分量的至少一部分。11.根据权利要求10所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述指令进一步指示所述至少一个处理器控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供零补偿电流，从而满足所述总补偿电流的零分量。12.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述指令进一步指示所述至少一个处理器：在将所述总补偿电流的所述零分量分配给所述至少一个四线ahf之后，确定所述至少一个四线ahf的剩余容量；以及确定所述至少一个四线ahf的所述剩余容量是否超过所述总补偿电流的所述非零分量。13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述指令进一步指示所述至少一个处理器响应于确定所述至少一个四线ahf的所述剩余容量超过所述总补偿电流的所述非零分量，而将所述总补偿电流的全部分配给所述至少一个四线ahf。14.根据权利要求13所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述电流补偿比率是1，并且其中，所述至少一个三线ahf不向所述三相负载提供补偿电流。15.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述指令进一步指示所述至少一个处理器响应于确定所述总补偿电流的所述非零分量超过所述至少一个四线ahf的所述剩余容量，而将所述至少一个四线ahf的所述剩余容量分配给非零补偿电流。16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中，分配给所述至少一个四线ahf的所述总补偿电流的所述非零分量的所述至少一部分是提供给所述三相负载的非零补偿电流的第一部分，并且其中，所述非零补偿电流的剩余部分被分配给所述至少一个三线ahf。17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中，所述电流补偿比率等于所述非零补偿电流的所述第一部分除以所述非零补偿电流。18.一种操作电力系统的方法，所述电力系统包括至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和至少一个四线ahf，所述至少一个三线有源谐波滤波器(ahf)和所述至少一个四线ahf每一个都被配置为耦合到三相负载并向所述三相负载提供补偿电流，所述方法包括：确定要提供给所述三相负载的总补偿电流，所述总补偿电流包括零分量和非零分量；确定所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的输出容量；基于所述至少一个三线ahf和所述至少一个四线ahf的所述输出容量来计算电流补偿比率；以及基于所述电流补偿比率来控制所述至少一个四线ahf以将所述总补偿电流的所述非零分量的至少一部分提供给所述三相负载。19.根据权利要求18所述的方法，还包括：控制所述至少一个四线ahf以向所述三相负载提供零补偿电流，从而满足所述总补偿
电流的所述零分量；在将所述总补偿电流的所述零分量分配给所述至少一个四线ahf之后，确定所述至少一个四线ahf的剩余容量；以及确定所述至少一个四线ahf的所述剩余容量是否超过所述总补偿电流的所述非零分量。20.根据权利要求19所述的方法，还包括响应于确定所述至少一个四线ahf的所述剩余容量超过所述总补偿电流的所述非零分量，而将所述总补偿电流的全部分配给所述至少一个四线ahf。
技术总结本公开的方面包括一种电力系统，该电力系统包括被配置为耦合到三相负载并向其提供补偿电流的至少一个三线有源谐波滤波器(AHF)、被配置为耦合到所述三相负载并向其提供补偿电流的至少一个四线AHF、以及控制器，该控制器被配置为：确定要提供给所述三相负载的总补偿电流的，该总补偿电流包括零分量和非零分量，确定所述至少一个三线AHF和所述至少一个四线AHF的输出容量，基于所述至少一个三线AHF和所述至少一个四线AHF的所述输出容量计算电流补偿比率，并且基于所述电流补偿比率控制所述至少一个四线AHF以向所述三相负载提供所述总补偿电流的所述非零分量的至少一部分。偿电流的所述非零分量的至少一部分。偿电流的所述非零分量的至少一部分。
技术研发人员：M.N.R.马尔瓦利 J.S.巴奇
受保护的技术使用者：施耐德电气美国股份有限公司
技术研发日：2022.04.29
技术公布日：2022/11/1
