一种基于公共连接点谐波分布的模块化APF无线并联控制策略

泰州学院电能变换与控制泰州市工程技术研究中心、东南大学电气工程学院的研究人员许胜、曹武、赵剑锋，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于公共连接点（PCC）谐波电流分布的新型模块化有源电力滤波器（APF）无线并联控制策略，以克服传统有线并联控制技术存在的通信连接线多、控制复杂、硬件成本高、可靠性低等缺陷以及容量限制无线并联控制技术存在的模块补偿容量分配不均衡等问题。

该策略充分利用PCC系统、负载及APF输出电流分布信息，采取一定的判别机制即可实现模块化APF故障冗余无线并联控制。首先阐述所提无线并联控制策略的基本原理，并提出包括检测、同步、故障辨识、故障和故障恢复辨识以及自动均流等完备的无线控制技术方案；然后提出基于该策略的模块化APF控制系统实现方法。

理论分析和实验结果表明，所提新型无线并联控制策略实现了各模块在结构和控制上的完全独立，并联运行的灵活性、可靠性和稳定性较高。

近年来，为了满足配电网大容量谐波治理要求，通常将多台小容量的有源电力滤波器（Active PowerFilter, APF）并联运行[1-4]，构成模块化结构的大功率APF并联系统[5]。该结构的主要优点是便于容量扩展，可实现故障冗余。当模块间的相互联系越少，模块独立性越强时，该结构装置的灵活性、可靠性以及运行效率将越高，而模块并联控制技术是决定这一目标的关键。

模块化APF仍然以有线并联控制为主，存在集中控制[6]和分布式控制[7]两种典型控制模式。

（1）集中控制模式。

由主控制和模块底层控制两级控制层组成，主控制器采用并行通信模式实现对各底层控制器的统一协调控制。该模式下，通常谐波电流检测和同步信号生成等环节由主控制器统一完成，并将谐波指令电流和同步信号下发到各底层控制单元，由于信号下发时序可控，可以方便实现载波移相SPWM（CarrierPhase-Shifted SPWM, CPS-SPWM）[8-10]等控制算法。

该控制模式的同步性和可协调度较高，故障冗余控制也较简单。但当主控制器出现故障时，整个并联系统停止工作，可靠性较差，且集中控制器增加了控制系统的硬件成本。

（2）分布式控制模式。

该控制模式基于CAN总线、RS232/485等通信技术，采用串行通信完成模块协调控制，各模块独立完成谐波电流的检测与控制，同步、均流等信息通过串行通信传递。该模式独立性和可靠性较高，主要问题是存在单点故障，互联通信线路易受电磁干扰，且线路长度受并联模块数的限制。

总之，有线并联控制模式由于各模块存在相互通信联系，一方面增加了控制系统的硬件成本及复杂程度；另一方面，通信线路引入的电磁干扰会增强模块间的交互影响，降低了系统的可靠性和模块独立性。因此，由于各模块不能完全独立，有线控制模式并不能实现真正意义上的模块化目标。

相对而言，无线并联控制技术由于模块间不存在通信联系和协调控制，各模块完全独立，能够真正实现冗余结构和模块化设计，可靠性较高。目前，应用于模块化APF的无线并联控制技术主要为容量限制控制技术，又称级联控制技术[11]，其基本控制原理：首模块检测负载电流，其他各模块分别检测前一个模块补偿后的负载电流，并根据自身容量进行谐波补偿。该方法的主要问题是各模块补偿容量分配不均衡，离负载越近的模块承担补偿容量越大，从而长时间运行时器件老化程度越高，故障概率也越大。

特别地，各模块检测电流中会包含前面模块对电网的不良影响，导致信号检测和补偿的偏差，且由于累加效应离负载越远越严重。此外，该技术可以实现故障冗余控制，但不便于实现均流控。

需要说明的是，基于下垂控制[12,13]的无线并联技术目前在模块化逆变器中应用也较多。该技术利用逆变器输出下垂特性，各模块根据自身有功和无功功率实时调整输出电压的频率和幅值，以均衡各自的输出电流。但该技术主要应用于并网逆变器和UPS的并联运行均流控制，并不适合等效为电流源性质的模块化APF的并联控制。

本文提出一种基于公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）谐波电流分布的新型模块化APF无线并联控制策略。该控制策略不设置主控制器，各模块间无需通信联系，充分利用PCC系统、负载以及APF输出谐波电流的分布信息，并采取一定的判别机制，即可实现装置故障冗余、自动均流及同步等并联控制。首先论述所提无线并联控制策略的基本原理，并提出包括检测、同步、故障辨识、故障和故障恢复辨识及自动均流等完备的无线控制技术方案；在此基础上，提出基于该策略的模块化APF控制系统实现方法；最后，通过仿真与实验案例对该策略进行分析和验证。

图1 基于新型无线并联控制策略的系统结构简图

结论

本文提出了一种基于PCC谐波电流分布的新型模块化APF无线并联控制策略，并提出了包括检测、同步、故障辨识、故障和故障恢复辨识以及自动均流等完备的无线控制技术方案。该策略充分利用PCC的系统、负载及APF输出谐波电流分布信息，并采取一定的判别机制，实现装置故障冗余无线并联控制。

理论分析和实验结果表明，所提新型模块化APF无线并联控制策略有以下优点：

1）克服了传统有线控制模式下的控制系统通信连接线较多、控制复杂、硬件成本高及可靠性低等缺陷。

2）解决了现有容量限制无线并联控制技术存在的模块补偿容量分配不均衡、无法实现均流控制等问题。

3）模块间不存在通信联系，实现了各模块在结构和控制上的完全独立，并联运行的灵活性、可靠性和稳定性较高。

4）该无线并联控制策略无需复杂的控制算法，易于工程实现，可为新能源微网、电动汽车充电站、储能等领域的模块化变流器的并联控制提供参考。