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微电网无源电力滤波器的多目标优化设计

2021-06-12 来源:步旅网
・电能质量・ 低压电器(2013No.3) 微电网无源电力滤波器的 多目标优化设计木 李圣清, 李永安, 曾黎琳,何政平 (湖南工业大学,湖南株洲摘412008) 要:提出了基于多岛粒子群优化算法求解微电网混合有源电力滤波器(APF) 李圣清(196l一), 中无源电力滤波器参数的优化设计方法。该方法将优化种群多岛化,增加寻优结果的 多样性,将惯性权重系数动态随机取值,以更好地调节算法的全局与局部搜索能力,从 而避免算法提前陷入早熟。从谐波抑制、无功功率补偿和滤波器成本多目标综合优化 男,教授,博士,研 究方向为电能质量 (PPF)参数,使其在满足滤波要求的前提下,更好地节约成本。试验结果验证了该方法 的合理性和可靠性。 关键词:微电网;多岛粒子群优化算法;动态随机取值;无源电力滤波器;优化设计 中图分类号:TM 619:TN 713:8文献标志码:A03 ̄0055-05 调节与控制技术。 文章编号:1001—5531(2013) Multi—Objective Optimal Design of Passive Power Filter in Microgrid LI Shengqing,LI Yong'an,ZENG Lilin,HE Zhengping (Hunan University of Technology,Zhuzhou 4 1 2008,China) Abstract:An optimization design method of passive power filter(PPF)parameters was proposed,which is based on multi—island particle swarm optimization.This method makes the population much of the islands to increase the diversity of optimization results and takes the dynamic randomly values of weight coeficientf to regulate the global and local search ability to avoid algorithm into early maturity.It takes the harmonic distortion,capacity of reactive power compensation and the investment of PPF as optimization objectives to design PPF parameters.The experimental operation data show that the design scheme and test device are eficifent and reliable. Key words:microgrid;multi-island particle swarm optimization algorithm(MIPSO);taken value dynamic randomly;passive power iflter(PPF);optimal design 0 引 言 近年来,微电网在低压配电网系统中渗透率 逐渐提高。由于非线性负载及其分布式电源并网 逆变器的电力电子器件的存在,微电网电能质量 治理已经迫在眉睫。在电能质量改善中,混合型 有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter, HAPF)得到了广泛的应用¨ 。在混合系统中, 无源电力滤波器(Passive Power Filter,PPF)承担 主要的无功补偿任务。由于PPF的优化设计在 很大程度上决定HAPF的成本和能否按其工作原 理实现预期的谐波抑制效果,因此,对PPF的参 数进行优化设计,显得格外重要。 目前,应用较多的PPF多目标优化设计方法 主要采用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)L 8-11 。 文献[8]通过非精确偏好信息引导遗传搜索,使 得算法种群朝多个目标的最佳综合性能方向进 化,增加了解的多样性,不足之处是算法较复杂。 文献[10]采用兼顾种群多样性和遗传进程的遗 传参数调整策略,获得了PPF参数综合优化的实 李永安(1985一),男,硕士研究生,研究方向为电能质量调节与控制技术。 曾黎琳(1987一),女,硕士研究生,研究方向为电网电能质量综合治理。 基金项目:国家自然科学基金项目(51077046);湖南省重点学科建设项目(201176) 55— 低压电器(2013No.3) 用性设计结果,但算法程序占用系统内存空问较 大。近年来,粒子群优化算法基于其操作方便和 收敛速度快等优点,在电力系统领域得到了较为 广泛的应用¨ 。本文针对微电网技术特点,提 出了基于动态随机权重的多岛粒子群优化算法, 以求解HAPF中PPF参数的优化设计方法。 l PPF优化设计问题的数学描述 1.1 PPF优化设计原则 微电网电能质量特征与传统电力系统有很大 差异,本着“优质”和“经济”并行的优化设计原 则,微电网中PPF优化设计应遵循以下原则: (1)C、L、R问的关系应满足对微电网主要特 征谐波呈现低阻抗的滤波原理。 (2)PPF的设计应满足微电源运行不确定性 强、间歇性、复杂性和不稳定性的特点。 (3)PPF的整体基波等效阻抗不但应与微电 网系统阻抗形成串、并联谐振,还要满足系统无功 补偿的要求。 (4)微电网谐波含量应满足国家标准,PPF 谐波容量的计算应加上10%的背景谐波容量。 (5)在满足上述设计原则的前提下,尽可能 降低投入成本。 1.2 PPF优化设计问题的数学描述 (1)滤波器装设后,最大限度地补偿系统所 需无功容量 ,即 maxQ ,Q ≤ …:,, 。, 一,,,Q ≤Q (1) 式巾Q 、Q ——滤波器所能提供的基波无功 功率的最大值与最小值 (2)装设滤波器后,要使微电网谐波含量在 满足国家标准的基础上越低越好,即 min Ⅲ, 。r√ ( Ih)≤ (2) 厂 ■ min √h,\/ =\ 2(  ,U)≤  。 (3) 式中 H¨,、叼 。 ——电流、电压的总畸变率 ,】、U,——基波电流和电压的有效值 ——系统h次谐波电流和电压 有效值 (3)装设滤波器初期,总投资最小,即 arin COST= ,,( 1C + 2 + 3尺 )(4) S6~ ・电能质量・ 式中k 、k:、k3——第i组PPF的电容、电感、电 阻所对应的单位价格因子 2 基于多岛粒子群优化算法的无源 滤波器优化设计 多岛粒子群优化算法(Multi—Island Panicle Swarm Optimization Algorithm,MIPSO)将初始粒 子群分成若干个子群(本文称为岛),在各个岛巾 执行粒子群优化算法(Particle Swarm Optimiza— tion,PSO)操作,且定期在不同岛之间选择较优 个体,有针对性地进行粒子的组合操作,进而组合 为一个更加优等的岛,对该岛的粒子适应度进行 排序,在组合而成的优等岛中继续进行PSO算法 操作,直至寻找到最优解为止。组合过程由组合 间隔和组合率2个参数决定。组合间隔表示每次 组合的粒子代数;组合率决定在一次组合过稃中 每个岛上参与粒子数量的百分数。对于组合而成 的新岛,由于该岛中的粒子是来自于不同岛上的 最优粒子,进而使新种群具有较好的多样性,粒子 问的合作将更加高效。算法的数学模型为:将初 始种群Ⅳ分为n个岛{d ,d ,d,,…~d},其中每 个岛k个粒子。在岛上D维空间有 个粒子, X =(X X …,X )为粒子i=(1,2,…, )的位 置, =(V ,…, )为相应粒子的速度。和 各个岛上,算法迭代过程速度与位置的更新公 式为 d(t+1)=wVi ( )+ClA【P (£)一 ( )I+ 。2 [G d(£)一 (£)】 X d(t+1)=X (£)+Vid(t+1) i=1,2,…,m;d=1,2,…,D;t=1,2,…,T; A、 ∈U[0,1] (5) 式中 ——惯性权重系数 Cl、C2——加速系数,且c1=c2=2 当前迭代次数 最大迭代次数 PPF中包含了5、7次2组单调谐滤波器和1 组二阶高通滤波器。考虑到PPF中电阻、电感和 电容之问可相互转化,以及电容成本占有较高的 比重,选择电容C 、C 、C 为独立的优化变量。 令X =(C ,C ,C ) ,根据优化目标构造相应的 适应度函数,即 ・电能质量・ F (X)=C一 Q (6) F2( )=叼THD (7) F ( )=COST (8) 式中C的值可根据工程经验计算得到。 当各个岛上算法初步达到收敛后,依照原先 确定好的组合间隔和组合率,在每个岛上选取相 应数量的粒子组合为一个更加优等的岛,对该岛 的粒子适应度F( )进行排序,再次按式(5)进行 粒子位置和速度的更新操作,直至寻找到最优解 为止。 在MIPSO算法进行过程中,惯性权重系数W 是调整算法全局搜索能力和局部搜索能力的平衡 因子。较大的W值能使算法更好地进行全局搜 索;反之,较小的W值使算法更好地进行局部搜 索。一般情况下,W的更新方法多采用线性下降 的方法进行更新,但该方法存在一些不足¨ 。本 文对惯性权重的取值方法进行了改进,采用一种 动态随机更新方法。首先,定义适应度最优变化 率为 叼= (9) 式中-厂(t) t一5)——粒子群在迭代t、(t一5) 次时的最优适应度 惯性权重W将进行随机取值,即 式中RD——均匀分布于[0,1]之间的随机数 ,卢 ∈[0.4,0.9] 微电网PPF装置参数多目标优化设计实施 步骤如下: (1)依据系统谐波参数,采用工程计算方法, 初步计算出滤波器的一组初始参数。 (2)确定初始种群的多岛结构,将初始粒子 种群Ⅳ分为n个岛{d ,d ,d,,…,d ),其中每个 岛k个粒子;岛上粒子的初始化位置为X =(X …,X 。),Vi=( , ,…,vk。)为速度。其 中,X =(X X ,…,X 。)对应工程计算的PPF初 始电容参数。 (3)在各个岛上的子群中进行PSO算法操 低压电器(2013No.3) 作,粒子群位置与速度的更新按式(5)进行,惯性 权重按式(10)进行动态随机更新,确定粒子中到 目前为止寻找到的最好位置,更新最好位置所对 肋一+= 2胁一 += > 2  QQe£L 应的适应度函数。 (4)当各岛上PSO算法基本达到收敛后,按 照事先确定的组合间隔和组合率的大小在岛与岛 之间选出适应度较优的粒子进行组合操作,进而 叩 叩 对应较优适应度的粒子组合为新的种岛,对该岛 ≥ < 的粒子适应度函数进行排序。 (5)在新的种岛中以新的初值点进行PSO 算法操作。 (6)以此类推,直到达到最优解。 (7)如果达到最大迭代次数,计算终止;否 则,转到步骤(3)。 3 试验研究 为验证优化算法MIPSO的准确性和可行性, 本文采用了一个简单的2节点系统进行了试验研 究,如图1所示。 工业节点1 图1系统安装结构图 系统参数:工业节点1电压为6 kV,变压器 为6 kV—A/0.4 kV—Y—g;线路参数为三相接地 电缆,正序参数为R=0.02 Q,X=0.06 Q;工业节 点2有负荷为0.5 Mw,功率因数0.85滞后,且有 2个DG通过三相六脉冲逆变器接入系统:P。。= 0.02 MW,功率因数为0.80滞后,且该谐波源仅 产生特征谐波电流。 由于系统负载中存在的大量冲击性非线性负 载、变频器和分布式电源DG的存在,工作时会产 生2~13次的谐波电流,因此,系统采用HAPF来 进行谐波治理与无功补偿,其中PPF包含5、7次 单调谐滤波器及二阶高通滤波器。APF容量为 100 A,采用MIPSO方法对PPF参数进行优化设 一57一 低压电器(2013No.3) 计。算法初始种群N=500,初始W=0.9,组合间 隔为1O,组合率为30%,并与已有传统PSO优化 方法进行比较,结果如表1所示。由表1可知,利 用MIPSO方法设计的滤波器参数比传统PSO方 法设计的参数值较小,滤波装置的初期总投资成 本下降了约5.5%。 表1 PPF设计参数结果 系统补偿前、后,工业节点2电流波形及其畸 变率如图2、图3所示。由图2、图3可见,HAPF 投入前,厂系统电能质量较差,实测畸变率高达 15%;HAPF投入后,电流波形趋近于正弦波,谐 波畸变率降低到1.3%,从根本上改善了系统的 电能质量,满足国家标准要求,很好地验证了设计 的合理性。 f I/ r / / 一 }、 H ,r 、  一I , }.~/ ,/  It/s (a)补偿前电流波形 5O 馨2煺 5 脚 -I I 一 DC 1 5 9 13 17 2I 25 29 33 37 41 45 49 谐波次数 (b)补偿前畸变率 网2补偿前电流波形和畸变率分析 4 结 语 本文提出了MIPSO算法,将其成功用于微电 58一 ・电能质量・ l / ‘ \ / ^ 、 , ,l~ l , f/s (a)补偿后电流波形 100 警50 堪 U l 3 9 lj J7 2 J 23 29 33 j/40 4)49 谐波次数 (b)补偿后畸变率 图3补偿后电流波形和畸变率分析 网PPF的优化设计中,得出了PPF参数的最优 解。试验结果表明,基于该方法设计的PPF,不仅 具有良好的谐波和无功补偿效果,而且与传统 PSO方法相比,滤波装置的初期总投资成本下降 了约5.5%。 【参考文献】 [1] 李圣清,何伟华,罗飞,等.串联混合型有源电力滤 波器对三相负载谐波源补偿特性的研究[J].中国 电机工程学报,2007,27(34):115—1l9. 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