有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法

2023-12-02 02:14:06 3

專利名稱：有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法
技術領域：
本發明涉及一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法。

背景技術：
隨著電力電子器件在工業中的廣泛應用，電網的諧波汙染問題日趨嚴重。諧波不僅影響電氣設備的正常工作，還給電網的安全經濟運行帶來隱患。目前，消除諧波的方法主要有無源電力濾波器、有源電力濾波器(APF)。APF因其良好的諧波治理性能，越來越受廣泛的應用。
APF在電力系統的應用主要目的就是在注入較小的諧波電流的前提下，獲得較優的諧波治理效果。電力系統中諧波治理效果是可以通過各母線電壓畸變情況反映出來的。APF安裝位置對其工作性能具有很大的影響，當APF裝設在一個合適的位置時，APF只需注入較小的諧波電流就能取得好的諧波治理效果。但是，APF安裝位置和容量的選擇是一個非常複雜的問題，如何快速確定APF的安裝位置和容量是諧波治理過程中急需解決的難題。


發明內容
為了解決有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇存在的技術問題，本發明提供一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟 1)計算多個APF接入後電網所有母線的電壓總畸變程度之和； 2)計算多個APF接入後注入電網的諧波電流有效值之和； 3)利用電網的電壓總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網諧波治理目標函數； 4)利用班德分解法將電網諧波治理函數分解成主問題和子問題兩層； 5)主、子問題反覆迭代求解直至全部約束被滿足，最優解收斂。
本發明的技術效果在於 (1)通過對APF容量和安裝點的最優選擇，使其額定大小為最小，具有較優的經濟性； (2)可以很好的解決電網諧波電壓畸變問題，使諧波畸變程度降到最小，並滿足諧波治理標準。
(3)應用並行計算處理技術計算，過程快速、精確； (4)易於擴展到更複雜的模型結構； (5)對同時含有連續變量和整數變量的問題有很強的處理能力，而且不需要任何線性化假設。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。



圖1為電壓型APF及電流型APF 圖2為子問題運算流程圖。
圖3為Benders運算流程圖。

具體實施例方式 下面詳細說明有源電力濾波器容量和安裝位置選擇的具體步驟。
計算多個APF接入電網後所有母線的電壓總畸變程度之和 電網母線諧波電壓為 其中，M為電網中接入的APF的個數，zk，mh為電網h次諧波等效阻抗矩陣，Imh為在母線m注入的h次諧波電流值，Uk，newh為接入APF後母線k處h次諧波電壓的值，Uk，oldh接入APF前母線k處h次諧波電壓的值，ΔUkh為接入APF時引起的母線k處h次諧波電壓的變化量。
母線k上的電壓總畸變程度 則電網所有母線的電壓畸變程度之和為 其中，H為需要考慮的最高諧波次數，K為所研究的電網母線總數，Wkh為影響因子，取值範圍為
。
計算多個APF接入後注入電網的諧波電流有效值之和 Imh，r為APF在母線m處注入的h次諧波電流的實部，Imh，i為APF在母線m處注入的h次諧波電流的虛部。
利用電網的電壓總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網諧波治理目標函數 MinF1+F2 其中 F1 F2 約束條件為 Im≤IMax m＝1…M Im∈D 其中，IMax為APF的最大容量、D為APF的一系列不同容量等級、Uk，Maxh為國標允許的h次諧波電壓含量最大值、THDk為電壓總畸變程度允許最大值。
利用班德分解法將電網諧波治理函數分解成主問題和子問題兩層。主問題可表示成如下 Min F s.t Im-IMax≤0 Im∈D 其中，F及Im為未知量，帶有上標「*」的量是通過子問題求取的。據Benders分解法，電網諧波治理問題的子問題可表示成如下 Min F1+F2* s.t m＝1，…，M k＝1，…，K；h＝2，…，H 其中，帶有上標「*」的量是通過上述主問題獲得的。當考慮APF的容量限制時，利用拉格朗日乘數法對子問題的具體求取過程如下 設APF的最大輸出電流有效值為Immax，則有 其中，Immax為APF能輸出的諧波最大值。
上式為考慮APF輸出容量限制時的約束條件，那麼此時電網諧波治理優化目標函數的拉格朗日表達式為 其中， 其中，m＝1，2，…M，表示APF的序號，μ1為拉格朗日乘數。
方程(2)的Kuhn-Tucker條件為 式(3)、(4)可以分別表示為 考慮APF容量限制時的最優解可以用不考慮容量限制時最優解表示。因此，Im，Ch，r和Im，Ch，i可以分別表示為 其中，αmh，r和αmh，i為實部和虛部的比例係數。把式(7)、(8)分別代入式(6)、(7)得 由(9)式可以看出，對於APF注入電流的實部和虛部而言係數αmh，r與αmh，i是相等的。因此，可以通記為αmh。則式(9)可以表示為 解式(10)得 由式(2)可知，當APF的設置位置及容量確定後，其注入電網的各次諧波電流的拉格朗日係數μ1是相等的。因此，t次諧波的比例係數αmt可由h諧波的係數αmh表示 又由於APF發出的諧波電流有效值最大值為Immax，因此 把式(7)、(8)代入上式得 通過計算可得到 由上式可以看出，求解考慮APF容量限制時的最優解問題就轉化為對αmh(h＝2，3，…，H)的求解。對於αmh的求解，運算過程如圖2所示。
a初始化，輸入電網個母線諧波電壓含量，電網等效阻抗，APF的容量等級，同時給αm2賦初值； b利用式(12)求取其餘各次諧波的比例係數α； c把求取的α值的集合代入式(15)，計算等式左邊的值； d判斷等式(15)兩邊的值是否相等； e若誤差在大於允許誤差，則修正α，返回(b)； f如果誤差在允許範圍之內，在則利用式(7)、(8)計算出APF各次諧波電流的最優值，利用式(11)計算出μ1； g向主程序返回求取的μ1及Im值。
參見圖3，利用班德分解法(Benders)求取APF最優安裝位置及容量的運算過程如下 a根據現場諧波含量及工程經驗，估計APF容量初始值，設下邊界初值為一個負數； b對子問題進行求解，獲得目標函數上邊界值，注入諧波電流的實部Imh，r、虛部Imh，i以及邊際效應值μm*； c如果求得的目標函數上邊界值與下邊界值間的誤差在允許範圍內則求解過程結束，否則，轉到d； d把子問題獲取的Benders割傳遞給主問題，對主問題求解，獲得一個新的目標函數下邊界值和APF的容量限制值； e把主問題的解傳遞給子問題，轉到b。
上述求解過程中，當主問題確定了APF的容量及安裝位置後，子問題進行運算，獲得一個最優的諧波注入電流Im，並以Benders割(cut)的形式返回主問題。主問題根據子問題返回的信息，利用邊際效應μm*求取更優的APF安裝位置及容量，主、子問題反覆迭代直至約束被滿足，獲得最優解。即得到APF在電網中應用時安裝位置及容量的最優求解，從而在注入較小的諧波電流的前提下，能獲得較優的諧波治理效果。
權利要求
1.一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，包括以下步驟
1)計算多個APF接入後電網所有母線的電壓總畸變程度之和；
2)計算多個APF接入後注入電網的諧波電流有效值之和；
3)利用電網的電壓總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網諧波治理目標函數；
4)利用班德分解法將電網諧波治理函數分解成主問題和子問題兩層；
5)主、子問題反覆迭代求解直至全部約束被滿足，最優解收斂。
2.根據權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟1)包括以下步驟
列出電網母線諧波電壓公式；
其中，M為電網中接入的APF的個數，zk，mh為電網h次諧波等效阻抗矩陣，Imh為在母線m注入的h次諧波電流值，Uk，newh為接入APF後母線k處h次諧波電壓的值，Uk，oldh接入APF前母線k處h次諧波電壓的值，ΔUkh為接入APF時引起的母線k處h次諧波電壓的變化量。
計算母線k上的電壓總畸變程度
電網所有母線的電壓畸變程度之和為
其中，H為需要考慮的最高諧波次數，K為所研究的電網母線總數，Wkh為影響因子，取值範圍為
。
3.根據權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟2)中注入電網的諧波電流有效值之和為
Imh，r為APF在母線m處注入的h次諧波電流的實部，Imh，i為APF在母線m處注入的h次諧波電流的虛部。
4.根據權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟3)中利用電網的總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網諧波治理目標函數為
MinF1+F2
其中
F1
F2
約束條件為
Im≤IMax m＝1…M
Im∈D
其中，IMax為APF的最大容量、D為APF的一系列不同容量等級、Uk，Maxh為國標允許的h次諧波電壓含量最大值、THDk為電壓總畸變程度允許最大值。
5.根據權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟4)中主問題描述如下
Min F
s.t
Im-IMax≤0
Im∈D
其中，F及Im為未知量，帶有上標「*」的量是通過子問題求取的。
6.根據權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟4)中子問題描述如下
Min F1+F2*
s.t
m＝1，…，M
k＝1，…，K；h＝2，…，H
其中，帶有上標「*」的量是通過上述主問題獲得的。
全文摘要
本發明公開了一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法。包括以下步驟計算電網母線的電壓總畸變率及注入電網諧波總電流；建立電網諧波治理目標優化函數；利用班德分解法對電力系統諧波治理目標函數進行求解。Benders求解過程中將整個求解分割成兩部分主問題與子問題，主問題處理APF位置及額定容量的選取，使得額定容量為符合實際情況的離散值，並且使得APF的額定容量為最小；子問題用於解決電網諧波電壓畸變問題，通過利用拉格朗日乘數法求解考慮APF容量限制時注入諧波電流的最優值，使諧波畸變程度降到最小，並滿足諧波治理標準。
文檔編號H02J3/01GK101222141SQ20071030346
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月29日 優先權日2007年12月29日
發明者安 羅, 帥智康, 適 舒, 孫賢大, 偉 趙 申請人:湖南大學