配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合控制策略的構(gòu)建＊

張澧生，施 佳，郭 超，施大發(fā)

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410151）

配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合控制策略的構(gòu)建＊

張澧生，施 佳，郭 超，施大發(fā)

（湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410151）

為避免諧波問題造成電氣設(shè)備的損壞，根據(jù)諧振阻抗型混合有源濾波器（RITHAF）的濾波特性，把RITHAF加入電壓無功控制裝置（VQC），構(gòu)建一種具有電壓調(diào)節(jié)、無功補償和諧波抑制功能的配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝置.分析系統(tǒng)諧波放大產(chǎn)生的原因，提出其抑制策略，構(gòu)建配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合控制模型.仿真結(jié)果表明，該裝置及控制策略在調(diào)整電壓和無功功率的同時能有效地抑制諧波放大.

電壓無功控制；電能質(zhì)量；諧振阻抗型混合有源濾波器；諧波抑制

隨著中國電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，用戶對供電質(zhì)量和可靠性的要求也越來越高.目前中國的電力系統(tǒng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量存在一系列缺陷：電壓波動與閃變、波形畸變等，不僅影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定，也給電力用戶帶來經(jīng)濟損失，因此針對配電網(wǎng)的綜合電能質(zhì)量治理裝置的研究一定的現(xiàn)實意義.

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量治理裝置結(jié)構(gòu)形式是電力濾波器［1－4］，能同時對無功和諧波進行治理，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的優(yōu)點，但是無法對電壓無功進行調(diào)節(jié).筆者設(shè)計一種配電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量治理裝置，不僅能夠調(diào)節(jié)電壓、補償無功，而且能夠消除諧波，從而提高電壓質(zhì)量水平，能很好地改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量.

1 綜合電能質(zhì)量治理裝置結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)的配電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量治理裝置不能進行電壓無功調(diào)節(jié)的問題，筆者提出一種新的配電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量治理裝置，其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

該綜合電能質(zhì)量治理裝置由諧振阻抗型混合有源濾波器（RITHAF）、有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)補償電容器組組成.諧振阻抗型混合有源濾波器有源部分通過耦合變壓器與由L1，C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振支路并聯(lián)，再與L2，C2構(gòu)成的單調(diào)諧濾波器串聯(lián)，最終接入電網(wǎng).其中：電壓型逆變器和直流側(cè)電容C構(gòu)成諧振阻抗型混合有源濾波器的有源部分；L0和C0構(gòu)成輸出濾波器；L1和C1被調(diào)制在基波頻率，使有源部分基本上不承受基波電壓和基波電流，進而減小有源電力濾波器的容量，有載調(diào)壓變壓器和并聯(lián)補償電容器組進行電壓調(diào)節(jié)和無功補償.由圖1可知，L1和C1構(gòu)成串聯(lián)諧振支路，L2和C2構(gòu)成單調(diào)諧濾波器串聯(lián)諧振支路.串聯(lián)諧振支路與耦合變壓器并聯(lián)后再與單調(diào)諧濾波器串聯(lián)諧振支路串聯(lián)，最終諧振阻抗型混合有源濾波器通過這些支路接入電網(wǎng)，達到抑制諧波的目的.

2 電網(wǎng)系統(tǒng)諧波放大分析

圖2 系統(tǒng)n次諧波電流分布等效圖

供電系統(tǒng)的諧波源主要是電流源，并聯(lián)電容器補償引起的諧波電流放大的基本原理如圖2a）所示.供電系統(tǒng)的第n次諧波電流分布等效電路如圖2b）所示，其中：In為等效負載的諧波電流源；Isn為流入系統(tǒng)支路的n次諧波電流；nXS為系統(tǒng)n次諧波等效阻抗，XS為系統(tǒng)支路電抗；XL為電容器組串接的電抗器；XC為電容器支路電抗.

由圖2可得諧波電流放大倍數(shù)為

其中f為系統(tǒng)諧波電流放大倍數(shù).當(dāng)Isn＞In時，即支路電流比電源提供的諧波電流大，稱為系統(tǒng)諧波電流放大.

文獻［5］給出了諧振阻抗型混合有源濾波器（RITHAF）的單相等效電路，采用了負載諧波電流控制逆變器輸出電壓的控制策略，具有很好的諧波抑制效果.

3 綜合控制策略的構(gòu)建

3.1 數(shù)學(xué)模型

筆者設(shè)計的配電網(wǎng)綜合控制是在某時刻配電網(wǎng)次電壓或進線功率因數(shù)越限時，通過對控制變量OLTC和電容器投入情況地快速調(diào)節(jié)，從而達到電壓、功率因數(shù)和諧波畸變率接近期望值且OLTC分接頭和電容器組的動作次數(shù)盡量少的目的.

該問題屬于典型的多目標(biāo)優(yōu)化問題，將其轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型為

其中：α1，α2，α3分別為電壓、無功、諧波畸變率函數(shù)的組數(shù)加權(quán)因子；f（U）為電網(wǎng)電壓指標(biāo)函數(shù)；f（cosφ）為電網(wǎng)無功指標(biāo)函數(shù)；f（THD）為電網(wǎng)諧波畸變率指標(biāo)函數(shù).

上述多目標(biāo)優(yōu)化模型主要考慮電能質(zhì)量中較為重要的電網(wǎng)電壓指標(biāo)、電網(wǎng)無功指標(biāo)以及電網(wǎng)諧波畸變指標(biāo)，在滿足約束條件（3）式的前提下，對（2）式進行優(yōu)化得出控制參數(shù)的最優(yōu)解.該模型不單對某一性能進行最優(yōu)判斷，而是著眼于全局的多目標(biāo)進行系統(tǒng)優(yōu)化，能有效地提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量.

3.2 人工魚群算法

人工魚群優(yōu)化算法（AFSA）是一種模擬魚群的覓食和聚群行為，通過魚群中各個體的局部尋優(yōu)來實現(xiàn)全局尋優(yōu)的隨機搜索優(yōu)化算法，具有協(xié)調(diào)全局和局部搜索能力的優(yōu)點［6］，因此，可考慮應(yīng)用人工魚群算法對上述模型進行優(yōu)化求解.具體算法步驟如下：

（1）設(shè)定人工魚群體規(guī)模為N，將人工魚群分為3組，分別對電壓、無功以及諧波畸變進行跟蹤優(yōu)化；

（2）初始化人工魚視野V，人工魚活動步長S，最大迭代次數(shù)n，擁擠度因子為δ，人工魚權(quán)值；

（3）對各人工魚個體的函數(shù)值f進行比較，把f最大值輸入公告板；

（4）執(zhí)行追尾和聚群行為中函數(shù)值f較大的行為；

（5）執(zhí)行完后與公告板的值進行比較，取較大者賦予公告板；

（6）判斷迭代次數(shù)是否達到n，若是，輸出公告板的f結(jié)果，否則num＝num＋1，轉(zhuǎn)步驟（3）；

（7）找到全局最優(yōu)解，賦值給公告板，結(jié)束算法.

基于人工魚群多目標(biāo)優(yōu)化流程圖如圖3所示.

圖3 多目標(biāo)優(yōu)化流程

4 仿真結(jié)果

根據(jù)圖1中的配電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量治理裝置電路原理搭建仿真模型，采用人工魚群算法對仿真模型進行仿真和計算，算法和模型的仿真參數(shù)設(shè)置如下：N＝100，ε＝0.7，Z＝10，number＝5，Visual＝12，Step＝0.5；三相電源電壓為35kV，頻率為50Hz，諧波電流主要為5次、7次、11次、13次，功率因數(shù)最小值為0.95，最大值為1，Vmin＝0.85×35kV，Vmax＝1.05×35kV，THDmax＝5%.采用人工魚群算法前后仿真和計算的結(jié)果比較見表1.

表1 采用人工魚群算法前后結(jié)果比較

針對單一目標(biāo)優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為無功達標(biāo)、電壓合格、諧波電壓畸變率最低.由表1可知：優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為單一目標(biāo)優(yōu)化的算法僅能使某一目標(biāo)（或無功達標(biāo)、或電壓合格、或諧波電壓畸變率最低）達到預(yù)定要求，而其他目標(biāo)無法實現(xiàn)；優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為多目標(biāo)優(yōu)化的算法，其控制目標(biāo)全面兼顧了系統(tǒng)無功、電壓、諧波電壓畸變率等變量，并能使預(yù)定的無功達標(biāo)、電壓合格、諧波電壓畸變率最低等目標(biāo)都能達到.

5 結(jié)語

對具有諧波抑制功能的配電網(wǎng)綜合電能質(zhì)量治理裝置進行了分析，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合控制模型.引入人工魚群優(yōu)化算法，對配電網(wǎng)電壓、無功和諧波抑制等多個變量進行優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)和控制算法提高了系統(tǒng)的控制性能.

［1］ 周 柯，王 凱，劉 路，等.一種改進型并聯(lián)混合有源電力濾波器及其控制［J］.中國電機工程學(xué)報，2012，32（30）：67－72.

［2］ 楚 烺，涂春鳴，羅 安，等.不同類型諧波源綜合補償?shù)拇?lián)混合型APF設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37（8）：123－128.

［3］ 馬愛軍，陳 剛，張雪君.變電站電壓無功裝置新控制策略研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（10）：84－86.

［4］ 帥智康，羅安，劉定國，等.靜止無功補償器與有源電力濾波器聯(lián)合運行系統(tǒng)［J］.中國電機工程學(xué)報，2009，29（3）：56－64.

［5］ 涂春鳴，帥智康，李 慧，等.諧振阻抗型混合有源濾波器的原理及其補償特性［J］.中國電機工程學(xué)報，2008，28（25）：146－152.

［6］ 陳小青，劉覺民，黃英偉，等.采用改進人工魚群優(yōu)化粗糙集算法的變壓器故障診斷［J］.高電壓技術(shù)，2012，38（6）：1 403－1 409.

（責(zé)任編輯 陳炳權(quán)）

Analysis of Power Quality Control in Distribution Network

ZHANG Li-sheng，SHI Jia，GUO Chao，SHI Da-fa
（Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha 410151，China）

This paper proposes a kind of voltage regulation，reactive power compensation and harmonic suppression distribution network power quality control devices.The causes of system harmonic amplification and suppression strategies are analyzed，integrated control model is established for wattless voltage harmonic and optimization control algorithm.The simulation results verify the validity and rationality of the control strategy.

voltage reactive-power control；power quality；resonant impedance type hybrid active filter；harmonic suppression

TM933.4

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.05.014

1007－2985（2013）05－0056－04

2013－05－26

湖南省教育廳科學(xué)研究資助項目（12C1066）；湖南省科技計劃資助項目（2013FJ6041）

張澧生（1961－），男，湖南澧縣人，湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要從事電力系統(tǒng)電能質(zhì)量優(yōu)化、自動化控制與應(yīng)用、高職教育與管理等研究.