基于參數(shù)特征提取的微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置優(yōu)化配置方法

蔣晨達(dá),李 津

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系，福建 永安 366000)

無功諧波綜合防治裝置的生產(chǎn)應(yīng)用逐漸受到廣泛關(guān)注，諧波綜合防治裝置亦稱為濾波器[1]，能夠控制電網(wǎng)中的外來諧波注入，同時(shí)對(duì)無功功率進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償[2]。

針對(duì)不同的配電網(wǎng)，諧波負(fù)荷具有不同的形態(tài)，其傳播時(shí)間、頻率、方式等都存在不確定性，傳統(tǒng)的諧波防治裝置容易受到參數(shù)配置和設(shè)備規(guī)則束縛，如微電網(wǎng)諧波與正負(fù)序檢測(cè)方法[3]和考慮需求側(cè)響應(yīng)及不確定性的微電網(wǎng)雙層優(yōu)化配置方法[4]難以應(yīng)對(duì)多樣化的電網(wǎng)諧波注入。對(duì)此，文中基于參數(shù)特征提取方法，對(duì)微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置的優(yōu)化配置方法進(jìn)行了研究分析，其創(chuàng)新之處在于在參數(shù)特征提取方法的基礎(chǔ)上，優(yōu)化微電網(wǎng)諧波控制算法，改進(jìn)防治裝置的濾波控制配置，從而達(dá)到對(duì)微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波的高效、穩(wěn)定、可靠的控制與防治。

1 微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置

目前,中國(guó)配電網(wǎng)無功諧波綜合防治裝置應(yīng)用最為廣泛的類型是注入式混合型有源濾波器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)HVHC主要包括電網(wǎng)線路、非線性負(fù)載耦合變壓器、電流逆變器和蓄能裝置。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，諧波通過電網(wǎng)線路注入電網(wǎng)輸入諧波負(fù)荷，進(jìn)入諧波防治裝置后經(jīng)過傳導(dǎo)電路注入耦合變壓器，變壓器調(diào)整電網(wǎng)電流的電壓值，并通過基波串聯(lián)電路對(duì)電網(wǎng)諧振電路進(jìn)行處理，多個(gè)諧振電路轉(zhuǎn)換為并聯(lián)電路；并聯(lián)電路繼續(xù)傳輸過程中接入電容裝置，按照一定頻率依次向電路注入電容，并通過逆變器將電流轉(zhuǎn)化為直流電流，由電容與電流中的電感共同構(gòu)成電網(wǎng)直流側(cè)無功功率補(bǔ)償電流。為了加大對(duì)諧波控制和功率補(bǔ)償?shù)某潭龋陔娙葑⑷牒笫闺娏鹘?jīng)過晶閘管，調(diào)整控制電流中的電容，形成與電網(wǎng)整體電壓相匹配的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償[5-6]，晶閘管如圖2所示。

圖2 晶閘管

在微電網(wǎng)中，由于電流、電源等部分的不穩(wěn)定以及電力設(shè)備負(fù)荷頻率的水平不同，逆變器會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波滲透，注入到配電網(wǎng)中影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。目前，諧波防治裝置主要通過電流諧波控制方法對(duì)諧波負(fù)荷進(jìn)行有效控制[7]，諧波波形如圖3所示。

圖3 諧波波形

基于文中諧波防治裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)HVHC的相關(guān)特性，防治裝置在諧波控制中一般選擇對(duì)諧波負(fù)荷進(jìn)行抑制控制，諧波電流通過電網(wǎng)與電力設(shè)備的公共電力接點(diǎn)時(shí)被節(jié)點(diǎn)電力檢測(cè)裝置識(shí)別，接到識(shí)別通知后逆變器輸出對(duì)應(yīng)的諧波電壓，諧波電流傳輸路徑的基波諧振進(jìn)行調(diào)整，電容裝置注入電容，產(chǎn)生與注入諧波電流、電壓等條件相似、方向相反的諧波電流，對(duì)注入諧波造成一定程度的抑制，進(jìn)而控制諧波電流的傳輸，并轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償電流對(duì)動(dòng)態(tài)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，諧波電壓波動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 諧波電壓波動(dòng)狀態(tài)

對(duì)諧波電流的控制效果會(huì)受到電網(wǎng)配置和防治裝置影響，一般情況下有源濾波器的控制效果要好于無源濾波器，可以達(dá)到完全控制狀態(tài)。此外，供電質(zhì)量好的配電網(wǎng)諧波產(chǎn)生率較低，對(duì)諧波負(fù)荷的控制能力也較強(qiáng)[8-9]。檢測(cè)識(shí)別過程如圖5所示。

圖5 檢測(cè)識(shí)別過程

2 基于參數(shù)特征提取的裝置優(yōu)化配置方法

對(duì)微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置優(yōu)化配置需要對(duì)裝置的算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在傳統(tǒng)的諧波控制算法基礎(chǔ)上，基于參數(shù)特征提取方法對(duì)運(yùn)算方法進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)過程如圖6所示。

圖6 運(yùn)算方法改進(jìn)流程

根據(jù)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)電力控制算法對(duì)注入諧波的電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的諧波電壓進(jìn)行運(yùn)算獲取，通過電壓運(yùn)算公式獲得諧波電壓矩陣，公式為

(1)

式中:Yi表示電網(wǎng)中的諧波電壓矩陣;Ui表示各節(jié)點(diǎn)的諧波電壓值;Ii表示各節(jié)點(diǎn)諧波的電流值;i表示各節(jié)點(diǎn)的諧波總數(shù)量[10-11]。運(yùn)算得到電網(wǎng)中全部諧波電壓矩陣，然后根據(jù)電網(wǎng)諧波的頻率和畸變率(諧波電流轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償電流的概率)得到諧波電流的基波電壓有效值。

(2)

式中:THDU表示諧波畸變率;Fi表示電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)諧波電流基波有效電壓值。

由于防治諧波存在多樣性和不確定性的特征，需要根據(jù)參數(shù)特征提取方法對(duì)多目標(biāo)諧波檢測(cè)進(jìn)行優(yōu)化配置。調(diào)整原算法函數(shù)的協(xié)調(diào)關(guān)系，優(yōu)化函數(shù)算法的運(yùn)算過程，并增加統(tǒng)籌算法，對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行歸一化檢驗(yàn)處理。在原始的運(yùn)算函數(shù)公式基礎(chǔ)上，根據(jù)諧波抑制畸變率約束條件對(duì)約束公式進(jìn)行優(yōu)化。

(3)

式中:fs表示諧波電流并串聯(lián)形式f的振動(dòng)頻率;Sπ表示裝置變壓器的容量;Ss表示電流負(fù)荷電容量;Q表示裝置的電容量。在標(biāo)準(zhǔn)配電網(wǎng)的電流電壓條件下，能夠基于式(3)對(duì)電網(wǎng)諧波約束條件進(jìn)行運(yùn)算，從而提高對(duì)電網(wǎng)諧波的抑制約束效果[12-13]。

對(duì)于諧波的多目標(biāo)特性處理方法，采用混合函數(shù)對(duì)諧波約束運(yùn)算后得到的結(jié)果進(jìn)行非線性運(yùn)算，對(duì)多目標(biāo)的諧波進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別[14-15]。

根據(jù)歸一化公式運(yùn)算處理能夠得到諧波目標(biāo)的數(shù)量分布，再根據(jù)某一分布范圍內(nèi)目標(biāo)的取值值域，對(duì)相鄰兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行線性函數(shù)運(yùn)算，以此類推，通過加權(quán)運(yùn)算得到總數(shù)量諧波目標(biāo)函數(shù)。

(4)

式中:N表示總數(shù)量諧波目標(biāo)函數(shù)；σ表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)諧波目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)數(shù)值，加權(quán)數(shù)值根據(jù)諧波目標(biāo)的取值值域ni進(jìn)行劃分。在非線性迭代運(yùn)算過程中，由于諧波目標(biāo)的特殊性，要考慮個(gè)體目標(biāo)對(duì)整體目標(biāo)的影響，通過對(duì)加權(quán)數(shù)值Ni進(jìn)行平均值運(yùn)算，反映個(gè)體對(duì)總目標(biāo)函數(shù)的影響情況。增加的權(quán)重?cái)?shù)值平均值運(yùn)算公式為

(5)

式中:δ表示個(gè)體目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重?cái)?shù)值；pbi表示個(gè)體非線性混合函數(shù)約束數(shù)值，迭代運(yùn)算得到總目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)權(quán)重?cái)?shù)值平均值。在多目標(biāo)的參數(shù)特征基礎(chǔ)上進(jìn)行歸一化處理，得到目標(biāo)的特征相似度分布情況和多目標(biāo)的共性特征，進(jìn)而根據(jù)目標(biāo)參數(shù)特征進(jìn)行追蹤處理。諧波防治裝置根據(jù)運(yùn)算程序所得結(jié)果發(fā)出指令。

此外，對(duì)諧波防治裝置配置進(jìn)行優(yōu)化還要考慮裝置元件的參數(shù)配置和約束條件。裝置電容設(shè)備的容量與設(shè)備經(jīng)濟(jì)水平有關(guān)，進(jìn)行優(yōu)化可根據(jù)設(shè)備基本需求水平和經(jīng)費(fèi)條件進(jìn)行篩選，再根據(jù)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的濾波裝置數(shù)量對(duì)電容裝置的配置需求量進(jìn)行評(píng)估，選取經(jīng)濟(jì)承受范圍內(nèi)性價(jià)比最高的電容設(shè)備[16-17]。

在對(duì)微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置的算法進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，需對(duì)應(yīng)完善防治裝置設(shè)備及其參數(shù)的優(yōu)化配置。根據(jù)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、電能功率、電壓、電流等基本信息，參照相匹配的動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置的性能參數(shù)和優(yōu)化后的算法程序，對(duì)配電網(wǎng)及裝置設(shè)備的配置情況進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，調(diào)整優(yōu)化后的諧波流動(dòng)方向如圖7所示。

圖7 諧波流動(dòng)方向

在普通配電網(wǎng)的配置情況下，對(duì)諧波控制裝置的電壓承受能力進(jìn)行優(yōu)化，增加裝置承受電流電壓的穩(wěn)定力度，在裝置能力范圍內(nèi)調(diào)整電壓承受限度，并在保證裝置和配電網(wǎng)整體安全的情況下適當(dāng)擴(kuò)大承受限度的閾值，以應(yīng)對(duì)不同程度的諧波控制和無功功率補(bǔ)償轉(zhuǎn)換[18-20]。根據(jù)電網(wǎng)的基本諧波負(fù)荷狀態(tài)，強(qiáng)化電路繞組的質(zhì)量和性能，提高裝置對(duì)諧波電流進(jìn)行約束和轉(zhuǎn)換處理時(shí)的等效阻抗能力，有利于減少裝置在運(yùn)行過程中產(chǎn)生短路或斷股等故障的幾率。同時(shí)，等效阻抗能力的加強(qiáng)有利于適應(yīng)裝置整流變壓器的高效工作狀態(tài)，結(jié)合并串聯(lián)電路對(duì)多目標(biāo)動(dòng)態(tài)諧波進(jìn)行控制，形成無功功率補(bǔ)償電流，維護(hù)微電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定和工作正常。防治裝置的安裝還要考慮配電網(wǎng)和企業(yè)單位的基本情況，根據(jù)安裝單位的需求及配電網(wǎng)的質(zhì)量水平進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹C波防治裝置選取和調(diào)整，以使裝置能夠適應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而精準(zhǔn)有效地對(duì)滲透諧波進(jìn)行捕捉約束。裝置位置也需要根據(jù)電網(wǎng)的密集程度和穩(wěn)定狀況進(jìn)行選擇，在不影響電網(wǎng)整體運(yùn)行的狀態(tài)下完成動(dòng)態(tài)無功諧波全面綜合的防治處理。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證文中提出方法的有效性，以Matlab軟件中Simulink神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊編寫系統(tǒng)為仿真分析工具，以某電網(wǎng)20組諧波的歷史數(shù)據(jù)作為仿真數(shù)據(jù)樣本，將文中方法與未優(yōu)化前、文獻(xiàn)[3]方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，得到優(yōu)化后的電流波形如圖8所示。

圖8 電流波形

由圖8可知，文中提出的優(yōu)化配置方法和傳統(tǒng)的優(yōu)化配置方法都具備改善電流波形的能力，但是優(yōu)化配置方法電流波形改善效果更好，更加接近正弦波。

畸變率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 畸變率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表2可知，文中提出的優(yōu)化配置方法畸變率更小，內(nèi)部的無功和諧波分量與未優(yōu)化前相比，分量得到明顯地減少，與諧波標(biāo)準(zhǔn)相符，這是因?yàn)槲闹刑岢龅膬?yōu)化配置方法通過提取參數(shù)來增加電容器的容量，在安裝濾波器的過程中能夠很好地避開諧振點(diǎn)，同時(shí)，由于該方法能夠更好地提取參數(shù)，所以即使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變，諧波也不會(huì)受到諧振點(diǎn)偏移的影響。綜上所述，該優(yōu)化配置方法具有更強(qiáng)的優(yōu)化能力，能夠更好地實(shí)現(xiàn)綜合防治。

4 結(jié)束語

針對(duì)目前配電網(wǎng)注入諧波等常見問題進(jìn)行分析，基于參數(shù)特征提取方法對(duì)微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置優(yōu)化配置進(jìn)行研究，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作機(jī)理入手，優(yōu)化裝置的程序算法，同時(shí)增強(qiáng)裝置配置的條件水平，以達(dá)到整體優(yōu)化目的。該研究為微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功諧波綜合防治裝置的優(yōu)化提供了相關(guān)參考，有利于電網(wǎng)諧波防治裝置等技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。