CN101872977A - 智能电网多谐波源间相互影响与电能质量最优控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电网多谐波源间相互影响与电能质量动态最优控制的方法。针对智能电网中多电源间的谐振及谐波放大的现象以及谐波所具有的多样性、衰减性、相关性等特点，提出将电流考虑为电压畸变率的函数，根据谐波源的特性调整电流约束电压畸变率，基于电流动态规划的模型从安全性、经济性和环境保护方面确定电能质量调节装置的最优分布，消除谐波叠加和电压波动，以达到系统性能的优化，取得期望的稳定性和电能质量。本发明将有效改善智能电网谐波污染，为建设坚强的智能电网提供所需电能质量，同时还可以应用于冶金企业、电力机车、航空船舶等领域，带动全社会的产业升级。

Description

智能电网多谐波源间相互影响与电能质量最优控制方法

技术领域

本发明涉及智能电网多谐波源间相互影响与电能质量动态最优控制的方法。确定了电能质量调节装置的最优分布，消除谐波叠加和电压波动，以达到系统性能的优化，取得期望的稳定性和电能质量。将有效改善智能电网谐波污染，为建设坚强的智能电网提供所需电能质量，同时研究成果还可以应用于冶金企业、电力机车、航空船舶等领域，带动全社会的产业升级。

背景技术

随着对环境保护、节能减排和可持续性发展的要求以及客户对电能质量要求的逐步提高，可再生能源等分散式电源不断增加，满足智能电网“绿色电力”、“节能减排”的目标。越来越多的分布式电源和电能质量调节装置渗透在配电系统基础设施中，带来严重的谐波污染，特别是多逆变器装置存在交互耦合影响等情况，将造成谐波放大，损坏电力设备，严重情况下还会威胁到电力系统的安全稳定运行。

智能电网中许多类型电源(风能、太阳能等多种能源输入和内燃机、储能系统、有源滤波装置等多种能源转换单元等)运行不确定性强，具有间隙性、复杂性、多样性、不稳定性的特点，其电能质量特征与传统电力系统有很大差异。传统的电能质量优化配置没有考虑智能电网中多种电源间的谐振及谐波放大的相互影响，谐波所具有的多样性、衰减性、相关性等特点。

发明内容

为了满足现有的优化配置方法中没有考虑智能电网中多种电源间的谐振及谐波放大的相互影响，谐波所具有的多样性、衰减性、相关性等特点对滤波器所进行优化的缺陷。

本发明智能电网多谐波源间相互影响与电能质量动态最优控制的方法，在分析了谐波之间相互影响的基础上，考虑其衰减性与多样性，将电流表示为电压畸变率的函数可以得到相对精确的谐波电流对滤波器进行优化配置，取得了良好的效果。

本发明为解决技术问题采用的技术方案是：提出一种将电流考虑为电压畸变率的函数，根据谐波源的特性调整电流约束电压畸变率。基于电流动态规划的模型从安全性、经济性和环境保护方面确定电能质量调节装置的最优分布。

本发明智能电网多谐波源间相互影响与电能质量动态最优控制的方法的有益效果是：

采用谐波的多样性和衰减性分析谐波之间的相互影响更符合实际，根据这种影响采用谐波电流表示为电压畸变率的函数，进行迭代，得出比较可靠的谐波电流，从而更好地约束电压畸变率，用动态规划的模型进行对滤波器进行优化配置，取得了期望的电能质量。

将有助于提高智能电网的安全稳定运行，推进智能电网实用化进程，在理论和实践中均有重要的研究价值。同时可应用在智能电网、分布式发电系统、直流输电系统、电气化铁路牵引供电系统、大型冶金企业等电能质量控制领域。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

附图为动态规划算法迭代流程图。

具体实施方式

在附图中具体算法步骤：对每k个支路的上的谐波进行条件约束，得出电压畸变率最小的支路；将得出电压畸变率最小的支路两两之间谐波相互影响进行条件约束，再得出电压畸变率最小的支路；依次类推直到得到最优值为止，从而得出最优决策。将电流考虑为电压畸变率的函数，首先设定电压畸变率的初始值。初始值可以在不考虑谐波多样性与衰减性的影响，用传统的定性电流频谱方法获得。将(4)式调整的电流注入到系统中，用节点电压方程获得新的系统谐波电压。新的电压畸变率值将会被设置，同时获得新的调整后的电流。这个过程一直循环直到所有系统支路有收敛的电压THD为止。这样就产生了更精确、更可靠的谐波电流。

本发明根据智能电网中分布式电源电能传输的过程，每两个谐波源之间支路的电流，既是前一个非线性负载产生谐波的结果状态，又是下一个非线性负载的初始状态的特点。针对智能电网中可能的谐波源，提出一种基于动态规划的电流模型，将每个谐波源之间的支路划分为不同的阶段对滤波器进行优化。

(1)将谐波产生过程划分为k个相互联系、互不交叉阶段，即：智能电网中每个可能产生谐波节点之间的谐波支路k个。

(2)选择每条谐波支路的谐波电流为变量，谐波电流既是前一阶段的结果，又是下一阶段是为初始变量，各个阶段的状态演变成多决策的过程。谐波电流的大小和相角可以用电压畸变率的函数，反映谐波的衰减性与多样性。

I_h＝α_h(U_THD)                                  (1)

θ_h＝β_h(U_THD)                                     (2)

其中I_h：h次谐波电流的大小；θ_h：h次谐波电流的相角。这种谐波的分析方法依赖于通过谐波源特性调整的谐波电流。

(3)不同支路谐波电流的集合i_h＝{I_h1，α_h1；I_h2，α_h2；I_h3，α_h3；...I_hk，α_hk}策略集合U_hk＝{f_e，f_q，f_p，f_THD}

h：表示谐波的次数；k：表示支路数

(4)随谐波潮流流动方向，前一个谐波潮流的电流特性是下一个支路谐波电流的初始状态，即变化过程的机理：若为线性负载，谐波电流保持原来特性；多个谐波源的产生同次谐波叠加：

$I_h^{\′}=\sqrt{I_{h1}^2+I_{h2}^2+K_h{I}_{h1}{I}_{h2}}$ $U_h^{\′}=\sqrt[\mathrm{\α}]{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{U}_{\mathrm{hi}}^{\mathrm{\α}}}---\left(3\right)$

考虑谐波的衰减与多样性谐波相互影响的分析方法，支路k上谐波源的谐波电流的大小和相角按以下两个公式进行调整：

$I_{h,\mathrm{adj}-k}=I_{1-k}\×\frac{{\mathrm{\α}}_h\left(U_{{\mathrm{THD}}_K}\right)}{100}---\left(4\right)$

I_1-k：k支路负载基波电流成分；

支路电压相角的大小。电流频谱的调整是通过与电压畸变率的大小和相位相关联的非线性关系来反映多样性和衰减性的相互影响。

通过(5)式在支路k与k+1的支路上的h次谐波的相角是不相同的，可以通过以下式子获得：

若两个具有相同频谱特性的谐波源负载，相应的相角的大小可以用不考虑多样性和衰减性传统的式子计算：

θ_h-k＝θ_h，spect-k+h(θ_1-k-θ_1，spect-k)                   (7)

式中θ_1-kθ_h-k：k支路基波与h次谐波的相角；θ_1，spect-kθ_h，spect-k：k支路典型谐波频谱基波与h次谐波的相角。

若谐波叠加，谐波消失的现象则满足动态规划的无后性，以后的电流状态不受前一阶段电流状态的影响。

考虑谐波的多样性与衰减性的优化滤波器的数学模型

考虑电流的多样性与衰减性的情况下，以不断调整的谐波电流作为变量。采用动态规划的模型，综合考虑分布式电源、电能质量调节装置的数目及位置和容量、线路负荷结构及阻抗参数等，结合用户能量管理要求，对滤波器从安全性、经济型和环保性优化终端电能质量装置最优分布位置和容量。

在动态规划多阶段决策问题中，目标函数是用来衡量实现过程优劣的一个指标，在给定阶段的前提条件下，该阶段的状态变量以及以后各阶段的决策变量的函数，使配电网中各节点使谐波电压含有率和电压总谐波畸变率处于规定的值。目标变函数各支路电压畸变率最小：

$f\left(i_k\right)=\min \underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(\min U_{{\mathrm{THD}}_k},i_{\mathrm{hk}},U_{\mathrm{hk}})}^2---\left(9\right)$

$U_{\mathrm{THD}}=\frac{\sqrt{\underset{h=2}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{U_{\mathrm{hk}}}^2}}{U_{1k}}---\left(10\right)$

其中i_k：为支路电流变量式(1-8)用U_THD表示的函数；minU_THDk为目标函数各支路电压畸变率最小；i_hk：为k支路h次谐波电流变量；U_hk为k支路使各支路目标达到最小的决策，即约束条件。以下为约束条件的具体表达式：

考虑谐波多样性和衰减性的约束条件f_THD见(1)-(2)：

U_khi/U_Ni≤l_khi                       (11)

$\sqrt{\underset{h=2}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{U_{\mathrm{hi}}}^2}\≤l_{\mathrm{khi}}{U}_{\mathrm{Ni}}---\left(12\right)$

经济型f_e、安全性f_q，的约束条件：

$f_e=[\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{f}_{\mathrm{Nij}}\left(Q_{\mathrm{CNij}}\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{f}_{\mathrm{Ai}}\left(s_{\mathrm{Ni}}\right)]---\left(13\right)$

$s_i=\sqrt{(U_{1i}^2+\underset{h=2}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{hi}}^2)\left(\underset{h=2}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{Ahi}}^2\right)}---\left(14\right)$

$Q_{\mathrm{CNij}}=Q_1+Q_{\mathrm{hi}}=\frac{I_{1i}^2}{\mathrm{\ω}{C}_i}+\frac{I_{\mathrm{hi}}^2}{\mathrm{h\ω}{C}_i}=\frac{h^2}{h^2-1}\left[\frac{U_{1i}^2{I}_{1i}^2}{h{Q}_1}\right]---\left(15\right)$

$Q_1=\mathrm{\ω}{C}_i\frac{h^2}{h^2-1}{U}_{1i}^2---\left(16\right)$

滤波支路中电流、电压、容量的安全约束条件：

滤波器的安全约束滤波电容器中流过的各次谐波电流I_Chik、电容器两端的各次谐波电压U_Chik和电容器吸收的各次谐波无功功率Q_Chik与滤波器所在节点的各次谐波电压之间的关系为：

I_Chik＝U_hiyhik                                    (17)

U_Chik＝-jI_Chik/(hωC_ik)                           (18)

$Q_{\mathrm{Chik}}=U_{\mathrm{Chik}}^2\mathrm{h\ω}{C}_{\mathrm{ik}}---\left(19\right)$

为了满足智能电网的绿色环保，从节能减排方面考虑其环保性f_p，由于逆变器本身内在的结构可以补偿无功功率，调节无功可以改变电压的大小，也降低了网络中的有功损耗，降低发电机的运行功率因数，从而达到节能减排的目的。

$f_p=k_1\underset{p=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{j\ω}{U}^2+k_2\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i[\underset{j=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{woj}}{E}_{\mathrm{ij}}/(\underset{j=1}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{wj}}{E}_{\mathrm{ij}}+\underset{k=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{djk}}{E}_{\mathrm{djik}})]---\left(20\right)$

式子中k₁是逆变器的安装个数，k₂是发电机的个数；C是逆变器的电容，U是逆变器节点的电压；P_wj P_woj为安装和未安装DG时候，系统中第j台传统发电机的有功出力；E_ij为第j台传统发电机发出单位有功出力时所释放的第i种污染气体的量；P_djk为第k台DG发出的有功功率；E_djik为第k台DG发出单位有功出力时所释放的第i种污染气体的量z_i为第i种污染气体的权重因子。

$\underset{i=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i=1$ 0≤z_i≤1                             (21)

Claims (3)

1.一种智能电网多谐波源间相互影响与电能质量动态最优控制的方法。其特征在于：考虑多谐波源间谐振、谐波放大的现象以及谐波所具有的多样性、衰减性、相关性等特点；将电流考虑为电压畸变率的函数，根据谐波源的特性调整电流约束电压畸变率，基于电流动态规划的模型从安全性、经济性和环境保护方面控制电能质量调节装置的最优分布。

2.根据权利要求1所述的动态最优控制的方法，其特征在于：

谐波在逆变器和公网之间、逆变器与逆变器之间产生谐振现象和谐波电压放大的现象，其主要机理是串联谐振与并联谐振。分布式发电网络中逆变器的拓扑结构对网络的电能质量失真有很大的影响，控制方式也会影响逆变器的输出波形的畸变。在同一个网络中，各个谐波源产生的谐波具有相关性，当多个谐波源同时作用时，由于谐波的频率、幅值、相位不同，以及谐波在传输过程中所受的影响，就要考虑谐波的多样性与衰减性的影响。将电流考虑为电压畸变率的函数，根据谐波源的特性调整电流约束电压畸变率，安全性、经济性和环境保护来约束电流动态规划，从而确定电能质量调节装置的最优分布。

3.根据权利要求1所述的动态最优控制的方法，其特征在于：

智能电网中分布式电源电能传输的过程，每两个谐波源之间支路的电流，既是前一个非线性负载产生谐波的结果状态，又是下一个非线性负载的初始状态的特点。

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