CN103199533A - 基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，包括如下步骤：1）确定负荷中的主要谐波次数，进而确定主调谐次数和高通滤波器组截止频率；2）确定系统在最大和最小工况下所需的无功补偿容量；3）根据两种工况下系统侧的短路容量确定系统在不同工况下需要的谐波补偿量；4）确定含有无源滤波器组的电力系统谐波潮流计算的数学模型；根据上述确定的谐波次数、谐波和无功补偿的大小，确定无源滤波器的调谐次数及需要的组数；5）建立优化计算的数学模型，求解最优的无源滤波器组的参数。本发明考虑最大、最小工况下的谐波、无功补偿需求，所设计的无源滤波器组在系统最大工况和最小工况下均能实现对谐波补偿和无功补偿都能达到较好的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力供电系统中无源滤波器参数优化设计方法，特别是一种基于两点式工况的无源滤波器参数的优化设计方法，属于无源滤波器参数的优化设计方法的创新技术。
背景技术
随着电网的谐波污染日益严重，而用电单位对电能质量的要求日益提高，对电网进行谐波治理已经迫在眉睫。无源滤波器（Passive Power Filter, PF）在电网谐波治理和无功补偿中担任重要的角色，如何合理地设计和优化他们的参数，从而发挥其作用，对保证电网谐波治理和无功补偿的正常工作、提高系统的整体性能起着至关重要的作用。
目前,无源滤波器的设计方法一般是根据工程经验或简单的技术经济指标来选择参数,较少采用优化设计。已有的优化设计方法中,通常都是针对系统在单一工况（通常为最大工况）下的参数设计。而实际运行中，当负荷减少时，选择退出哪一组无源滤波器的运行就可能成为一个非常困难的事情，因为在不同工况下运行时，系统中谐波含量的变化与所需无功补偿的变化并不会同比例地发生，因而基于最大工况下设计的无源滤波器组在其他工况下运行时，有可能出现无论退出哪一组都使得无功补偿容量和系统谐波含量无法同时满足要求的情况。因此，为了克服以上问题，在无源滤波器组的参数设计中就需要综合考虑到电力系统在不同工况下对无源滤波器参数的不同要求，从而设计出最优的参数，以保证电力系统在不同工况下的谐波指标及无源滤波器的安全指标均符合要求。
发明内容
本发明提出一种基于两点式工况的无源滤波器参数的优化设计方法。本发明在系统最大工况和最小工况下，对于系统的谐波补偿和无功补偿均能达到较为满意的补偿效果，克服了传统补偿方案里只对单一工况补偿效果最优而在其他工况下谐波补偿和无功补偿不匹配的问题。
本发明的技术方案是：本发明的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，包括如下步骤：
1）确定负荷中的主要谐波次数，进而确定主调谐次数和高通滤波器组截止频率；
2）确定系统在最大和最小工况下所需的无功补偿容量；
3）根据两种工况下系统侧的短路容量确定系统在不同工况下需要的谐波补偿量；
4）确定含有无源滤波器组的电力系统谐波潮流计算的数学模型；根据第1）～3）步中确定的主要补偿的谐波次数、谐波和无功补偿的大小，确定无源滤波器的调谐次数及需要的组数；
5）建立包括有目标函数及约束条件的优化计算的数学模型，求解最优的无源滤波器组的参数。
上述步骤1）为了使无源滤波器在电网频偏或本身参数有一定制造误差时，仍具有较好的滤波性能，且避免与系统的等值感抗发生谐振，应设计滤波器的调谐频率为比需要滤除的谐波频率低3%～10%。
上述步骤5）中优化计算的目标函数要求反映方案的经济指标，以无源滤波器初期投资最小为目标函数。
上述步骤5）中优化计算的目标函数考虑无源滤波器投资最大的部分是电容器，因而在计算初期投资费用时只考虑了滤波电容器的费用，目标函数确定如下：
式中，F(Q CN )是滤波器费用函数，其与电容器的额定容量Q CN 有关，n为无源滤波器的组数。
步骤5）中优化计算的约束条件要求考虑到方案需要满足的技术指标和安全指标。
上述步骤5）中技术指标包含方案执行后系统的谐波指标、无功补偿指标，安全指标包含电容器的过电压、过电流和容量平衡校验，
具体约束条件包括：
（a）谐波约束
补偿后各次谐波电压含有率、谐波电流含量应满足国标规定的限值：
C HRU 与C Ih 是国家标准中规定的h次谐波电压含有率和谐波电流含量的限值；m=1,2分别表示在系统最大和最小工况下；
(b)无功补偿约束
无源滤波器组输出的无功功率等于系统所需无功补偿容量：
；设在最大、最小工况下系统所需的无功补偿容量分别为Q max1 和 Q max2 ，而在两种工况下投入的滤波器组数分别n 1 、n 2 ，则无功补偿的约束条件为
(c)安全校验约束
滤波装置中电容器的过电压要求：
U C1 、U Ch 为电容器的基波电压及h次谐波电压，U CN 为电容器额定电压；
电容器的过电流要求：
I C1 、I Ch 为流过电容器的基波电流及h次谐波电流，I CN 为电容器额定电流；
电容器的容量平衡要求：
为电容器发出的基波无功和谐波无功功率，Q CN 为电容器额定容量；
整个优化问题可描述为：
根据以上确定的目标函数及约束条件即可进行优化计算。
上述优化计算使用灾变遗传算法进行优化计算。
上述提出的无源滤波器优化设计是基于对系统的两种工况——最大和最小工况的综合考虑的。该方法所能实现的效果是，其设计出的参数在最大和最小工况下均能实现对系统谐波补偿和无功补偿的匹配，而非传统方法中在单一工况下补偿效果最优，但是在其他工况下谐波补偿和无功补偿不能同时满足需求。其实现方法是，在优化问题的建立中使各参数同时满足最大和最小工况下的约束条件。
本发明基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法针对系统的最大工况和最小工况对无源滤波器的参数进行优化设计，即优化方案的约束条件的设定使得无源滤波器组在两种工况下均能满足系统谐波和无功补偿的需求，本发明通过使用灾变遗传算法的优化计算，得出的无源滤波器参数（包括滤波电容值C，电感值L，电容器额定电压U CN ,电容器额定容量Q CN ）在系统最大工况和最小工况下，对于系统的谐波补偿和无功补偿均能达到较为满意的补偿效果，克服了传统补偿方案里只对单一工况补偿效果最优而在其他工况下谐波补偿和无功补偿不匹配的问题。
附图说明
图1为供电系统的等值电路图；
图2为安装无源滤波器组后的谐波电路等值计算图；
图3为本发明双工况无源滤波器参数设计的流程图。
具体实施方式：
本发明的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，包括如下步骤：
1）确定负荷中的主要谐波次数，进而确定主调谐次数和高通滤波器组截止频率；
2）确定系统在最大和最小工况下所需的无功补偿容量；
3）根据两种工况下系统侧的短路容量确定系统在不同工况下需要的谐波补偿量；
4）确定含有无源滤波器组的电力系统谐波潮流计算的数学模型；根据第1）～3）步中确定的主要补偿的谐波次数、谐波和无功补偿的大小，确定无源滤波器的调谐次数及需要的组数；
5）建立包括有目标函数及约束条件的优化计算的数学模型，求解最优的无源滤波器组的参数。
上述步骤1）为了使无源滤波器在电网频偏或本身参数有一定制造误差时，仍具有较好的滤波性能，且避免与系统的等值感抗发生谐振，应设计滤波器的调谐频率为比需要滤除的谐波频率低3%～10%。
上述步骤5）中优化计算的目标函数要求反映方案的经济指标，以无源滤波器初期投资最小为目标函数。
上述步骤5）中优化计算的目标函数考虑无源滤波器投资最大的部分是电容器，因而在计算初期投资费用时只考虑了滤波电容器的费用，目标函数确定如下：
式中，F(Q CN )是滤波器费用函数，其与电容器的额定容量Q CN 有关，n为无源滤波器的组数。
步骤5）中优化计算的约束条件要求考虑到方案需要满足的技术指标和安全指标。
上述步骤5）中技术指标包含方案执行后系统的谐波指标、无功补偿指标，安全指标包含电容器的过电压、过电流和容量平衡校验，
具体约束条件包括：
(a)谐波约束
补偿后各次谐波电压含有率、谐波电流含量应满足国标规定的限值：
C HRU 与C Ih 是国家标准中规定的h次谐波电压含有率和谐波电流含量的限值；m=1,2分别表示在系统最大和最小工况下；
(b)无功补偿约束
无源滤波器组输出的无功功率等于系统所需无功补偿容量：
；设在最大、最小工况下系统所需的无功补偿容量分别为Q max1 和 Q max2 ，而在两种工况下投入的滤波器组数分别n 1 、n 2 ，则无功补偿的约束条件为
(c)安全校验约束
滤波装置中电容器的过电压要求：
U C1 、U Ch 为电容器的基波电压及h次谐波电压，U CN 为电容器额定电压；
电容器的过电流要求：
I C1 、I Ch 为流过电容器的基波电流及h次谐波电流，I CN 为电容器额定电流；
电容器的容量平衡要求：
整个优化问题可描述为：
根据以上确定的目标函数及约束条件即可进行优化计算。
上述优化计算使用灾变遗传算法进行优化计算。
本发明提出的无源滤波器优化设计是基于对系统的两种工况——最大和最小工况的综合考虑的。其实现的方法是在优化问题的建立中使各参数同时满足最大和最小工况下的约束条件。用本发明方法设计出的参数在最大和最小工况下均能实现对系统谐波补偿和无功补偿的匹配，而非传统方法中在单一工况下补偿效果最优，但是在其他工况下谐波补偿和无功补偿不能同时满足需求。
Claims (7)
1.一种基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，其特征在于包括如下步骤：
1）确定负荷中的主要谐波次数，进而确定主调谐次数和高通滤波器组截止频率；
2）确定系统在最大和最小工况下所需的无功补偿容量；
3）根据两种工况下系统侧的短路容量确定系统在不同工况下需要的谐波补偿量；
4）确定含有无源滤波器组的电力系统谐波潮流计算的数学模型；根据第1）～3）步中确定的主要补偿的谐波次数、谐波和无功补偿的大小，确定无源滤波器的调谐次数及需要的组数；
5）建立包括有目标函数及约束条件的优化计算的数学模型，求解最优的无源滤波器组的参数。
2.根据权利要求1所述的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，其特征在于上述步骤1）为了使无源滤波器在电网频偏或本身参数有一定制造误差时，仍具有较好的滤波性能，且避免与系统的等值感抗发生谐振，应设计滤波器的调谐频率为比需要滤除的谐波频率低3%～10%。
3.根据权利要求1所述的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，其特征在于上述步骤5）中优化计算的目标函数要求反映方案的经济指标，以无源滤波器初期投资最小为目标函数。
4.根据权利要求3所述的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，其特征在于上述步骤5）中优化计算的目标函数考虑无源滤波器投资最大的部分是电容器，因而在计算初期投资费用时只考虑了滤波电容器的费用，目标函数确定如下：
式中，F(Q CN )是滤波器费用函数，其与电容器的额定容量Q CN 有关，n为无源滤波器的组数；
步骤5）中优化计算的约束条件要求考虑到方案需要满足的技术指标和安全指标。
5.根据权利要求4所述的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，其特征在于上述步骤5）中技术指标包含方案执行后系统的谐波指标、无功补偿指标，安全指标包含电容器的过电压、过电流和容量平衡校验，
具体约束条件包括：
（a）谐波约束
补偿后各次谐波电压含有率、谐波电流含量应满足国标规定的限值：
C HRU 与C Ih 是国家标准中规定的h次谐波电压含有率和谐波电流含量的限值；m=1,2分别表示在系统最大和最小工况下；
（b）无功补偿约束
无源滤波器组输出的无功功率等于系统所需无功补偿容量：
；设在最大、最小工况下系统所需的无功补偿容量分别为Q max1 和 Q max2 ，而在两种工况下投入的滤波器组数分别n 1 、n 2 ，则无功补偿的约束条件为
（c）安全校验约束
滤波装置中电容器的过电压要求：
U C1 、U Ch 为电容器的基波电压及h次谐波电压，U CN 为电容器额定电压；
电容器的过电流要求：
I C1 、I Ch 为流过电容器的基波电流及h次谐波电流，I CN 为电容器额定电流；
电容器的容量平衡要求：
整个优化问题可描述为：
根据以上确定的目标函数及约束条件即可进行优化计算。
6.根据权利要求5所述的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，其特征在于上述优化计算使用灾变遗传算法进行优化计算。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于两点式工况的无源滤波器优化设计方法，其特征在于上述无源滤波器优化设计是基于对系统的两种工况——最大和最小工况的综合考虑，在优化问题的建立中使各参数同时满足最大和最小工况下的约束条件。
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