CN107706915A - 一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法，以主动配电网电压检测型有源滤波器为优化控制对象，以电网中各节点电压总畸变水平最低为考核指标，构建全局优化目标函数；以电网谐波潮流方程为等式约束，治理设备容量约束及节点电气参数限值约束为不等式约束，建立优化模型，并利用改进粒子群算法对模型进行求解。本发明为解决主动配电网面临的分散化、全网化、动态化谐波治理问题提供了一种有效途径。

Description

一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法

技术领域

本发明涉及主动配电网谐波治理技术领域，尤其是一种解决分散谐波源主动配电网谐波问题的全局优化治理方法。

背景技术

随着配电网中分布式电源的大量并网及电力电子设备的广泛应用，传统被动配电系统正逐步向灵活可控的主动配电网发展。主动配电网的优势是能够接纳大规模分布式新能源并网发电，具有强大的运行控制管理系统，具有灵活可控的网络拓扑。但主动配电网中谐波源的存在形式复杂多样，除电力机车、电弧炉等主要谐波源外，还存在大量逆变型DG、电力电子负荷等非线性谐波源。这些非线性谐波源单个排放的谐波电流虽然不大，但由于其在主动配电网中分布范围广、密集程度高，谐波电流在传播过程中相互叠加、放大，给负荷设备的正常运行带来严重威胁。

传统的谐波治理方式是以集中性谐波源为治理对象，通过检测其中的谐波成分，并输出与其等量反向的谐波治理量进行抵消抑制。这种谁污染谁治理的点对点式治理方式只是解决了本地谐波问题，当电网中存在大量分散分布的谐波源时，如果利用这种方式进行治理，需要配置大量治理设备，从经济性和可实施性角度考虑已不再适用。

发明内容

本发明目的在于提供一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法，能够最优化分配电压检测型并联有源滤波器(APF)的各次谐波电流补偿量，以实现全网谐波电压畸变率综合最优的全局优化谐波治理。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法通过求解电压检测型APF的各次谐波电流补偿量大小，使配电网谐波电压畸变率达到全局综合最优效果；具体步骤如下：

步骤1，以电网中各节点电压总畸变率为考核指标，根据负荷对谐波的敏感程度或用户的个性化定制确定节点重要度系数，构建全局优化目标函数；

步骤2，以并联在母线上的电压检测型APF为治理设备，并以其各次谐波电流输出量为控制变量，构建APF容量约束及节点电气参数限值约束方程，形成不等式约束方程组；

步骤3，根据配电网结构参数及当前电网谐波源情况进行谐波潮流计算，构建谐波潮流等式约束；

步骤4，根据所建立的目标函数、等式约束和不等式约束，利用改进粒子群算法进行优化运算，求解出各电压检测型APF最佳谐波电流补偿量。

进一步的，在步骤1中，建立使全网电压畸变综合最优的目标函数，如式(1)所示

其中

式中，f_THD表示电压总畸变率目标函数；c_n表示节点重要度加权系数，以表征不同节点对电压畸变的要求程度；α_n表示节点n负荷敏感度因子，如果该节点中含有多个负荷敏感性设备则取负荷敏感度因子中的最大值为准，至于敏感度因子的大小可根据需要进行调节设置，对于有敏感负荷并网的节点其敏感度因子可设置的大一些，而对于普通节点其值设为1；N表示系统总节点数；THD_n表示节点n处电压总畸变率；U_n,1表示节点n处基波电压有效值；U_n,h表示节点n处h次谐波电压有效值，可由h次谐波潮流计算求得；β_i表示惩罚因子，其值大小根据不同约束条件而定；f_i表示惩罚数值，其值大小与超出约束边界量有关；k表示约束条件项数。

进一步的，在步骤2中，建立APF容量及节点电气参数限值约束方程，如式(2)～(4)所示；

APF输出的最大谐波补偿电流不可超出容量限值，且留有一定裕度；容量约束公式为

S_k′_,APF≤σ_k,APF×S_k,APF (2)

其中

式中，S_k′_,APF表示第k个APF谐波补偿总容量；σ_k,APF表示第k个APF容量域度安全系数，以保证APF容量不超出安全限值；S_k,APF表示第k个APF额定容量值；I_h表示h次谐波补偿电流有效值；

节点电压参数限值约束包括国家标准规定的各节点电压总畸变率约束以及各次谐波电压有效值上限值约束，节点电压总畸变率约束为

THD≤THD_max (3)

式中，THD_max表示系统规定的电压总畸变率上限值；

节点各次谐波电压有效值约束为

U_h≤U_h,max (4)

式中，U_h表示h次谐波电压有效值；U_h,max表示系统规定的各次谐波电压有效值上限值。

进一步的，在步骤3中，建立谐波潮流等式约束，各次谐波电压优化值U_h可看作当前电网谐波源引起的谐波电压预测值与APF谐波补偿电流作用在网络所产生的谐波补偿电压两部分的叠加，其计算式如式(5)所示

U_h＝U_h,y+ΔU_h,y (5)

式中，U_h,y表示下一时刻各节点h次谐波电压预测值，可通过主动配电网SCADA量测数据预测得到；ΔU_h,y表示各节点h次谐波补偿电压的调整量，可通过计算APF治理电流调整量ΔI_h,y在网络中的潮流分布得出，计算式如式(6)所示

ΔU_h,y＝Z_h×ΔI_h,y (6)

式中，Z_h表示电网h次谐波阻抗矩阵。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：在综合考虑主动配电网运行经济性、可靠性、灵活性、主动性基础上，通过优化分配APF各次谐波补偿量，在同等资源配置的条件下能够使全网谐波达到更好的治理效果，且能根据用户负荷状况或定制化需要实现重要节点的优先治理，同时能提高APF容量利用率，为解决主动配电网面临的分散化、全网化、动态化谐波治理问题提供了一种有效途径。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述方法利用粒子群优化算法进行优化运算，求解出电网中所有APF各次谐波补偿量，使得全网各节点电压总畸变率综合最优，具体步骤如下：

根据不同节点对电压畸变的要求程度，定义节点重要度权重系数c表征节点电压畸变的要求程度。根据用户对电压畸变的敏感性或根据用户个性化定制的需要，节点分为普通负荷节点和敏感节点。引入负荷敏感度因子α以建立节点重要度权重系数与用户设备对电网谐波敏感性之间的关系，其值反映了用户对节点电压畸变的敏感程度，α值越大则负荷要求该节点电压畸变越小。负荷敏感度因子与节点重要度权重系数之间的关系为

式中，α_n为节点n负荷敏感度因子，对于敏感节点其值可根据需要进行设置，对于普通节点其值设为1；N为系统总节点数

根据建立的节点重要度系数，通过对各节点电压畸变率加权求和形成全局优化目标函数，表达式为

其中

式中，f_THD表示电压总畸变率目标函数；c_n表示节点重要度加权系数；α_n表示节点n负荷敏感度因子；THD_n为节点n处电压总畸变率；U_n,1为节点n基波电压有效值；U_n,h为节点n处h次谐波电压有效值，可由h次谐波潮流计算求得；β_i为惩罚因子，其值大小根据不同约束条件而定；f_i为惩罚数值，其值大小与超出约束边界量有关；k为约束条件项数。

建立APF容量及节点电气参数限值约束方程，其中APF输出的最大谐波补偿电流不可超出容量限值，且留有一定裕度。容量约束公式为

S_k′_,APF≤σ_k,APF×S_k,APF (2)

其中

式中，S_k′_,APF表示第k个APF谐波补偿总容量；σ_k,APF表示第k个APF容量域度安全系数，以保证APF容量不超出安全限值；S_k,APF表示第k个APF额定容量值；I_h表示h次谐波补偿电流有效值。

节点电压参数限值约束包括国家标准规定的各节点电压总畸变率约束以及各次谐波电压有效值上限值约束，节点电压总畸变率约束为

THD≤THD_max (3)

式中，THD_max表示系统规定的电压总畸变率上限值。

节点各次谐波电压有效值约束为

U_h≤U_h,max (4)

式中，U_h表示h次谐波电压有效值；U_h,max表示系统规定的各次谐波电压有效值上限值。

根据配电网结构参数及当前电网谐波源情况进行谐波潮流计算，构建谐波潮流等式约束，其中各次谐波电压优化值U_h可看作当前电网谐波源引起的谐波电压预测值与APF谐波补偿电流作用在网络所产生的谐波补偿电压两部分的叠加，其计算式为

U_h＝U_h,y+ΔU_h,y (5)

式中，U_h,y表示下一时刻各节点h次谐波电压预测值，可通过主动配电网SCADA量测数据预测得到；ΔU_h,y表示各节点h次谐波补偿电压的调整量，可通过计算APF治理电流调整量ΔI_h,y在网络中的潮流分布得出，计算式为

ΔU_h,y＝Z_h×ΔI_h,y (6)

式中，Z_h表示电网h次谐波阻抗矩阵。

根据所建立的目标函数、等式约束和不等式约束，利用粒子群算法进行优化运算，求解出各电压检测型APF最佳谐波电流补偿量，结束优化过程。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法，其特征在于，所述方法利用粒子群优化算法进行优化运算，求解电压检测型APF的各次谐波电流补偿量大小，使配电网谐波电压畸变率达到全局综合最优效果；具体步骤如下：

步骤1，以电网中各节点电压总畸变率为考核指标，根据负荷对谐波的敏感程度或用户的个性化定制确定节点重要度系数，构建全局优化目标函数；

步骤2，以并联在母线上的电压检测型APF为治理设备，并以其各次谐波电流输出量为控制变量，构建APF容量约束及节点电气参数限值约束方程，形成不等式约束方程组；

步骤3，根据配电网结构参数及当前电网谐波源情况进行谐波潮流计算，构建谐波潮流等式约束；

步骤4，根据所建立的目标函数、等式约束和不等式约束，利用改进粒子群算法进行优化运算，求解出各电压检测型APF最佳谐波电流补偿量，结束优化过程。

2.根据权利要求1所述的一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法，其特征在于：在步骤1中，建立使全网电压畸变综合最优的目标函数，如式(1)所示

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>H</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>c</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>THD</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </munderover> <msub> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中

式中，f_THD表示电压总畸变率目标函数；c_n表示节点重要度加权系数，以表征不同节点对电压畸变的要求程度；α_n表示节点n负荷敏感度因子，如果该节点中含有多个负荷敏感性设备则取负荷敏感度因子中的最大值为准，至于敏感度因子的大小可根据需要进行调节设置，对于有敏感负荷并网的节点其敏感度因子可设置的大一些，而对于普通节点其值设为1；N表示系统总节点数；THD_n表示节点n处电压总畸变率；U_n,1表示节点n处基波电压有效值；U_n,h表示节点n处h次谐波电压有效值，可由h次谐波潮流计算求得；β_i表示惩罚因子，其值大小根据不同约束条件而定；f_i表示惩罚数值，其值大小与超出约束边界量有关；k表示约束条件项数。

3.根据权利要求1所述的一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法，其特征在于：在步骤2中，建立APF容量及节点电气参数限值约束方程，如式(2)～(4)所示；

APF输出的最大谐波补偿电流不可超出容量限值，且留有一定裕度；容量约束公式为

S′_k,APF≤σ_k,APF×S_k,APF (2)

其中

式中，S′_k,APF表示第k个APF谐波补偿总容量；σ_k,APF表示第k个APF容量域度安全系数，以保证APF容量不超出安全限值；S_k,APF表示第k个APF额定容量值；I_h表示h次谐波补偿电流有效值；

节点电压参数限值约束包括国家标准规定的各节点电压总畸变率约束以及各次谐波电压有效值上限值约束，节点电压总畸变率约束为

THD≤THD_max (3)

式中，THD_max表示系统规定的电压总畸变率上限值；

节点各次谐波电压有效值约束为

U_h≤U_h,max (4)

式中，U_h表示h次谐波电压有效值；U_h,max表示系统规定的各次谐波电压有效值上限值。

4.根据权利要求1所述的一种解决分散谐波源主动配电网谐波的全局优化治理方法，其特征在于：在步骤3中，建立谐波潮流等式约束，各次谐波电压优化值U_h可看作当前电网谐波源引起的谐波电压预测值与APF谐波补偿电流作用在网络所产生的谐波补偿电压两部分的叠加，其计算式如式(5)所示

U_h＝U_h,y+ΔU_h,y (5)

式中，U_h,y表示下一时刻各节点h次谐波电压预测值，可通过主动配电网SCADA量测数据预测得到；ΔU_h,y表示各节点h次谐波补偿电压的调整量，可通过计算APF治理电流调整量ΔI_h,y在网络中的潮流分布得出，计算式如式(6)所示

ΔU_h,y＝Z_h×ΔI_h,y (6)

式中，Z_h表示电网h次谐波阻抗矩阵。