CN114744627A - 一种低频谐振抑制装置clc支路阻抗匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，包括：对接入低频谐振抑制装置的电源系统建立等效电路模型；根据目标低频谐波频段和所述等效电路模型，得到所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件；基于所述电源系统的母线中低频谐波抑制率构造目标函数；根据所述约束条件和所述目标函数，得到CLC支路阻抗的多约束目标优化函数；采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数；本发明能够解决常规配置方法难获得CLC支路阻抗参数问题，能够实现对具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统的低频谐波抑制，保证电源系统的低频谐波抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及电网滤波技术领域，尤其涉及一种低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法。
背景技术
电力电子设备的广泛应用给电网带来了严重的谐波污染，严重的谐波污染可能引起并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，影响各种电气设备的正常运行，并且大大降低电网的电能质量。对于具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统，在运行过程中会产生大量谐波，其中既含有高频谐波也含有低频谐波，并以低频谐波为主，谐波经谐振放大后会严重危害系统甚至电网的稳定运行。
LC滤波器通过设计为单调谐、高通滤波器等形式实现对高频谐波的抑制，同时也可以对电源系统进行无功补偿。对于靠近基波频率的低频谐波，LC滤波器难以实现有效抑制。有源电力滤波器（APF）能有效抑制低频谐波，但由于电压等级、容量、经济性等等影响因素，使得其在高压、大容量系统中难以应用。而低频谐振抑制装置能有效抑制具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统中的低频谐波，低频谐振抑制装置CLC支路阻抗值在实际应用过程中通常是基于无功补偿容量及特征谐波电流大小进行设计，但基于常规设计方法设计的阻抗参数难以匹配具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统，实现最优谐波抑制，限制了低频谐振抑制装置的广泛应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其能实现对具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统的低频谐波抑制，保证电源系统的低频谐波抑制效果。
本发明实施例提供了一种低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，包括：
对接入低频谐振抑制装置的电源系统建立等效电路模型；
根据目标低频谐波频段和所述等效电路模型，得到所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件；
基于所述电源系统的母线中低频谐波抑制率构造目标函数；
根据所述约束条件和所述目标函数，得到CLC支路阻抗的多约束目标优化函数；
采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数。
作为上述方案的改进，所述方法还包括：
测试所述电源系统在没有接入所述低频谐振抑制装置的情况下的各次谐波含量，并生成谐波含量分布图；
根据所述谐波含量分布图，确定所述低频谐振抑制装置抑制的目标低频谐波频段。
作为上述方案的改进，所述约束条件包括基于基频谐振的第一约束条件、基于串联谐振频率的第二约束条件、基于无功功率容量的第三约束条件以及基于谐波电流的第四约束条件。
作为上述方案的改进，所述根据目标低频谐波频段和所述等效电路模型，得到所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件，包括：
在所述等效电路模型中，将CLC支路中的第一电感和第一电容在基波频率处构成基频谐振，得到基于基频谐振的第一约束条件；
将CLC支路的整体串联谐振频率选择在所述目标低频谐波频段内，得到基于串联谐振频率的第二约束条件；
根据所述电源系统可承受的无功功率容量的参数范围，得到基于无功功率容量的第三约束条件；
根据在所述低频谐振抑制装置中的有源电力滤波器处的谐波电流，得到基于谐波电流的第四约束条件。
作为上述方案的改进，所述第一约束条件的函数表达为：
其中，Z1表示CLC支路基频谐振中第一电感L1和第一电容C1之间的整体阻抗；j表示虚数单位；
表示电源系统的角频率；
表示无穷小，50Hz表示基波频率。
作为上述方案的改进，所述第二约束条件的函数表达为：
其中，Z2表示CLC支路注入电容的容抗；flow、fhigh表示所述目标低频谐波频段的下限和上限；C2表示CLC支路的第二电容。
作为上述方案的改进，所述第三约束条件的函数表达为：
其中，U表示电源系统母线电压等级；
Q表示电源系统可承受的无功功率容量的参数范围。
作为上述方案的改进，所述第四约束条件的函数表达为：
其中，ic表示代表流向CLC支路的电流；iAPF表示低频谐振抑制装置中有源电力滤波器产生的谐波电流；Zfq表示电源系统中无源滤波支路总体等效阻抗。
作为上述方案的改进，所述目标函数为：
其中，ish表示电源系统母线上的谐波电流，ilh表示谐波负载等效谐波电流源支路电流；
表示电源系统的母线中低频谐波抑制率；K表示设定的控制参量；Zs表示电源系统的等效阻抗；
则，所述多约束目标优化函数为：
作为上述方案的改进，所述采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数，包括：
在改进和声算法中代入电源系统的等效阻抗、电源系统中无源滤波支路总体等效阻抗、电源系统可承受的无功功率容量的参数范围，得到关于第一电容、第一电感及第二电容的多约束目标优化函数；
初始化改进和声算法的和声参数；
通过初始化后的改进和声算法对关于第一电容、第一电感及第二电容的多约束目标优化函数求解，得到CLC支路的阻抗参数。
相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：基于接入低频谐振抑制装置的电源系统的等效电路模型和目标低频谐波频段，构造所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件；以所述电源系统的母线中低频谐波抑制率构造目标函数；然后综合所述约束条件和所述目标函数，得到CLC支路阻抗的多约束目标优化函数；最后采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数；本发明实施例能够解决常规配置方法难获得CLC支路阻抗参数问题，能够实现对具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统的低频谐波抑制，保证电源系统的低频谐波抑制效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的接入低频谐振抑制装置的电源系统的电路图；
图3是本发明实施例提供的接入低频谐振抑制装置的电源系统的等效电路模型示意图；
图4是本发明实施例提供的谐波含量分布图；
图5是改进和声搜索算法流程图；
图6是利用常规方法与改进和声搜索算法获得CLC支路阻抗参数低频谐波抑制效果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1，其是本发明实施例提供的一种低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法的流程图，所述低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，包括：
S1：对接入低频谐振抑制装置的电源系统建立等效电路模型；
如图2所示，所述电源系统主要由10kV电源母线、谐波负载、无源滤波支路及低频谐振抑制装置组成。其中谐波负载为整流变流器，无源滤波支路由3支路、5支路、7支路、11支路及13支路组成，同时兼顾滤波和无功补偿的功能，低频谐振抑制装置由APF（即有源电力滤波器）及CLC支路组成。低频谐振抑制装置中APF产生目标低频谐波频段的谐波电流注入到CLC支路，再经CLC支路谐振放大流入10kV电源母线中，实现对谐波的抑制。
10kV电源母线上的谐波主要是由整流变流器产生的，根据整流变流器表现出的特性，可以将其等效为一个谐波电流源；根据低频谐振抑制装置的特性，可以将其等效为一个受控电流源加上CLC支路，输出目标低频谐波频段的谐波电流；无源滤波支路各分支结构基本一致，可以将其等效为一条无源支路，获得无源支路整体等效阻抗。无源滤波支路中3支路和13支路是单调谐滤波器，5支路到11支路为高通滤波器，可以得到各无源支路的阻抗及无源支路整体等效阻抗表达式为：
其中，L3、C3表示无源滤波支路中3支路的等效电感、等效电容；L5、C5、R5表示无源滤波支路中5支路的等效电感、等效电容、等效电阻；L7、C7、R7表示无源滤波支路中7支路的等效电感、等效电容、等效电阻；L9、C9、R9表示无源滤波支路中9支路的等效电感、等效电容、等效电阻；L11、C11、R11表示无源滤波支路中11支路的等效电感、等效电容、等效电阻；L13、C13、R13表示无源滤波支路中13支路的等效电感、等效电容、等效电阻。
根据低频谐振抑制装置、电源、无源滤波支路及谐波负载各自特性和电源系统阻抗特性和基尔霍夫电压、电流定律，建立电源系统的等效电路模型，等效电路模型如图3所示，所得等效电路模型的数学表达式如下所示：
其中，Ush代表电源系统背景谐波等效电源，Zs代表电源系统等效阻抗，ish代表电源系统母线上的谐波电流，Ulh代表谐波负载等效的谐波电流源支路电压，ilh代表谐波负载等效谐波电流源支路电流，Zfq代表无源滤波支路总体等效阻抗，ifq代表流入无源滤波支路的电流，ic代表流向CLC支路的电流，Z1表示CLC支路基频谐振L1、C1整体的阻抗，i1代表流向CLC支路中基频谐振支路的电流，Z2代表CLC支路注入电容的容抗，iAPF代表低频谐振抑制装置中APF产生的谐波电流，K代表设定的控制参数。需要说明的是，K在研究阻抗参数匹配时为定值。
S2：根据目标低频谐波频段和所述等效电路模型，得到所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件；
其中，所述约束条件包括基于基频谐振的第一约束条件、基于串联谐振频率的第二约束条件、基于无功功率容量的第三约束条件以及基于谐波电流的第四约束条件。
进一步，所述根据目标低频谐波频段和所述等效电路模型，得到所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件，包括：
在所述等效电路模型中，将CLC支路中的第一电感和第一电容在基波频率处构成基频谐振，得到基于基频谐振的第一约束条件；
将CLC支路的整体串联谐振频率选择在所述目标低频谐波频段内，得到基于串联谐振频率的第二约束条件；
根据所述电源系统可承受的无功功率容量的参数范围，得到基于无功功率容量的第三约束条件；
根据在所述低频谐振抑制装置中的有源电力滤波器处的谐波电流，得到基于谐波电流的第四约束条件。
在CLC支路中，L1和C1在基波频率处构成基频谐振，可以得到基于基频谐振的第一约束条件，具体的函数表达为：
其中，Z1表示CLC支路基频谐振中第一电感L1和第一电容C1之间的整体阻抗；j表示虚数单位；
表示电源系统的角频率；
表示无穷小，50Hz表示基波频率。
低频谐振抑制装置的CLC支路接入电源系统中整体会产生新的串联谐振，为避免新的谐振点与电源系统已有的特征次谐波频率重合，在本发明实施例中将CLC支路整体串联谐振频率选择在需要被滤除的目标低频谐波频段内，从而可以得到基于串联谐振频率的第二约束条件，具体的函数表达为：
其中，Z2表示CLC支路注入电容的容抗；flow、fhigh表示所述目标低频谐波频段的下限和上限；C2表示CLC支路的第二电容。
CLC支路接入电源系统会改变电源系统原有无功功率容量，CLC支路阻抗参数的设计必须使无功功率容量的变化在电源系统可承受的范围内，可以得到基于无功功率容量的第三约束条件，具体函数表达为：
其中，U表示电源系统母线电压等级；
Q表示电源系统可承受的无功功率容量的参数范围。
低频谐振抑制装置中的APF产生的谐波电流通过CLC支路的谐振放大作用流入电源系统母线，达到抑制电源系统母线谐波的目的。CLC支路谐波电流应大于APF处的谐波电流值，从而可以得到基于谐波电流的第四约束条件，具体的函数表达为：
其中，ic表示代表流向CLC支路的电流；iAPF表示低频谐振抑制装置中有源电力滤波器产生的谐波电流；Zfq表示电源系统中无源滤波支路总体等效阻抗。
S3：基于所述电源系统的母线中低频谐波抑制率构造目标函数；
以对电源系统总线中的低频谐波抑制率为目标函数，可以得到目标函数的表达为：
其中，ish表示电源系统母线上的谐波电流，ilh表示谐波负载等效谐波电流源支路电流；
表示电源系统的母线中低频谐波抑制率；K表示设定的控制参量；Zs表示电源系统的等效阻抗。
S4：根据所述约束条件和所述目标函数，得到CLC支路阻抗的多约束目标优化函数；
将所述约束条件和所述目标函数相结合，可以得到一个针对CLC支路阻抗的多约束目标优化函数，具体表达为：
S5：采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数。在本发明实施例，基于接入低频谐振抑制装置的电源系统的等效电路模型和目标低频谐波频段，构造所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件；以所述电源系统的母线中低频谐波抑制率构造目标函数；然后综合所述约束条件和所述目标函数，得到CLC支路阻抗的多约束目标优化函数；最后采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数；本发明实施例能够解决常规配置方法难获得CLC支路阻抗参数问题，能够实现对具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统的低频谐波抑制，保证电源系统的低频谐波抑制效果，具有一定的工程应用价值。
在一种可选的实施例中，所述方法还包括：
测试所述电源系统在没有接入所述低频谐振抑制装置的情况下的各次谐波含量，并生成谐波含量分布图；
根据所述谐波含量分布图，确定所述低频谐振抑制装置抑制的目标低频谐波频段。
在本发明实施例中，对无低频谐振抑制装置时电源系统的各次谐波进行测试，并根据现场测试数据获得无低频谐振抑制装置时电源系统各次谐波含量分布图，如图4所示。根据谐波含量分布图，确定低频谐振抑制装置抑制的目标低频谐波频段。电源系统中3次及以上谐波由无源滤波支路负责抑制，3次以下低频谐波频段由低频谐振抑制装置负责。如图4所示目标低频谐波段主要为2次谐波，所以在本发明实施例中设置目标低频谐波频段为：75Hz～125Hz。
在一种可选的实施例中，所述采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数，包括：
在改进和声算法中代入电源系统的等效阻抗、电源系统中无源滤波支路总体等效阻抗、电源系统可承受的无功功率容量的参数范围，得到关于第一电容、第一电感及第二电容的多约束目标优化函数；
初始化改进和声算法的和声参数；
通过初始化后的改进和声算法对关于第一电容、第一电感及第二电容的多约束目标优化函数求解，得到CLC支路的阻抗参数。
示例性，下面结合图5对改进和声算法流程进行说明。
（1）在改进和声算法中代入电源系统的等效阻抗、电源系统中无源滤波支路总体等效阻抗、电源系统可承受的无功功率容量的参数范围具体的数值，得到具体关于、即、、的多约束目标优化问题的表达式。
（2）设置改进和声搜索算法的相关和声参数：HMS=5、HMCR=0.9、PARmin=0.4、PARmax=0.9、BWmin=0.0001、BWmax=1以及MIT=3000。
（3）在和声向量取值范围内随机生成和声记忆库初始值，并根据设置的HMS值决定和声记忆库的大小。其中，以所述约束条件，确定和声向量的取值范围。
（4）按照改进和声搜索算法的搜索机制，比较生成的（0，1）间随机数与参数HMCR值大小，决定新和声向量的初步取值，取值方法如下所示：
xi代表和声向量，Xi代表和声向量的取值范围。
（5）根据设置的PAR、BW参数非线性时变规则，比较生成的（0，1）间随机数与参数PAR值大小，决定新和声向量初步取值是否微调，确定新和声向量的最终取值。
（6）将步骤（4）和（5）生成的新和声向量带入多约束目标优化函数，求解目标函数值。
（7）新求解的目标函数值带入和声记忆库中，更新和声记忆库。
（8）判断当前迭代次数是否大于最大迭代次数，若大于则结束改进和声搜索算法，否则执行步骤（5）。
（9）输出和声记忆库中目标函数的最优解，即CLC支路的阻抗参数的最优解。
按照上述步骤可以得到CLC支路最优的阻抗参数为：C1=338
F、L1=30mH、C2=152
F，通过改进和声搜索算法获得的最优的阻抗参数谐波抑制效果如图6所示，与传统设计方法相比，谐波抑制效果得到明显提升。
相对于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：以低频谐振抑制装置CLC支路的基频谐振、CLC支路整体串联谐振、CLC支路谐振放大效果及电源系统无功功率容量为约束条件，以对电源系统母线的谐波抑制率为目标函数，将低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配设计抽象为一个多约束目标优化问题，再利用改进和声搜索算法对多约束目标优化问题进行求解，获得CLC支路的阻抗参数的最优解，能够解决常规配置方法难获得CLC支路阻抗参数问题，能够实现对具有高压、大容量及复杂阻抗特性的电源系统的低频谐波抑制，保证电源系统的低频谐波抑制效果，具有一定的工程应用价值。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元限制的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，包括：
对接入低频谐振抑制装置的电源系统建立等效电路模型；
根据目标低频谐波频段和所述等效电路模型，得到所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件；
基于所述电源系统的母线中低频谐波抑制率构造目标函数；
根据所述约束条件和所述目标函数，得到CLC支路阻抗的多约束目标优化函数；
采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数。
2.如权利要求1所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述方法还包括：
测试所述电源系统在没有接入所述低频谐振抑制装置的情况下的各次谐波含量，并生成谐波含量分布图；
根据所述谐波含量分布图，确定所述低频谐振抑制装置抑制的目标低频谐波频段。
3.如权利要求2所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述约束条件包括基于基频谐振的第一约束条件、基于串联谐振频率的第二约束条件、基于无功功率容量的第三约束条件以及基于谐波电流的第四约束条件。
4.如权利要求3所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述根据目标低频谐波频段和所述等效电路模型，得到所述电源系统抑制低频谐波所需的约束条件，包括：
在所述等效电路模型中，将CLC支路中的第一电感和第一电容在基波频率处构成基频谐振，得到基于基频谐振的第一约束条件；
将CLC支路的整体串联谐振频率选择在所述目标低频谐波频段内，得到基于串联谐振频率的第二约束条件；
根据所述电源系统可承受的无功功率容量的参数范围，得到基于无功功率容量的第三约束条件；
根据在所述低频谐振抑制装置中的有源电力滤波器处的谐波电流，得到基于谐波电流的第四约束条件。
5.如权利要求4所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述第一约束条件的函数表达为：
其中，Z1表示CLC支路基频谐振中第一电感L1和第一电容C1之间的整体阻抗；j表示虚数单位；
表示电源系统的角频率；
表示无穷小，50Hz表示基波频率。
6.如权利要求5所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述第二约束条件的函数表达为：
其中，Z2表示CLC支路注入电容的容抗；flow、fhigh表示所述目标低频谐波频段的下限和上限；C2表示CLC支路的第二电容。
7.如权利要求6所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述第三约束条件的函数表达为：
其中，U表示电源系统母线电压等级；
Q表示电源系统可承受的无功功率容量的参数范围。
8.如权利要求7所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述第四约束条件的函数表达为：
其中，ic表示代表流向CLC支路的电流；iAPF表示低频谐振抑制装置中有源电力滤波器产生的谐波电流；Zfq表示电源系统中无源滤波支路总体等效阻抗。
9.如权利要求8所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述目标函数为：
其中，ish表示电源系统母线上的谐波电流，ilh表示谐波负载等效谐波电流源支路电流；
表示电源系统的母线中低频谐波抑制率；K表示设定的控制参量；Zs表示电源系统的等效阻抗；
则，所述多约束目标优化函数为：
10.如权利要求9所述的低频谐振抑制装置CLC支路阻抗匹配方法，其特征在于，所述采用改进和声搜索算法对所述多约束目标优化函数进行求解，得到CLC支路的阻抗参数，包括：
在改进和声算法中代入电源系统的等效阻抗、电源系统中无源滤波支路总体等效阻抗、电源系统可承受的无功功率容量的参数范围，得到关于第一电容、第一电感及第二电容的多约束目标优化函数；
初始化改进和声算法的和声参数；
通过初始化后的改进和声算法对关于第一电容、第一电感及第二电容的多约束目标优化函数求解，得到CLC支路的阻抗参数。
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