淺析基于群魚算法多諧波源配電網濾波器的優化配置

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摘 要：濾波器的優化配置是在諧波電流、電網結果和參數已知的條件下，對濾波器安裝位置、類型以及參數和組數進行的最優解。要使得全網濾波器的投資最少又要保證網絡各個節點的總諧波畸形變率以及諧波電壓含量符合諧波標準，還要使得濾波器能夠安全運行，本文給出在配電網中優化配置以及有源和無源濾波器的求解算法和數學模型。

關鍵詞：群魚算法 多諧波源 輻射約束

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0094-01

電力系統考核電能質量的主要指標是電壓的幅值和頻率，現在世界各國都把電網電壓正諧波形畸變率極限值作為電能質量考核指標之一。隨著電力電子技術的飛速發展，各種新型用電設備越來越多地問世和使用，諧波的影響越來越嚴重。因此，研究和分析諧波具有重要的實際意義。

1 有源濾波模型優化目標函數

采用電力有源濾波器是抑制諧波的一個趨勢。有源電力濾波器基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而消除電網中的諧波。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且在日本等國得到廣泛的應用。有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就己經形成。80年代以來，由于大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation-PWM）控制技術的進步，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發展。本節以混合型有源濾波器進行模型分析。混合型有源濾波器兼顧無源和有源濾波的長處，減少補償系統投資性能比較高。實用濾波器的參數優化問題能夠在最低費用下滿足諧波抑制的要求，無源部分主要由電感L和電容C組成，其經濟性主要由原件功率和容量決定，該文采用有源優化配置的目標函數為：

式中表示經濟性，表示電感、電容以及額定容量之間的函數關系，表示額定容量與優化配置之間的函數關系。

有源濾波對網絡進行無功補償，并且通過有源濾波器以及基波電流的各次諧波來控制電流容量，電流的電容容量為：

為了使理論總投資費用更接近工程總投資費用，避免選擇值得盲目性，采用市場價格決定法確定系數。容量決定與所補償的總諧波電流有效值，其并且容量值與基波無關，是由補償的諧波電流值決定的。

通過加裝濾波裝置后，使得電網諧波含量在符合國家標準的基礎上盡量降低，并以母線的諧波頻率電壓畸變率為衡量的標準。

2 無源濾波優化模型目標函數

無源電力濾波器是有濾波電容、電阻、電抗以及電容進行組合的濾波裝置，能為諧波電路提供一個通路，使得所濾去的告辭諧波與諧振頻率相等，達到濾去諧波目的。其中電容、電阻、電抗以及電容的不同組合以及不同的接線方式可以形成不同類型的濾波器，無源濾波裝置一般由單組或者若干組濾波器組成，同時還可以加上一組高通濾波器，運行中能和諧波源并并聯除去濾波同時兼容調壓和補償的作用。無源濾波器運行可靠、維護方便以及結構簡單是當前運用廣泛的濾波器，但是在某些條件下可能與系統發生諧振是諧波分量增加導致電能質量下降。

假設網絡中各個節點都有可能有諧波，并需要安裝如干個不同諧振頻率以及不同類型的濾波支路，通過并聯形成無源濾波器。以常用的單調諧型以及二階高通濾波支路為對象進行函數說明。假設節點i處最多允許安裝的無源濾波支路為J，并且最后一個支路是二階高通類型，則余下依次為對應單調諧波類型。那么需要用組合來表示節點i和條數J來表示諧振次數、品質因素、電容器值、電感值以及電阻值：

品質因素：；電容器值：；電感值：；電阻值：，其中以及分別為高通濾波支路的諧波次數，由此將構成以下關系：

上式中ij表示i節點j條無源濾波支路，無源濾波優化模型目標函數呈現以下線性關系：

3 基于魚群算法的參數尋優的規劃模型

濾波器尋優規劃是一個優化組合問題，使得整個建設的運行和投資最小，其目的就是尋找一個規劃方案，同時滿足可靠性和約束條件。人工魚群算法是一個基于模擬魚群行為的隨機搜索的智能現代啟發式算法。主要利用覓食、群聚以及追尾行為作為算子，通過魚群中個體的局部尋有優達到全局最優的目的，這種算法具有良好的克服局部極值取得全局最優的能力，還能很好的解決優化組合問題和快速收斂的特點。

3.1 數學模型描述

濾波器配置優化以配置規劃的綜合費用H作為最小目標函數，包含投資費用、設備折舊費用以及運行中的電能損耗費用等。

式中X為n維決策向量，就是規劃問題的解，X=代表規劃問題中可配置的n個濾波器；是配置投資的費用，，是濾波器給線路的投資回報，是濾波設備的折舊率，是新建濾波i投資費用，是一個向量元素；是濾波損耗費用，是配置濾波器i的損耗，是在符合狀態下濾波器的運行時間，是價格單位。

3.2 輻射約束處理

濾波器參數優化選擇是在一個閉環結構開環運行的特征網絡中的，穩定運行狀態對分支網絡樹形輻射結構，在濾波器規劃領域中，對一個規劃的方案應該滿足：N=S+M。M為濾波器節點數，包含原有節點和新建的節點，S為網絡的支路數。因此一個多諧波網絡濾波器優化配置輻射約束條件應該定義如下：

定義1、濾波器優化方案滿足等式條件，并滿足網絡結構樹形單向輻射接歐冠，可以在該方案進行拓撲操作；定義2優化配置方案僅僅滿足等式即可。應用群魚啟發式算法來求解濾波器規劃問題，通常所有可能的需要待建設濾波器節點被選擇作為規劃的變量幾何。如果不采取特殊措施，在迭代過程中會有大量不可行的方案出現，如以上遺傳算法中個，對給定的可行初始方案，經過遺傳算子特別是交叉變異操作過的染色體往往破壞規劃的“輻射性”，這樣過于不可預測的結果使方案不可行。

4 結語

在利用有源濾波進行規劃時候也容易產生濾波器配置問題，為了保證尋優采用保證基本輻射性的編碼，即在迭代尋優和初始化過程中對每個個體進行輻射約束，這樣大大減少優化中的不可解，提高了尋優的效率。

參考文獻

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