專利名稱：有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法。

背景技術：
隨著電力電子器件在工業(yè)中的廣泛應用，電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴重。諧波不僅影響電氣設備的正常工作，還給電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行帶來隱患。目前，消除諧波的方法主要有無源電力濾波器、有源電力濾波器(APF)。APF因其良好的諧波治理性能，越來越受廣泛的應用。
APF在電力系統(tǒng)的應用主要目的就是在注入較小的諧波電流的前提下，獲得較優(yōu)的諧波治理效果。電力系統(tǒng)中諧波治理效果是可以通過各母線電壓畸變情況反映出來的。APF安裝位置對其工作性能具有很大的影響，當APF裝設在一個合適的位置時，APF只需注入較小的諧波電流就能取得好的諧波治理效果。但是，APF安裝位置和容量的選擇是一個非常復雜的問題，如何快速確定APF的安裝位置和容量是諧波治理過程中急需解決的難題。


發(fā)明內容
為了解決有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇存在的技術問題，本發(fā)明提供一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法。
本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟 1)計算多個APF接入后電網(wǎng)所有母線的電壓總畸變程度之和； 2)計算多個APF接入后注入電網(wǎng)的諧波電流有效值之和； 3)利用電網(wǎng)的電壓總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網(wǎng)諧波治理目標函數(shù)； 4)利用班德分解法將電網(wǎng)諧波治理函數(shù)分解成主問題和子問題兩層； 5)主、子問題反復迭代求解直至全部約束被滿足，最優(yōu)解收斂。
本發(fā)明的技術效果在于 (1)通過對APF容量和安裝點的最優(yōu)選擇，使其額定大小為最小，具有較優(yōu)的經(jīng)濟性； (2)可以很好的解決電網(wǎng)諧波電壓畸變問題，使諧波畸變程度降到最小，并滿足諧波治理標準。
(3)應用并行計算處理技術計算，過程快速、精確； (4)易于擴展到更復雜的模型結構； (5)對同時含有連續(xù)變量和整數(shù)變量的問題有很強的處理能力，而且不需要任何線性化假設。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。



圖1為電壓型APF及電流型APF 圖2為子問題運算流程圖。
圖3為Benders運算流程圖。

具體實施例方式 下面詳細說明有源電力濾波器容量和安裝位置選擇的具體步驟。
計算多個APF接入電網(wǎng)后所有母線的電壓總畸變程度之和 電網(wǎng)母線諧波電壓為 其中，M為電網(wǎng)中接入的APF的個數(shù)，zk，mh為電網(wǎng)h次諧波等效阻抗矩陣，Imh為在母線m注入的h次諧波電流值，Uk，newh為接入APF后母線k處h次諧波電壓的值，Uk，oldh接入APF前母線k處h次諧波電壓的值，ΔUkh為接入APF時引起的母線k處h次諧波電壓的變化量。
母線k上的電壓總畸變程度 則電網(wǎng)所有母線的電壓畸變程度之和為 其中，H為需要考慮的最高諧波次數(shù)，K為所研究的電網(wǎng)母線總數(shù)，Wkh為影響因子，取值范圍為
。
計算多個APF接入后注入電網(wǎng)的諧波電流有效值之和 Imh，r為APF在母線m處注入的h次諧波電流的實部，Imh，i為APF在母線m處注入的h次諧波電流的虛部。
利用電網(wǎng)的電壓總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網(wǎng)諧波治理目標函數(shù) MinF1+F2 其中 F1 F2 約束條件為 Im≤IMax m＝1…M Im∈D 其中，IMax為APF的最大容量、D為APF的一系列不同容量等級、Uk，Maxh為國標允許的h次諧波電壓含量最大值、THDk為電壓總畸變程度允許最大值。
利用班德分解法將電網(wǎng)諧波治理函數(shù)分解成主問題和子問題兩層。主問題可表示成如下 Min F s.t Im-IMax≤0 Im∈D 其中，F(xiàn)及Im為未知量，帶有上標“*”的量是通過子問題求取的。據(jù)Benders分解法，電網(wǎng)諧波治理問題的子問題可表示成如下 Min F1+F2* s.t m＝1，…，M k＝1，…，K；h＝2，…，H 其中，帶有上標“*”的量是通過上述主問題獲得的。當考慮APF的容量限制時，利用拉格朗日乘數(shù)法對子問題的具體求取過程如下 設APF的最大輸出電流有效值為Immax，則有 其中，Immax為APF能輸出的諧波最大值。
上式為考慮APF輸出容量限制時的約束條件，那么此時電網(wǎng)諧波治理優(yōu)化目標函數(shù)的拉格朗日表達式為 其中， 其中，m＝1，2，…M，表示APF的序號，μ1為拉格朗日乘數(shù)。
方程(2)的Kuhn-Tucker條件為 式(3)、(4)可以分別表示為 考慮APF容量限制時的最優(yōu)解可以用不考慮容量限制時最優(yōu)解表示。因此，Im，Ch，r和Im，Ch，i可以分別表示為 其中，αmh，r和αmh，i為實部和虛部的比例系數(shù)。把式(7)、(8)分別代入式(6)、(7)得 由(9)式可以看出，對于APF注入電流的實部和虛部而言系數(shù)αmh，r與αmh，i是相等的。因此，可以通記為αmh。則式(9)可以表示為 解式(10)得 由式(2)可知，當APF的設置位置及容量確定后，其注入電網(wǎng)的各次諧波電流的拉格朗日系數(shù)μ1是相等的。因此，t次諧波的比例系數(shù)αmt可由h諧波的系數(shù)αmh表示 又由于APF發(fā)出的諧波電流有效值最大值為Immax，因此 把式(7)、(8)代入上式得 通過計算可得到 由上式可以看出，求解考慮APF容量限制時的最優(yōu)解問題就轉化為對αmh(h＝2，3，…，H)的求解。對于αmh的求解，運算過程如圖2所示。
a初始化，輸入電網(wǎng)個母線諧波電壓含量，電網(wǎng)等效阻抗，APF的容量等級，同時給αm2賦初值； b利用式(12)求取其余各次諧波的比例系數(shù)α； c把求取的α值的集合代入式(15)，計算等式左邊的值； d判斷等式(15)兩邊的值是否相等； e若誤差在大于允許誤差，則修正α，返回(b)； f如果誤差在允許范圍之內，在則利用式(7)、(8)計算出APF各次諧波電流的最優(yōu)值，利用式(11)計算出μ1； g向主程序返回求取的μ1及Im值。
參見圖3，利用班德分解法(Benders)求取APF最優(yōu)安裝位置及容量的運算過程如下 a根據(jù)現(xiàn)場諧波含量及工程經(jīng)驗，估計APF容量初始值，設下邊界初值為一個負數(shù)； b對子問題進行求解，獲得目標函數(shù)上邊界值，注入諧波電流的實部Imh，r、虛部Imh，i以及邊際效應值μm*； c如果求得的目標函數(shù)上邊界值與下邊界值間的誤差在允許范圍內則求解過程結束，否則，轉到d； d把子問題獲取的Benders割傳遞給主問題，對主問題求解，獲得一個新的目標函數(shù)下邊界值和APF的容量限制值； e把主問題的解傳遞給子問題，轉到b。
上述求解過程中，當主問題確定了APF的容量及安裝位置后，子問題進行運算，獲得一個最優(yōu)的諧波注入電流Im，并以Benders割(cut)的形式返回主問題。主問題根據(jù)子問題返回的信息，利用邊際效應μm*求取更優(yōu)的APF安裝位置及容量，主、子問題反復迭代直至約束被滿足，獲得最優(yōu)解。即得到APF在電網(wǎng)中應用時安裝位置及容量的最優(yōu)求解，從而在注入較小的諧波電流的前提下，能獲得較優(yōu)的諧波治理效果。
權利要求
1.一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，包括以下步驟
1)計算多個APF接入后電網(wǎng)所有母線的電壓總畸變程度之和；
2)計算多個APF接入后注入電網(wǎng)的諧波電流有效值之和；
3)利用電網(wǎng)的電壓總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網(wǎng)諧波治理目標函數(shù)；
4)利用班德分解法將電網(wǎng)諧波治理函數(shù)分解成主問題和子問題兩層；
5)主、子問題反復迭代求解直至全部約束被滿足，最優(yōu)解收斂。
2.根據(jù)權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟1)包括以下步驟
列出電網(wǎng)母線諧波電壓公式；
其中，M為電網(wǎng)中接入的APF的個數(shù)，zk，mh為電網(wǎng)h次諧波等效阻抗矩陣，Imh為在母線m注入的h次諧波電流值，Uk，newh為接入APF后母線k處h次諧波電壓的值，Uk，oldh接入APF前母線k處h次諧波電壓的值，ΔUkh為接入APF時引起的母線k處h次諧波電壓的變化量。
計算母線k上的電壓總畸變程度
電網(wǎng)所有母線的電壓畸變程度之和為
其中，H為需要考慮的最高諧波次數(shù)，K為所研究的電網(wǎng)母線總數(shù)，Wkh為影響因子，取值范圍為
。
3.根據(jù)權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟2)中注入電網(wǎng)的諧波電流有效值之和為
Imh，r為APF在母線m處注入的h次諧波電流的實部，Imh，i為APF在母線m處注入的h次諧波電流的虛部。
4.根據(jù)權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟3)中利用電網(wǎng)的總畸變程度之和和諧波電流有效值之和建立電網(wǎng)諧波治理目標函數(shù)為
MinF1+F2
其中
F1
F2
約束條件為
Im≤IMax m＝1…M
Im∈D
其中，IMax為APF的最大容量、D為APF的一系列不同容量等級、Uk，Maxh為國標允許的h次諧波電壓含量最大值、THDk為電壓總畸變程度允許最大值。
5.根據(jù)權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟4)中主問題描述如下
Min F
s.t
Im-IMax≤0
Im∈D
其中，F(xiàn)及Im為未知量，帶有上標“*”的量是通過子問題求取的。
6.根據(jù)權利要求1所述的有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法，所述步驟4)中子問題描述如下
Min F1+F2*
s.t
m＝1，…，M
k＝1，…，K；h＝2，…，H
其中，帶有上標“*”的量是通過上述主問題獲得的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有源電力濾波器容量和安裝位置的選擇方法。包括以下步驟計算電網(wǎng)母線的電壓總畸變率及注入電網(wǎng)諧波總電流；建立電網(wǎng)諧波治理目標優(yōu)化函數(shù)；利用班德分解法對電力系統(tǒng)諧波治理目標函數(shù)進行求解。Benders求解過程中將整個求解分割成兩部分主問題與子問題，主問題處理APF位置及額定容量的選取，使得額定容量為符合實際情況的離散值，并且使得APF的額定容量為最??；子問題用于解決電網(wǎng)諧波電壓畸變問題，通過利用拉格朗日乘數(shù)法求解考慮APF容量限制時注入諧波電流的最優(yōu)值，使諧波畸變程度降到最小，并滿足諧波治理標準。
文檔編號H02J3/01GK101222141SQ20071030346
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權日2007年12月29日
發(fā)明者安 羅, 帥智康, 適 舒, 孫賢大, 偉 趙 申請人:湖南大學