基波調諧式混合型有源電力濾波器主電路優化研究

2013-09-22 02:46:02劉桂英謝海麗

電氣技術 2013年2期

黃飛劉桂英謝海麗李莎

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410076）

隨著電力電子技術的發展，各種各樣的電子器件用于電力系統，電網的諧波危害已經到了一個相對嚴重的程度，然而科技的發展卻對電能質量的要求日益嚴格，這樣就行成了一個比較突出的矛盾，急需解決。對電力系統中的諧波進行濾波是一個效果好、相對簡單的方法，現有的濾波器手段主要有：無源濾波器、有源濾波器以及混合型濾波器，然而傳統的無源濾波器是基于諧振原理，結構相對簡單，容易實現，經濟性較好，但只能對特定次的諧波進行濾除，而且易與電網產生串、并聯諧振，受電網影響嚴重。而有源濾波器則能動態的對諧波進行補償，補償效果好，穩定性好，但是直接與電網相連對其的電壓、電流和容量都有比較高的要求，技術實現比較困難。混合型有源濾波器同時兼具無源和有源濾波器兩者之優點，用無源濾波器濾除幾次含量較大諧波，再用有源濾波器來補償其他次含量較小的諧波，這樣有源濾波器的容量可以做的較小，又可以得到較好的濾波效果。

本文基于對現有的各種有源濾波器的拓撲結構的分析，提出了一種基波調諧注入式混合有源電力濾波器，并運用動態規劃—遺傳算法對其主電路的各個部分進行了綜合設計，最后進行了整體的仿真。

1 拓撲結構和原理

圖1所示為基波諧振注入式混合有源濾波器的拓撲結構，有源部分是一個電壓型逆變器，直流側接一個大電容，采用 IGBT模塊，通過一個輸出電抗器接到耦合變壓器。輸出電抗器主要是抑制系統的電流突變和逆變器的產生的高頻毛刺。有源部分通過耦合變壓器與諧振支路并聯，諧振支路在基波附近諧振，因此逆變器幾乎不承受基波電壓，其對于高頻分量的阻抗則較大，這樣有源濾波器產生的諧波分量能夠很順利的進入主電路。諧振支路通過注入電容和電網并聯，注入電容承受了大部分的基波電壓，還能像電網注入一定容量的無功。幾組無源濾波器也并聯接入電網，在電網含量較大的幾次諧波附近諧振，濾除系統大部分的諧波，這樣就大大減少了有源部分的容量，同時還能對系統進行無功補償。該結構的混合型有源濾波器，是由無源濾波器和有源濾波器來濾除諧波，由注入電容和無源濾波器來補償無功。

圖1 基波諧振注入式混合有源濾波器的拓撲結構

2 遺傳動態規劃的多目標優化

動態規劃算法和遺傳算法是兩種比較成熟的優化設計算法，應用都比較廣泛，但是各自有其優勢和缺點。動態規劃算法是一種解決多階段決策最優的方法，對于多目標的優化問題，可以將多個目標分為多個階段，每個階段都求出其最優解，綜合在一起即整個多目標問題的最優解，但是動態規劃算法是單獨對某個階段進行求解，沒有從全局來考慮，因此得到的解只是局部最優解，很難的到全局最優解。遺傳算法是一種模擬生物進化的優化算法，其本質是一種高效、并行、全局搜索的方法，它能在搜索過程中積累和自動獲取搜索空間的有關知識，并控制搜索過程以求得最優解，具有很強的全局尋優的能力。但初值的選取是在一個特定的數值空間內隨即產生，適應度不高，需要很多次的迭代運算才能得到最優解，這將會產生很長的迭代亢余，不利于快速準確的尋得全局最優解。本文將動態規劃算法和遺傳算法結合起來，通過動態規劃的多階段決策得出一系列適應度較高的初始值，再用遺傳算法對這些初始值進行迭代運算，最終能夠快速、準確的得出多目標問題的全局最優解。

2.1 目標模型

基波諧振注入式混合有源濾波器的優化設計是一個多目標非線性的求解問題，需要同時考慮濾波器的經濟性函數、滿意度函數和無功補償函數這三個目標，在一定的約束條件下同時達到最優。

1）經濟性函數。以基波調諧式混合型有源電力濾波器的整體造價為優化的目標函數，設計的變量主要是濾波器的各個支路的電容和電感容量。目標函數的表達式如下：

式中，KC、KL分別為電容器和電感的單位造價，C1、CC、CL、CN分別為：注入電容、諧振支路電容、無源支路電容和逆變器直流側電容，QL1、QLL為注入支路電感和無源支路電感。

2）滿意度函數。對一個濾波器的滿意程度，主要是依靠其濾波器的濾波的濾波器性能來決定的。如果濾波器能夠很好的濾除系統中的諧波，使其諧波含量低于國家標準，則其滿意度就高。通過混合型有源濾波器的作用，使得系統總的諧波含量滿足國家規定的標準，盡量使其達到最小。本文將諧波電壓、電流的總畸變量作為標準：

THDU、THDi為電壓、電流的總畸變，THDu,max、THDi,max分別為國家標準的電壓、電流總畸變的上限值。

3）無功補償也是混合型有源濾波器的一個重要的指標，無功補償的容量因該按照系統中的無功缺額來分配，不能過補償也不能欠補償，因盡量使得補償后的功率因數能夠接近1。通過下式來整定：

式中，∑Q為濾波器向系統所注入的無功總量（包括：各次PPF所注入的無功和注入電容提供的無功），Qmin、Qmax分別為補償無功的上限和下限。

約束條件：

1）逆變器直流側的電容

逆變器直流側的電容為逆變器提供穩定的直流電壓，讓逆變器能夠實時的發出有效的諧波電流。理論上，直流側電容越大，其提供的電壓也就越穩定，但電容越大，其體積也將越大，成本也會提高很多，實用性也不強。因此，直流側電容必須要能滿足逆變器的補償能力，必須要留有一定的裕度，但也不能過大，如下式所示：

式中，up為逆變器期望輸出電壓峰值。

2）逆變器IGBT開關頻率

IGBT是逆變器的主要組成部分，它的開關頻率直接影響到了它的輸出性能。開關頻率太高，逆變器的損耗太大；開關頻率低，逆變器的輸出不能滿足要求，因此，逆變器開關頻率要滿足：

綜上所述，得到目標的適應度函數如下：

約束條件：

式中，α1、α1是較大的正數，用來保證F1(X)、F1(X)始終為正值，其值可根據經驗確定；?U和?i均為大于零的常數，用來匹配電壓、電流總畸變率的權重，一般 ?U:?i1:100。

2.2 動態規劃確定多目標優化問題的初始解

對多目標的優化問題應用動態規劃求解，將多目標優化問題分為三個階段，第一個階段為濾波器的整體濾波效果，即滿意度函數F3(x)，求出一組最優解；第二階段為濾波器的無功補償效果F2(x)，在第一階段求出最優解的制約下，求出無功補償的最優解；第三階段為濾波器的整體經濟性F1(x)，在第二階段求出最優解的制約下求出經濟性的最優解，然后多次循環求解，得出濾波器的多目標的一組適應度較高的初始值。

算法的基本步驟：

1）初始化系統原始數據。

2）考慮約束條件，對滿意度函數 F3(x)進行求解，得到最優策略P。

3）對無功補償函數F2(x)進行求解，在F3(x)函數的解P的寬容范圍內求出、關于F2(x)的最優策略S。

4）對經濟性函數F1(x)進行求解，在F2(x)函數的解S的寬容范圍內求出關于F1(x)的最優策略H。

5）進行多次迭代，直到輸出結果滿足適應度的要求。