技术 0 匕 卜 摘要:近 卜米,微电网中的电能质量问题得到越来越多的关注,微电源中大擐的逆变器和电网中 越来越多的非线性负荷,使得谐波问题尤为突出。本文首先总结分析了微电网中主要的电能质 问题,然后 ‘对微电网谐波抑制问题进行深入研究,以经济性和滤波装置的滤波效果综合两数作 为寻优R标,利 }}_j改进的粒子群算法对微电网进行了滤波装置安装地点和参数的优化配置,提出 了一种适片J r微电网的有源与无源滤波装置优化配置方法,进行了仿真研究。算例分析表明,所 提出方法既能满足电网对谐波电流和谐波电压畸变率的要求,也能满足滤波装置配簧的经济性。 关键词:微电 ;电能质挝;谐波;有源滤波;无源滤波;粒子群算法;优化配置 微电网电能质量问题与 谐波抑制措施研究 文I唐亚迪徐永海 量等都对谐波冶理有显著影响。近年来, 较为明显,主要集中在以下四个方面。针对配电网滤波装置的优化配置问题的 1.1电压波动与闪变 微 电方到网式广因和泛分配应布置用式结构电源使灵清活洁的能接源入得 ,研究很多 ,主要方法是应用遗传算 传统大电网中电压波动与闪变主要 法、粒子群算法等智能算法对滤波装置 是由负荷的无功功率波动引起的,而在 提升了电网的可 的投资费用最小进行寻『尤,但是少有针 微电网中除了负荷影响,微电源输出功 靠性和自愈能力,通过相关控芾『J装置的 对微电网进行滤波装置优化配置的研 率波动也会引起电压波动与闪变。微电 配合与大电网协调运行,起到了对电网 究。本文针对微电网的微电源与负荷的 网中部分微电源是不可调度电源,尤其 削峰填谷的作用。分布式电源的复杂性 特点,对微电网进行数学建模,在此基 和不确定性使微电网的电能质量受到很 础上将网络谐波潮流分析、PPF和APF 大的影响,主要有电压波动与闪变、谐波、 参数的综合优化设计结合起来,提出了 是风力发电和光伏电池等微电源受自然 条件影响较大,会带来输出功率的不稳 定,而微电源输出功率波动越大,其引 三相电压不平衡、频率波动、直流分量 及微电源之间的相互作用,加上网络中 越来越多的非线性负荷,使得谐波问题 尤为突出。 一种适用于微电网的滤波装置优化配置 等[1 6]o分布式电源中大量的逆变装置以 方法。 起的电压波动也越大。 此外,在切换微电网的运行方式时 1微电网中的电能质量问题 更容易出现电压波动,由于微电网孤岛 与传统大电网可以看作无穷大电源 运行时的电压往往与大电网的电压不同,谐波的治理通常依靠无源滤波装置 来维持系统的频率和电压稳定相比,微 那么在运行模式切换前,需要选择一个 (Passive Power Filter,PPF)和有源滤 电网中分布式电源由于规模较小,多种 储能电源作为稳定电压的平衡点,把微 并网运行模式下没有电压和频率的支撑 致,这个过程电压变化可能超过5%,波装置(Active Power Filter,APF)的相 形式并存,依赖逆变装置并网,并且在 电网的电压迅速调节到与大电网电压一 互配合,除了它们的控制方式和性能 之外,滤波装置的安装地点、类型和容 能力等原因,其电能质量受外界的干扰 这对一些敏感负荷会产生一定的影响。DISTRIBUTION&UTILIZATION供 j IU 55 ~ U U 1.2三相电压不平衡 其结构机理等,然而滤波装置的安装地 的PPF支路的电容器额定容量; 为第 配电网中系统三相不平衡主要是由 点、容量以及相互配合也十分重要。 负荷不对称引起的,而微电网中除了负 i个节点连接的APF支路的额定容量; ao、a b0和b 分别为PPF和APF的费 用系数,具体取值由工程实际决定。 荷不对称外,许多微电源为单相电源, 会造成电网系统三相不平衡。当微电网 并网运行时,配电网三相电压不平衡将 电流不平衡,产生大量负序和零序电流; 2滤波装置优化配置方法研究 2.1优化目标 上述『尤化问题中有两个目标函数, 本优化问题是运用智能算法,优化 采用线性加权的方法就可方便地实现总 小,在保证网络各节点谐波电压含有率 由于两目标函数存在数量级不统一,首 对微电网正常运行造成影响,引起三相 配置APF和PPF的安装位置和容量大 目标函数的构造。在采用线性加权之前, HR∽和电压谐波总畸变率(THD ̄)在规 先要对其进行归一化处理:微电网孤岛运行时,负载或者微电源出 ( 现不平衡,电流会有正序、负序和零序 定限值内,以及滤波装置安全可靠运行 分量。负序和零序电流将导致线路压降 的前提下,使得电网电压谐波总畸变率 三相不平衡,影响微电网的供电质量。 1.3频率波动 =( 一 )/( 一一 Ⅱn )(3) 和全网滤波装置的投资成本最小。目前, 国内外研究文献 中大部分只考虑了 :( 一 , )/( …一 …)(4) 频率波动是微电网孤岛运行时首要 滤波装置安装的经济性因素,然而,谐 考虑的电能质量问题,因为并网时有大 波的治理效果也是重要的考察标准。因 电网作为支撑来稳定频率和电压,由主 此,进行寻优时应在目标函数中考虑谐 上式中 、《分别为目标函数 , 归一化后的值,可限定其取值在0~1间, 电网负责调频任务。而切换到运行 波的治理效果,使得经济性和滤波效果 为将多目标函数简化为单目标函数,对 时,为保证频率在允许限值之内,储能 得到平衡统一。两个目标函数采用线性加权的方式得到 装置将发挥重要作用。此时,微电网的 在装设滤波装置后,应使电网谐波 总目标函数为: F= 1 + 2 (5) 频率由微电源和储能装置共同调节,大 含量在符合国家标准的基础上越小越好。 的功率波动可能导致微电网频率产生偏 本文以电网各母线谐波电压总畸变率为 差。 1.4谐波 目标函数之一,即: 式中, 、 为式(3)、式(4)两目 无论是在传统配电网还是以分布式 电源为导向的微电网中,谐波问题都是 ∑∑N )= (THDu ( U u=∑ )=∑(- ‘一 =标函数的权重,满足 -×lOO)× (1)( ) I1+ 2=1,且 ≥0, ,≥0, l和 的具体取值需 i=1 i=1IJI 电能质量中的重要问题。微电网的谐波 来自于微电源并网时经由电力电子器件 产生的谐波、非线性负荷产生的谐波以 及大电网的谐波渗透。 式中,i为电网节点标号;N为网络 根据实际微电网而定,以取得最优配置 结果为准进行选择。 2.2约束条件 总节点数;h为谐波次数;H为考虑的最 (1)安装滤波装置后,既不能使系 (1)微电源和储能装置一般都通过 高谐波次数;Ul 为第 点基波电压有效 统出现无功功率过补偿现象,又要使系 为第i点h次谐波电压有效值。 电力电子装置并入电网,其接口变换器 值;统的功率因数尽可能高,即: 会产生谐波。另外,随着用电设备的多 样性,微电网中的非线性负荷急剧增加, 这已成为微电网电流谐波的重要来源。 选取投资费用最小的目标函数 为: Oc=∑Q,Qm ≤Q≤ i=n Ⅳ =(6) (2)微电网并网运行时,配电网的 电压谐波会由公共连接点(PCC)处渗 透到微电网中,虽然谐波含量很小,但 可能放大微电网中的电流谐波。 电能质量问题,应采取有效措施予以治 ∑[( ( +口。 )+v,(bo+bI SN )】(2) 仁1 式中: 为PPF提供的基波无功功 率;Qf为PPF在安装节点i提供的无功 功率;Qm 、 式中, 、v 表示是否安装滤波装 上下限。 (2)节点电压与电流限值: 为系统所需无功功率的 ui=1表示在第i节点连接PPF支路, 由此可见,谐波是微电网中突出的 置,,=0表示不连接该支路; =1表示在第 理。安装滤波装置是主要的谐波治理手 i节点连接APF支路, =0表示在第i节 【, 『(U ≤u (7) 段,以往对于滤波装置的研究多集中在 点不连接该支路; 56 i 供lJjflf:()14.09 为第i个节点连接 技术 口 HRUh =( /U。 )×100% ̄<c瑚u(8) 式中, 为第i节点处APF所补 来说,利用粒子间的距离,可以获得一 、 中心粒子的距离,这个比值可用来作为 为选择邻域的依据。在定义好一个邻域 偿的第h次谐波电流值,其大小取决于 个比值dist[z]/max_dist,dist[O是粒子到 THDU t H 2 APF吸收第h次谐波电流的系数; )x 100%4em 9  ̄分别为第i节点处第h次谐波电压和 选择相邻粒子的依据,利用较大比值作 基波电压。因此,APF的过容量约束为: 后,确定其局部最优解,再利用进化方 √(f +∑ )H (∑ ,) ̄KsSN (16 式(7)为网络各节点电压上下限约 束;式(8)、(9)为各节点谐波电压含有率 CTHDu程进行进化,此时进化方程中所有粒子 中目前取得的最优解被当前邻域的局部 Y ^=2 h=2 为APF允许的过容量系数; , 最优解替代。 将上述两种改进方法结合起来,即 得到新的粒子速度更新公式: 2.3粒子群算法的改进 和电压总谐波畸变率约束,其中CHR 和 为第i节点APF的额定容量。 分别为规定的第h次谐波电压含有 率和电压总谐波畸变率的限值;式(1o) 置投入后注入PCC的h次谐波电流值, 值。 与已有的优化设计模型(如遗传算 为PCC处电流限值,其中厶是滤波装 法、进化算法等)相比,粒子群算法具 =CO 屹+ ̄1rl(P ̄d一 g)+c2 (瞄一磕) (18) 有依赖的经验参数少、收敛速度快的优 是依据国标进行归算后的PCC电流限 点,但其受参数影响较大,易陷入局部 (3)PPF的安全约束: 式中,c 、C2是学习因子,一般取 g。 为第k个粒子在第g+l代的 为该 最优。针对上述缺点,本文将自适应惯 Cl=c2=2;r 、 是取值在0~1之间的随 性权重和动态邻域引进粒子群算法,使 机数; 其避免“早熟”并且具有较好的灵活性 速度,V 为第后个粒子在第g代的速度; 和较强的适应能力。 为第k个粒子的个体最优值, 2.4优化配置的实现 ( _+∑H ) (11) I It +∑ ≤ Q 由于小的惯性因子60有利于延缓收 粒子邻域值, 是该粒子当前位置。 敛速度,不会出现振荡现象,但是小的 因子将缩小搜索空间,容易陷入局部最 由于粒子群算法中粒子均为一行多 (13) 优。而大的惯性因子09可以使粒子的速 维,而本优化问题中涉及的参数变量复 度增大,增强全局的搜索能力,不易陷 杂,编码时每个粒子由所有候选安装节 式(11)、(12)和(13)分别为以容量 入局部最优,但容易导致过早收敛的现 点的滤波装置参数构成,设有 个节点 表示的PPF电容器的电压、电流和容量 象。因此,本优化问题中采用一种自适 作为候选安装位置,则每个粒子为一维 约束; 、 和 分别为电容器的允许 应权重选择法: 过电压、过电流和过容量系数;七。 、 和 分别为第 节点处电容器的基波 co ’= :.向量 中 , ,…, ,…, 】,其 【 ,h,q,C,V ,V1,V2,V3, Mino ̄+g( 一“) , … v , , 】,其中,前4位是PPF参数, 分别为决定是否在微电网的i节点安装 无源滤波支路 、调谐次数h、品质因 电流、基波电压和基波容量;Q 为电容 器的h次谐波容量,QN 为第i节点PPF 【Maxco, (17) 的额定容量。 (4)APF的容量约束: ≤ SN (14) 式中,Minco、Maxco分别为惯性权 数 和电容大小c;后7位为APF参数, 重∞的下限和上限值,一般取值在0~1 分别为决定是否在微电网的i节点安装 之间; 为第k个粒子当前的适应度值; gkd为当前全局最优值; 有源滤波支路v 和该有源滤波支路对 为所有个体适 各次谐波的吸收系数vt、v 、v3、y 、5、 6。 应度值的平均值。 APF的容量由所补偿的各次谐波电 粒子的速度更新时,不仅用到自适 优化配置参数需要初始化设置,无 流值决定,而与基波电流无关,其容量 应权重,也加入了动态邻域[131 0在每次 源滤波装置参数中的品质因数参数q的 决定于所补偿的总谐波电流有效值,即: 迭代中,首先计算出种群中一个粒子(中 范围设置为25~6O,谐振次数h由程序 心粒子)到其他粒子之间的距离,用变 根据谐波源中的谐波次数随机设置,各 = … 量max_dist来标记该中心粒子与其他粒 PPF支路电容器电容值c的值由该点所 子之间距离的最大值。对于每一个粒子f 需要补偿无功确定其范围;APF各次谐 DISTRIBUTION&UTILIZATION供用电 57 U~ U U 波的吸收系数初始化赋值范围为0~1。 基于改进粒子群算法的滤波器统一 配置的算法流程图如图1所示。 222324 2526 272829 3031 32 l 滤波配置程序开始 ‘ 输入微电网参数、谐波源参数、约束 条件以及粒子群算法的相关参数 ‘ 计算网络初始基波、谐波潮流以及各 节点电压谐波畸变率 DG5 图2 IEEE33节点微电网结构图 ‘ II随机生成初始种群,种群中的每个个体由PP F和l— APF参数两部分组成 ‘ I I 根据每个个体的PPF、APF参数修正谐波 l l 导纳矩阵和系统注入谐波电流 l ‘ 根据国家标准 和实际经验,目 点,即图中的节点0,其电压幅值为10kV, 标函数式(2)中的系数取值为ao=20, 相角为0。由于并网时分布式电源采用PQ f重新进行潮流计算,判断粒子是否满足约束条件 IY 计算每个个体适应度值,根据改进的粒子群算法给种 群赋初值,包括个体最优、全局最优、各粒子位置和速度 bo=60,aai:8,bu=24,各次电压含有率 控制,所以潮流计算时IX}均被转化为PQ 限值c 【,=o.032,总谐波畸变率限值 节点。根据谐波源节点,选择部 l 节点, CTHDu:O.04。 确定滤波装置候选安装位置为节点2、3、 9 10 11 12 13 16 17 27、28 29、 I I根据改进的粒子群算法更新各个个体的速度和位置}.- ‘ 根据每个个体的PPF、APF参数修正 谐波导纳矩阵和系统注入谐波电流 计算各个体的适应度值,并更新各个 个体最优值、全局最优值 用MATLAB编译程序,实现该微电 次。 网滤波装置优化配置,优化时迭代200 30、31、32。PPF和APF统一优化配置结果 如表1、表2和图3所示。 由表1和表2的配置结果可矢u PPF 微电网并网运行时以接入点为平衡节 ‘ I 是否满足收敛条件 N lY l输 为 表1 APF配置结果 图1优化配置流程图 12 APF APF 0 43 0.87 0,95 0 36 0.46 0.36 0 36 0_90 0 75 0 74 0 42 0 92 0.95 O_79 0 59 0.82 O.78 0 44 O.62 0 67 223 92 3算例分析 以图2所示的IEEE33节点放射状微 电网系统为算例,图中DG1表示储能电 池,DG2、DG3表示光伏电池,DG4表 17 29 APF 0 54 示风力发电机,DG5表示微型燃气轮机, 5个DG的容量都取400kW。基准电压 取10kV,基准容量取10MVA。对于蓄 电池储能单元,考虑到蓄电池的寿命问 题,为了尽量减少蓄电池的充放电次数, 一表2 PPF配置结果 节点 9 阶数 5 7 13 CIF) 4 02e—O6 4.80e-06 7 25e一07 9 29 88 0cNIM ) 0 11 1O 13 17 30 58.O6 40 12 0.34 O 20 股睛况下将其PQ控制的有功和无功参 考值设为0,因此本算例中不做谐波源 处理,节点2、3、12有非线性负荷,加 5 11 11 2.68e-06 4 15e-06 3 14e-06 49.53 41 83 39.19 1.04 O 27 上四个DG,本算例中有七个谐波源。 58 J 供川电2014.09 32 0 29 DISTRIBUTION&UTILIZAT10N 技术 口 旦0 a 专 0 14 12 10 8 4结束语 本文对微电网中主要的电能质量问 题进行了分析,并在建立微电网滤波装 置优化配置数学模型的基础上,将无源 和有源滤波器、自适应粒子群算法结合 起来,提出了一种适用于微电网的滤波 装置统一优化配置方法。采用IEEE33节 点放射状微电网作为验证系统,进行了 金6 4 2 0 l 3 5 7 9 11 13 15 17 19 2l 23 25 27 29 31 节点 滤波装置优化配置案例分析,分析结果 表明,采用所提出方法可显著降低滤波 装置配置的综合费用且满足滤波效果要 图3优化配置前后各节点THDu值比较 求,具有较好的技术经济}生能。回 的安装位置、调谐次数、电容大小、品 情况相符。从PPF参数和APF的额定容 质因数和容量大小以及APF的安装位置、 量可计算得到目标函数 为361.92万元。 各次谐波吸收次数和容量,其中,各节 由图3可知安装滤波装置后所有节点的 学院,硕士研究生,主要研究方向为IIi 点调谐次数均为该点设定的主要次谐波; 总谐波畸变率均降至4%以内,满足谐波 能质量。在节点12、17、29均配置了APF,而该 畸变率要求,滤波效果良好,目标函数 唐亚迪,华北电力大学电气与l}1J予工程 三个节点的各次谐波含量均较大,适合 安装APF,可见该程序配置结果与实际 为91.85。 徐永海,华北电力大学电气与电子工程 学院,教授,博士生导师,从事新能源 和电能质量分析与控制等方面的研究。 参考文献 【1】Cobben J F G,Kling W L,Myrzik J M A.Power quality aspects of 【8】范瑞祥,罗安,李欣然.并联混合型有源电力滤波装置的系统参数 设计及应用研究ⅡJ_中国电机工程学报,2006,26(2):106—111. a future micro gnd[c】.IEEE International Conference on Future Power System.Amsterdam,Holland,2005:1—5. 【9l侯桂兵,涂春呜,罗安,等.微电网中APF接入位置与容量优化配 置方案卟电力自动化设备,2012,32(5):29-33. f 1 0】Rerizzi A,Bovo C The Use of Genetic Algorithms for the f2】Li Yunwei,Vilathgamuwa D M,Loh P C.Micro d power quality enhancement using a three phase four wire gIjd interfacing compensator U】. 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