專(zhuān)利名稱(chēng)：配電網(wǎng)濾波裝置優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及當(dāng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和諧波電流已知時(shí)，統(tǒng)一優(yōu)化配電網(wǎng)范圍內(nèi)的有源和無(wú)源濾波裝置的安裝地點(diǎn)、安裝類(lèi)型、安裝組數(shù)及容量參數(shù)，使配電網(wǎng)的濾波裝置在保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)諧波電壓含有率和平均電壓總諧波畸變率在規(guī)定限值內(nèi)，并在濾波裝置安全運(yùn)行的前提下，使全網(wǎng)濾波裝置的投資費(fèi)用最小。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各種非線性和時(shí)變性電力電子裝置(如逆變器、整流器及各種開(kāi)關(guān)電源等)大規(guī)模的應(yīng)用使電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷大量增加，并且這些電力電 子裝置的開(kāi)關(guān)動(dòng)作向配電網(wǎng)中注入了大量的諧波和次諧波分量，導(dǎo)致配電網(wǎng)中電壓和電流波形的嚴(yán)重失真，從大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，這些非線性負(fù)荷的諧波電流具有顯著的隨機(jī)性，嚴(yán)重影響著供、用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在用戶(hù)或電網(wǎng)中裝設(shè)濾波器可減少和控制注入電網(wǎng)的諧波電流以及補(bǔ)償無(wú)功損耗，使配電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)諧波電壓滿足相應(yīng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。有源電力濾波器(APF)具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，但其容量大、造價(jià)較高。無(wú)源濾波器(PPF)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、運(yùn)行可靠性較高，但單獨(dú)使用時(shí)濾波效果受到系統(tǒng)阻抗、諧波源特性及系統(tǒng)頻率變化等因素的影響較大，易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。這是典型的多目標(biāo)、含大量約束條件的非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題。因此，考慮兩種濾波裝置的優(yōu)化配置是目前工程應(yīng)用的必然選擇。但是由于在綜合使用時(shí)各自的性能都會(huì)受到部分影響，為了適應(yīng)諧波源和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的隨機(jī)變化，尋求如何用最小代價(jià)在電網(wǎng)中配置濾波器并使之滿足抑制諧波要求，這樣對(duì)有源和無(wú)源濾波器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得非常重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)建立一種數(shù)學(xué)模型(在諧波電壓和電容器容量等滿足約束條件的前提下，從系統(tǒng)平均電壓總畸變率和投資成本的角度出發(fā)，利用線性加權(quán)方式給出綜合目標(biāo)函數(shù)，將懲罰函數(shù)添加到目標(biāo)函數(shù)中，使得約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，并采用改進(jìn)模擬退火-粒子群算法進(jìn)行求解)對(duì)配電網(wǎng)濾波器的安裝地點(diǎn)，安裝組數(shù)以及容量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)諧波電壓含有率和平均電壓諧波總畸變率在規(guī)定限值內(nèi)，以及濾波裝置安全可靠運(yùn)行的前提下，使得電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和投資成本最小。為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)考慮了有源濾波器和無(wú)源濾波器的綜合優(yōu)化配置，從系統(tǒng)電壓總畸變率和投資成本的角度出發(fā)，采用線性加權(quán)的方式給出綜合目標(biāo)函數(shù)，使多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，解決了在實(shí)際情況中，兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)不能同時(shí)到達(dá)最小值，而只能通過(guò)協(xié)調(diào)各函數(shù)之間的關(guān)系的問(wèn)題。采用改進(jìn)的模擬退火-粒子群算法(即在算法中引進(jìn)一個(gè)自適應(yīng)慣性系數(shù)和存儲(chǔ)器)進(jìn)行求解。將懲罰函數(shù)添加到目標(biāo)函數(shù)中，來(lái)計(jì)算算法中用到的適應(yīng)值，使得約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題。適應(yīng)度函數(shù)是指根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的需要，按一定的約束條件評(píng)價(jià)粒子的優(yōu)劣。當(dāng)算法停止是，適應(yīng)度函數(shù)最優(yōu)的粒子即為優(yōu)化搜索尋找到的最優(yōu)解得計(jì)算。存儲(chǔ)器記錄一直到當(dāng)前搜索過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的最優(yōu)解，再把退火過(guò)程結(jié)束后的最終解與之比較，得到全局最優(yōu)解，避免了粒子群算法易陷入局部最優(yōu)。在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)一優(yōu)化有源和無(wú)源濾波裝置的安裝地點(diǎn)及相應(yīng)參數(shù)，減小系統(tǒng)的損耗，將電壓、功率因數(shù)等保持在規(guī)定范圍內(nèi)，達(dá)到投資成本最小化的目的。它的基本方法如下(I)建立數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)平均電壓總畸變率，在尋優(yōu)過(guò)程中，根據(jù)我國(guó)的國(guó)標(biāo)GB/T14549-1993，加入畸變率的約束條件，目的是為了保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)諧波電壓含有率HRU和平均電壓諧波總畸變率THDU在規(guī)定限值內(nèi)。然后建立裝設(shè)濾波裝置初期投資成本，得出投資費(fèi)用與系統(tǒng)所要安裝的濾波器參數(shù)的關(guān)系，以及在潮流約束和無(wú)源濾波器支路中的電壓、電流和容量約束的情況下，運(yùn)用改進(jìn)模擬退火-粒子群算法對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，本數(shù)學(xué)模型通過(guò)對(duì)有源和無(wú)源濾波裝置的安裝地點(diǎn)、安裝類(lèi)型、安裝組數(shù)和容量參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，使電網(wǎng)的諧波含量在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，越小越好；在保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)諧波電壓含有率和平均電 壓諧波總畸變率在規(guī)定限值內(nèi)，以及濾波裝置安全可靠運(yùn)行的前提下，使得電網(wǎng)電流諧波總畸變率和全網(wǎng)濾波裝置的投資成本最小。在對(duì)濾波裝置的無(wú)功補(bǔ)償性能(基波無(wú)功功率的補(bǔ)償和諧波無(wú)功功率的補(bǔ)償)中，由于非線性負(fù)載的功率因數(shù)對(duì)系統(tǒng)濾波裝置優(yōu)化配置的影響主要表現(xiàn)在濾波裝置的最小額定安裝容量上，因此采用加大濾波器容量來(lái)滿足無(wú)功補(bǔ)償要求。采用線性加權(quán)的方式給出綜合目標(biāo)函數(shù)，使多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，再對(duì)它依次進(jìn)行ISA-PSO搜索從數(shù)學(xué)的角度考慮，解決優(yōu)化配置屬于多離散變量的非線性、整數(shù)混合規(guī)劃問(wèn)題。(2)改進(jìn)了的算法的基本原理根據(jù)粒子群進(jìn)化后的適應(yīng)值進(jìn)行概率接受，既接收優(yōu)化解，也接收惡化解，跳出局部極小。當(dāng)新粒子的適應(yīng)值增大時(shí)，系統(tǒng)接收新粒子；當(dāng)新粒子適應(yīng)度降低時(shí)，就按概率P接收。該算法從局部極值區(qū)域中跳出，從而找到全局最優(yōu)解，保證了算法收斂性；它在各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的并行進(jìn)程內(nèi)完成，保證了各個(gè)種群的多樣性，提高了收斂速度，而且在各個(gè)進(jìn)程中可引入模擬退火跳出粒子群局部極值，這樣獲得了全局最優(yōu)解。在求解過(guò)程中加一個(gè)存儲(chǔ)器，用來(lái)存儲(chǔ)記錄一直到當(dāng)前搜索過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的最優(yōu)解，在退火結(jié)束后再將這些解相比較，從而得到全局最優(yōu)解，這就大大提高了算法的精確性。其有益效果是3)采用無(wú)源濾波器和有源濾波器的統(tǒng)一優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型，對(duì)配電網(wǎng)濾波裝置進(jìn)行優(yōu)化配置時(shí)，由于無(wú)源濾波器的主要工作是濾波和補(bǔ)償無(wú)功，而有源濾波器則負(fù)責(zé)較高次數(shù)的諧波，這就大大減小了所需變流器的容量，從而達(dá)到了較好的濾波效果和樂(lè)觀的經(jīng)濟(jì)效益。4)采用線性加權(quán)的方式給出綜合目標(biāo)函數(shù)，使多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，可以解決電網(wǎng)優(yōu)化配置屬于多離散變量的非線性、整數(shù)混合規(guī)劃問(wèn)題。5).粒子群算法采用隨迭代次數(shù)逐步減小的慣性系數(shù)值，能靈活地調(diào)整粒子在全局和局部搜索能力之間的平衡，保證了初期較高的收斂速度和后期較滿意的收斂精度；而模擬退火算法中的存儲(chǔ)器，它彌補(bǔ)了簡(jiǎn)單模擬算法中惡化解覆蓋掉最優(yōu)解的情況，提高了算法的精度；所以改進(jìn)以后的算法具有更大概率更快速度獲得全局最優(yōu)解的優(yōu)勢(shì)。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖I是算法流程圖。
具體實(shí)施例方式I.目標(biāo)函數(shù)的建立(I)分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算平均電壓總畸變率若系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)諧波電流已知，根據(jù)諧波網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣就可求各節(jié)點(diǎn)諧波電壓，即Uh = [Yh]-1Ih (h = 2,3, .......H)(I)式中，h為諧波次數(shù)，H為考慮的最高諧波次數(shù)，本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試，取H= 19 ；Uh為h次諧波電壓向量；Ih為各諧波源向電網(wǎng)注入的h次諧波電流向量；Yh為h次諧波導(dǎo)納矩陣。在裝設(shè)濾波裝置后，要使電網(wǎng)諧波含量在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，越小越好。因此，本發(fā)明以配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的THDUi平均值為目標(biāo)函數(shù)，得到濾波裝置的補(bǔ)償電流可使配電網(wǎng)絡(luò)中電壓總諧波畸變?yōu)樽钚?。?br> 權(quán)利要求
1.本發(fā)明提出的配電網(wǎng)濾波裝置優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型，其特征在于在整個(gè)配電網(wǎng)中考慮了有源濾波器和無(wú)源濾波器的綜合優(yōu)化配置，從系統(tǒng)電壓總畸變率和投資成本兩個(gè)角度出發(fā)，采用線性加權(quán)的方式給出綜合目標(biāo)函數(shù)，使多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，解決了在實(shí)際情況中，兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)不能同時(shí)到達(dá)最小值，而只能通過(guò)協(xié)調(diào)各函數(shù)之間的關(guān)系的問(wèn)題。將懲罰函數(shù)添加到目標(biāo)函數(shù)中，來(lái)計(jì)算算法中用到的適應(yīng)值，使得約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題。采用改進(jìn)模擬退火-粒子群算法(即引進(jìn)一個(gè)自適應(yīng)慣性系數(shù)和存儲(chǔ)器)進(jìn)行求解，該自適應(yīng)慣性系數(shù)可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，提高算法精度；存儲(chǔ)器記錄一直到當(dāng)前搜索過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的最優(yōu)解，把退火過(guò)程結(jié)束后的最終解與之比較，得到全局最優(yōu)解。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的改進(jìn)模擬退火-粒子群算法，引進(jìn)一個(gè)自適應(yīng)慣性系數(shù)和存儲(chǔ)器，其特征在于粒子群算法采用隨迭代次數(shù)逐步減小的慣性系數(shù)值，能靈活地調(diào)整粒子在全局和局部搜索能力之間的平衡，保證了初期較高的收斂速度和后期較滿意的收斂精度；而模擬退火算法中的存儲(chǔ)器，它彌補(bǔ)了簡(jiǎn)單模擬算法中惡化解覆蓋掉最優(yōu)解的情況，提高了算法的精度。改進(jìn)的算法具有跳出局部極值點(diǎn)的能力，能尋找到全局最優(yōu)或近似最優(yōu)解，且與初始點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)，能更大概率更快速度獲得全局最優(yōu)解。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種配電網(wǎng)濾波裝置優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型。在諧波電壓和電容器容量等滿足約束條件的前提下，從系統(tǒng)平均電壓總畸變率和投資成本的角度出發(fā)，利用線性加權(quán)方式給出綜合目標(biāo)函數(shù)，將懲罰函數(shù)添加到目標(biāo)函數(shù)中，使得約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，并采用改進(jìn)模擬退火-粒子群算法(即引進(jìn)一個(gè)自適應(yīng)慣性系數(shù)和存儲(chǔ)器)進(jìn)行求解。這種模型能夠適應(yīng)諧波源和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的隨機(jī)變化，可以保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)諧波電壓含有率和平均電壓總諧波畸變率在規(guī)定限值內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)一優(yōu)化有源濾波器和無(wú)源濾波器的安裝類(lèi)型、安裝地點(diǎn)、安裝組數(shù)和容量參數(shù)等，并使得全網(wǎng)濾波裝置的投資成本最小。
文檔編號(hào)G06N3/00GK102832625SQ20111015764
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者羅時(shí)武, 夏向陽(yáng), 敬勇, 任小川, 龔芬, 徐林菊 申請(qǐng)人:重慶市電力公司教育培訓(xùn)中心