基于PSO的无源电力滤波器支路拓扑的优化设计.pdf
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1、西安理工 大学学报 J o u r n a l o f X i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ( 2 0 1 4 )Vo 1 3 0 No 2 2 3 1 文章编 号 :1 0 0 6 4 7 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 2 3 1 一 O 7 基于 P S O的无源 电力滤波器支路拓扑的优化设计 姬 军鹏 ,华 志广 ,胡雪利 ,张静 刚 ,曾光 ( 西安理工大学 自动化 与信 息工程学 院, 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ) 摘 要 : 无 源 电力 滤波 器( P a s s i v e P o we
2、r F i l t e r ,P P F ) 以其 高性 价 比在 电 力 系统 中得 到 了广 泛 的应 用 。用不 同阻抗频 率特 性 的 P P F拓 扑 支路 组成 无 源滤 波 网络是 目前无 源滤 波 的通 用 方 法 , 实际 中 P P F支路拓扑设计通常依靠设计者的工程 经验 , 缺 少系统的设计 方法, 更谈 不上对 支路拓扑的优 化 设 计 。本研 究提 出 了一 种基 于 粒子 群 优 化 算 法 ( P a r t i c l e S wa r m Op t i mi z a t i o n ,P S ( ) ) 的 P P F支 路拓扑的优化设计方法, 解决了工程设
3、计 中单纯依靠工程经验设计 P P F支路拓扑 的盲 目性 问题。 本 方 法首 先基 于 P S O优 化 了各 种 滤波 支路 中补 偿 容 量 的 分 配 , 然后 以 总投 资 成本 、 单调 谐 滤 波 支 路 平 均品 质 因数及 电流谐 波平 均含 有 率 为 目标 函数优 化 出最佳 P P F滤 波 支路 网络 。 并 以一 个 实 际 的工 况为例 , 验证 了优化 设计 效 果 。 关 键词 :无 源 电力滤 波 器 ;支路 拓 扑 ; P S O; 优 化设 计 ;滤波 网络 中图 分类 号 :TM7 1 1 ,T N7 1 3 文 献标 志码 : A Op t i m
4、a l d e s i g n o f b r a n c h t o p o l o g i e s o f p a s s i v e p o we r f i l t e r b a s e d o n PS O j i J u n p e n gHUA Z h i g u a n g,HU Xu e l i ,Z HANG J i n g g a n g ,Z ENG Gu a n g ( Fa c ul t y o f Aut o ma t i o n a n d I nf o r ma t i on Engi ne e r i ngXi a n Uni v er s i t y o
5、 f Te c hno l ogy, Xi an 71 0 048, Chi na ) Ab s t r a c t :I n p o we r s y s t e m,Pa s s i v e Po we r Fi l t e r( P PF)i s wi d e l y u s e d b e c a u s e o f i t s a d v a n t a g e i n pe r f or ma nc e- pr i c e r a t i oCur r e nt l y,i t i s a c o m mon s o l ut i on o f h a r m o ni c s u
6、 pp r e s s i o n t o us e p a s s i ve f i l t e r ne t wo r k c o mpo s e d b y PPF br a nc h t o p ol o gi e s wi t h d i f f e r e nt i m p e d a nc e- f r e q u e nc y c ha r a c t e r i s t i c s I n t hi s s ol u t i o n, t o po l og y d e s i gn o f PPF ne t wor k u s u a l l y de pe nds o n
7、 e n gi n e e r i n g pr a c t i c a l e xp e r i e n c e o f PPF de s i gne r t he r e ha s a ga p i n t he s ys t e ma t i c d e s i gn m e t ho d,l e t a l on g op t i ma l de s i gn o f b r a nc h t op ol o g i e s Thi s p a p e r pr e s e nt s a n o pt i mi z a t i on de s i g n me t hod o f PP
8、F br a nc h t o po l og i e s b a s e d o n PSO ,a n d t hi s m e t ho d s o l v e s t he pr o bl e m t ha t PPF b r a nc h t op o l og i e s a r e b l i nd l y s e l e c t e d on l y r e l y i n g o n e ng i ne e r i ng e xp e r i e n c e Th e m e t ho d f i r s t l y o pt i mi z e s t he a l l o c
9、 a t i on o f r e a c t i v e po we r c ompe ns a t i o n c a p a c i t y o f e a c h br a n c h ba s e d o n PSOThe n,t o t a l i nv e s t m e nt c o s t ,a ve r a ge q u a l i t y f a c t o r o f a l l s i n gl e t u ne d f i l t e r b r a nc h a n d a ve r a ge h a r mon i c c ur r e n t r a r i
10、o a r e u s e d a s t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n,P P F f i l t e r n e t wo r k i s o p t i ma l l y o b t a i n e d F i n a l l y,t h e o p t i m a l e f f e c t h a s be e n v e r i f i e d by a n a c t ua 1 wo r k c on di t i on of p owe r s y s t e m Ke y wo r d s:p a s s i v e po we
11、r f i l t e r ;br a nc h t o po l og y;Pa r t i c l e Swa r m Opt i m i z a t i on;o pt i mi z a t i o n d e s i g n;f i l t e r n e t wo r k 随着 电网中电力电子设备使用量 的不断增加 , 负荷 的 非线性 、 冲击 性 和 不 平 衡 性对 电 网造 成 严 重 的谐波污染 , 所以谐波治理问题备受关注。 无 源 电力 滤 波器 ( P P F ) 以其 结 构 简单 、 成 本 低 、 运行可靠性高等优势在中高压电网中仍得到了广泛 应用 。 目前 ,
12、 国 内外 对 于 P P F 的研 究 , 主要 集 中 在 滤 波支路的参数优化设计方面 , 如文献 1 提出了一种 基于 P S O对混合滤波器 中 P P F参数进行优化 的方 法 , 该方 法 以初 期投 资成 本 、 无功 补偿 容量 和滤波 效 收 稿 日期 :2 0 1 3 - 1 2 1 O 基金项 目 : 陕西省重点学科建设专项 基金资助项 目( 1 0 5 0 0 X1 2 0 1 ) 。 作者简介 : 姬军鹏 , 男 , 工程 师, 硕士 , 研究方 向为电力 系统谐波分 析及抑制 。E ma i l : j i j u n p e n g x a u t e d u
13、c n 。 2 3 2 西安理工大学学报 ( 2 0 1 4 ) 第 3 O卷第 2 期 果为优化 目标 。文献 2 提 出了一种改进 P S O算法 对 P P F进 行 多 目标 优 化 , 该 方 法 实 现 了 P P F参 数 的多 目标优化。文献 E 3 提出一种基于随机权重的 遗传算法求解 P P F参数 的方法, 以谐波抑制、 经济 指标 、 无功功率补偿等为多 目标综合优化了 P P F参 数。文献 4 提出了一种不影 响收敛性的计算量很 小 的优化设 计方 法 , 该 方 法不 是 一 味 获 得单 一 目标 的最优 , 而是 取得多 限制 目标 的有效 折 中 。 另外
14、, 还有一些文献对滤波支路补偿容量 的分 配方法进行研究 , 如文献 5 提 出了一种以经济成本 为 目标的设计方法 , 该方法通过建立 P P F多支路数 学模型 、 以经济成本为 目标对 P P F的补偿容量进行 优化设计 。文献 6 对无功补偿容量 的三种常用分 配方法进行仿真及实际工况验证 , 给出特定工 况下 的最优分配方法。 上述方法虽然对 P P F参数进行了有效 的优化 设 计 , 解决 了参 数 设 计 问题 , 但 是 均 未 涉 及 到 P P F 的支路拓扑优化方法 , 滤波拓扑的设计仍然依据工 程经 验来选 择 , 其 选 型缺乏 理论依 据 , 没 有在 拓扑 组
15、合与 P P F滤波效果 、 成本之 间取得有效的折 中。 本 研究 针对 上述 问题 , 提 出了一种 基 于 P S O 的 P P F支路拓 扑 的优 化设 计方 法 , 该 方法基 于 P S O优 化了滤波网络中各支路 的无功分配容量 , 以总投资 成 本最 小 、 单 调谐 滤 波 支路 平 均 品 质 因数 最 大 及 电 流谐 波平均 含 有 率最 小 为 目标 优 化 出 最 佳 P P F滤 波支 路 网络 , 以充 分 优 化 P P F参 数 为 基础 , 优 化 了 滤波支路拓扑网络, 是一个综合的、 全面的优化设计 方法 。 本研究结合一个电力电网实例验证 了所提出
16、方 法 的正确性 。该 实例 系统结 构见 图 1 。 电网 变 压 器P P F 滤波 网络 谐 波源 持 图 1 工程实例系统主电路 结构 Fi g 1 Ma i n c i r c u i t s t r u c t u r e o f t h e p r o j e c t s y s t e m 图 l 工程实例系统中电网电压 1 1 0 k V, 最小短 路容量 6 0 0 0 MVA, X R等于 6 。变压器 容量 6 3 MVA, 变 比为 1 l O k V 1 0 k V。P P F滤 波 网 络 安装 在变压器与非线性负载之间。非线性负载为三相可 控整流桥装置, 也是本
17、工况的谐波源, 产生 6 1 ( 为 自然数 ) 次的谐波电流。 1 P P F支 路拓扑 P P F的支 路拓 扑结 构 可 分 为 两大 类 , 即调 谐 滤 波器 ( Tu n e d F i l t e r , TF ) 和 高通 滤 波 器 ( Hi g h P a s s Fi l t e r ,H PF)。 I 1 调 谐滤 波器 支路 拓扑 调谐滤波器包 括单调谐滤波 器 ( S i n g l e Tu n e d F i l t e r ,S T F) 和 双 调 谐 滤 波 器 ( Do u b l e T u n e d F i l t e r , DT F ) , 其
18、 拓扑 结 构见 图 2 , 应 用 最广 泛 的是 S T F, 它 利用 串联 电感 和 电容 在 某 一 频 次 产 生 串联 谐振 , 使得滤波器在该频次呈现低阻抗特性 , 从而滤 除该 频 次 谐 波 。其 阻 抗 频 率 特 性 曲 线 如 图 3 所 示 l_ 3 I 6 。 ( a ) 单调谐滤波器 ( b ) 双调 谐滤波器 图 2 调谐 滤波器拓扑结构 Fi g 2 To po l o gi c a l s t r u c t ur e of t u ne d f i l t e r 2 1 1 1 a 1 1 图 3 单 调谐 滤波 器的阻抗频率 特性 Fi g3 I m
19、pe d a nc e - Fr e qu e nc y c h a r a c t e r i s t i c of s i n gl e t une d f i l t e r 1 2 高通滤波器支路拓扑 高通滤 波器 包括一 阶 HP F、 二 阶 HP F 、 三 阶 HP F及 C型 HP F, 其拓 扑结构 见 图 4 , 其 中二 阶 HP F应用最为广泛。HP F在谐波频次高于转折频 率时, 会呈现低阻抗特性 , 能够滤除高于转折频次的 高次 谐 波 。二 阶 HP F 阻 抗 频 率 特 性 曲 线 如 图 5所示 6 。 姬军鹏 , 等 : 基于 P S 0 的无源 电力
20、滤波器支路拓扑 的优化设计 2 3 3 亭C- 幸 牵 ( a ) 一阶HP F ( b ) 二 阶HP F ( c ) 三 阶HP F ( d ) C型HP F 图 4 高通滤波器拓扑结 构 Fi g 4 To pol o gi c a l s t r uc t u r e o f HPF 图 5 二阶高通滤 波器的阻抗频率特性 Fi g 5 I mp e da n c e Fr e q ue nc y c ha r a c t e r i s t i c of s e c on d o r de r H PF 2 P P F支路拓扑 的参数优 化 基于 P S 0对各种无源滤波支路拓扑组合
21、进 行 参 数优 化 , 综合 考虑 了滤 波器 的支 路投 资成 本 、 无 功 补偿容量和滤波效果参数指标, 最终得到各拓扑组 合支路的最佳补偿容量分配。 2 1 粒子 群优 化算 法 P S O算法 的基本 思想 是随机 的初 始化一群 没 有体积 、 质量的粒子 , 将每个粒子视为优化 问题 的一 个 可行 解 , 粒子 的好 坏 由一 个 事 先 设 定 的 适 应 度 函 数来确定。每个粒子将在可行解 空间中运动 , 并 由 一 个速度变量决定其方 向和距离。通常粒子将追随 当前的最优粒子, 并经逐代搜索 , 最后得到最优解 。 在每代 中粒子将跟踪两个极值 , 一个是粒子本身当
22、前找到的最优解 , 另一个是整个群体 当前找到的最 优 解 一 。 假设有 N个粒子组成的D 维的群体, 粒子 i 的 位 置 为 x 一( , , , ) , 粒 子 的速 度 为 V 一 ( , , , ) ,个 体极值表示为 P 一( P P ,P 。 ) , 看作是粒子 自身 的飞行经验 。全局极 值 为 P g 一( p , P , , ) , 看作是群体经验 。 粒子通过 自身经验 和群 体经验来决定 下一步 的运 动 。粒子在 k +1 代时 , 其位置更新公式为: 一 硼 + C l r 1 ( P 一 z )+ C 2 r 2 ( 户 一 z ) ( 1) z 一 + ( 2
23、 ) 式 中 , i 一1 , 2 , , N,N 为群 体 中粒 子 的 总 数 ;d一 1 , 2 , , D,D 为 自变 量 的个数 ;c 、 c 。 为学 习因 子 , 通常 取 c c 一2 , 分别 是 调节 向 P ( 个 体 极值 ) 和 g ( 全 局极 值 ) 方 向飞行 的最大 步长 ; r 、 r 。 为 均匀 地 分 布在 ( 0 , 1 ) 之 间 的 随机 数 ; ( , ) , ( , ) , ( V d 。 , ) 中的 最 大速 度 决 定 了问题 空间 搜索 的力 度 , 粒 子 的 每一 维速 度 都 会被 限制在 z , z 之间 , 通常 一k z
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- 基于 PSO 无源 电力 滤波器 支路 拓扑 优化 设计
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