配电网电能质量综合控制策略的构建＊

张澧生，施 佳，郭 超，施大发

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙 410151）

配电网电能质量综合控制策略的构建＊

张澧生，施 佳，郭 超，施大发

（湖南机电职业技术学院，湖南长沙 410151）

为避免谐波问题造成电气设备的损坏，根据谐振阻抗型混合有源滤波器（RITHAF）的滤波特性，把RITHAF加入电压无功控制装置（VQC），构建一种具有电压调节、无功补偿和谐波抑制功能的配电网电能质量治理装置.分析系统谐波放大产生的原因，提出其抑制策略，构建配电网电能质量综合控制模型.仿真结果表明，该装置及控制策略在调整电压和无功功率的同时能有效地抑制谐波放大.

电压无功控制；电能质量；谐振阻抗型混合有源滤波器；谐波抑制

随着中国电力系统的快速发展，用户对供电质量和可靠性的要求也越来越高.目前中国的电力系统配电网电能质量存在一系列缺陷：电压波动与闪变、波形畸变等，不仅影响配电网的稳定，也给电力用户带来经济损失，因此针对配电网的综合电能质量治理装置的研究一定的现实意义.

传统的配电网综合电能质量治理装置结构形式是电力滤波器［1－4］，能同时对无功和谐波进行治理，具有结构简单、控制方便的优点，但是无法对电压无功进行调节.笔者设计一种配电网综合电能质量治理装置，不仅能够调节电压、补偿无功，而且能够消除谐波，从而提高电压质量水平，能很好地改善电网的电能质量.

1 综合电能质量治理装置结构

针对传统的配电网综合电能质量治理装置不能进行电压无功调节的问题，笔者提出一种新的配电网综合电能质量治理装置，其电路结构示意图如图1所示.

该综合电能质量治理装置由谐振阻抗型混合有源滤波器（RITHAF）、有载调压变压器和并联补偿电容器组组成.谐振阻抗型混合有源滤波器有源部分通过耦合变压器与由L1，C1构成的串联谐振支路并联，再与L2，C2构成的单调谐滤波器串联，最终接入电网.其中：电压型逆变器和直流侧电容C构成谐振阻抗型混合有源滤波器的有源部分；L0和C0构成输出滤波器；L1和C1被调制在基波频率，使有源部分基本上不承受基波电压和基波电流，进而减小有源电力滤波器的容量，有载调压变压器和并联补偿电容器组进行电压调节和无功补偿.由图1可知，L1和C1构成串联谐振支路，L2和C2构成单调谐滤波器串联谐振支路.串联谐振支路与耦合变压器并联后再与单调谐滤波器串联谐振支路串联，最终谐振阻抗型混合有源滤波器通过这些支路接入电网，达到抑制谐波的目的.

2 电网系统谐波放大分析

图2 系统n次谐波电流分布等效图

供电系统的谐波源主要是电流源，并联电容器补偿引起的谐波电流放大的基本原理如图2a）所示.供电系统的第n次谐波电流分布等效电路如图2b）所示，其中：In为等效负载的谐波电流源；Isn为流入系统支路的n次谐波电流；nXS为系统n次谐波等效阻抗，XS为系统支路电抗；XL为电容器组串接的电抗器；XC为电容器支路电抗.

由图2可得谐波电流放大倍数为

其中f为系统谐波电流放大倍数.当Isn＞In时，即支路电流比电源提供的谐波电流大，称为系统谐波电流放大.

文献［5］给出了谐振阻抗型混合有源滤波器（RITHAF）的单相等效电路，采用了负载谐波电流控制逆变器输出电压的控制策略，具有很好的谐波抑制效果.

3 综合控制策略的构建

3.1 数学模型

笔者设计的配电网综合控制是在某时刻配电网次电压或进线功率因数越限时，通过对控制变量OLTC和电容器投入情况地快速调节，从而达到电压、功率因数和谐波畸变率接近期望值且OLTC分接头和电容器组的动作次数尽量少的目的.

该问题属于典型的多目标优化问题，将其转化为单目标优化问题，其数学模型为

其中：α1，α2，α3分别为电压、无功、谐波畸变率函数的组数加权因子；f（U）为电网电压指标函数；f（cosφ）为电网无功指标函数；f（THD）为电网谐波畸变率指标函数.

上述多目标优化模型主要考虑电能质量中较为重要的电网电压指标、电网无功指标以及电网谐波畸变指标，在满足约束条件（3）式的前提下，对（2）式进行优化得出控制参数的最优解.该模型不单对某一性能进行最优判断，而是着眼于全局的多目标进行系统优化，能有效地提高系统的控制质量.

3.2 人工鱼群算法

人工鱼群优化算法（AFSA）是一种模拟鱼群的觅食和聚群行为，通过鱼群中各个体的局部寻优来实现全局寻优的随机搜索优化算法，具有协调全局和局部搜索能力的优点［6］，因此，可考虑应用人工鱼群算法对上述模型进行优化求解.具体算法步骤如下：

（1）设定人工鱼群体规模为N，将人工鱼群分为3组，分别对电压、无功以及谐波畸变进行跟踪优化；

（2）初始化人工鱼视野V，人工鱼活动步长S，最大迭代次数n，拥挤度因子为δ，人工鱼权值；

（3）对各人工鱼个体的函数值f进行比较，把f最大值输入公告板；

（4）执行追尾和聚群行为中函数值f较大的行为；

（5）执行完后与公告板的值进行比较，取较大者赋予公告板；

（6）判断迭代次数是否达到n，若是，输出公告板的f结果，否则num＝num＋1，转步骤（3）；

（7）找到全局最优解，赋值给公告板，结束算法.

基于人工鱼群多目标优化流程图如图3所示.

图3 多目标优化流程

4 仿真结果

根据图1中的配电网综合电能质量治理装置电路原理搭建仿真模型，采用人工鱼群算法对仿真模型进行仿真和计算，算法和模型的仿真参数设置如下：N＝100，ε＝0.7，Z＝10，number＝5，Visual＝12，Step＝0.5；三相电源电压为35kV，频率为50Hz，谐波电流主要为5次、7次、11次、13次，功率因数最小值为0.95，最大值为1，Vmin＝0.85×35kV，Vmax＝1.05×35kV，THDmax＝5%.采用人工鱼群算法前后仿真和计算的结果比较见表1.

表1 采用人工鱼群算法前后结果比较

针对单一目标优化，目标函数设置为无功达标、电压合格、谐波电压畸变率最低.由表1可知：优化目标设置为单一目标优化的算法仅能使某一目标（或无功达标、或电压合格、或谐波电压畸变率最低）达到预定要求，而其他目标无法实现；优化目标设置为多目标优化的算法，其控制目标全面兼顾了系统无功、电压、谐波电压畸变率等变量，并能使预定的无功达标、电压合格、谐波电压畸变率最低等目标都能达到.

5 结语

对具有谐波抑制功能的配电网综合电能质量治理装置进行了分析，并在此基础上构建了配电网电能质量综合控制模型.引入人工鱼群优化算法，对配电网电压、无功和谐波抑制等多个变量进行优化，仿真结果表明该系统和控制算法提高了系统的控制性能.

［1］ 周 柯，王 凯，刘 路，等.一种改进型并联混合有源电力滤波器及其控制［J］.中国电机工程学报，2012，32（30）：67－72.

［2］ 楚 烺，涂春鸣，罗 安，等.不同类型谐波源综合补偿的串联混合型APF设计［J］.电力系统自动化，2013，37（8）：123－128.

［3］ 马爱军，陈 刚，张雪君.变电站电压无功装置新控制策略研究［J］.电力电子技术，2010，44（10）：84－86.

［4］ 帅智康，罗安，刘定国，等.静止无功补偿器与有源电力滤波器联合运行系统［J］.中国电机工程学报，2009，29（3）：56－64.

［5］ 涂春鸣，帅智康，李 慧，等.谐振阻抗型混合有源滤波器的原理及其补偿特性［J］.中国电机工程学报，2008，28（25）：146－152.

［6］ 陈小青，刘觉民，黄英伟，等.采用改进人工鱼群优化粗糙集算法的变压器故障诊断［J］.高电压技术，2012，38（6）：1 403－1 409.

（责任编辑 陈炳权）

Analysis of Power Quality Control in Distribution Network

ZHANG Li-sheng，SHI Jia，GUO Chao，SHI Da-fa
（Hunan Mechanical and Electrical Polytechnic，Changsha 410151，China）

This paper proposes a kind of voltage regulation，reactive power compensation and harmonic suppression distribution network power quality control devices.The causes of system harmonic amplification and suppression strategies are analyzed，integrated control model is established for wattless voltage harmonic and optimization control algorithm.The simulation results verify the validity and rationality of the control strategy.

voltage reactive-power control；power quality；resonant impedance type hybrid active filter；harmonic suppression

TM933.4

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.05.014

1007－2985（2013）05－0056－04

2013－05－26

湖南省教育厅科学研究资助项目（12C1066）；湖南省科技计划资助项目（2013FJ6041）

张澧生（1961－），男，湖南澧县人，湖南机电职业技术学院副教授，硕士，主要从事电力系统电能质量优化、自动化控制与应用、高职教育与管理等研究.