基于参数特征提取的微电网动态无功谐波综合防治装置优化配置方法

蒋晨达,李 津

(福建水利电力职业技术学院 电力工程系，福建 永安 366000)

无功谐波综合防治装置的生产应用逐渐受到广泛关注，谐波综合防治装置亦称为滤波器[1]，能够控制电网中的外来谐波注入，同时对无功功率进行一定程度的补偿[2]。

针对不同的配电网，谐波负荷具有不同的形态，其传播时间、频率、方式等都存在不确定性，传统的谐波防治装置容易受到参数配置和设备规则束缚，如微电网谐波与正负序检测方法[3]和考虑需求侧响应及不确定性的微电网双层优化配置方法[4]难以应对多样化的电网谐波注入。对此，文中基于参数特征提取方法，对微电网动态无功谐波综合防治装置的优化配置方法进行了研究分析，其创新之处在于在参数特征提取方法的基础上，优化微电网谐波控制算法，改进防治装置的滤波控制配置，从而达到对微电网动态无功谐波的高效、稳定、可靠的控制与防治。

1 微电网动态无功谐波综合防治装置

目前,中国配电网无功谐波综合防治装置应用最为广泛的类型是注入式混合型有源滤波器，其拓扑结构HVHC主要包括电网线路、非线性负载耦合变压器、电流逆变器和蓄能装置。拓扑结构如图1所示。

图1 拓扑结构

根据图1可知，谐波通过电网线路注入电网输入谐波负荷，进入谐波防治装置后经过传导电路注入耦合变压器，变压器调整电网电流的电压值，并通过基波串联电路对电网谐振电路进行处理，多个谐振电路转换为并联电路；并联电路继续传输过程中接入电容装置，按照一定频率依次向电路注入电容，并通过逆变器将电流转化为直流电流，由电容与电流中的电感共同构成电网直流侧无功功率补偿电流。为了加大对谐波控制和功率补偿的程度，在电容注入后使电流经过晶闸管，调整控制电流中的电容，形成与电网整体电压相匹配的动态无功功率补偿[5-6]，晶闸管如图2所示。

图2 晶闸管

在微电网中，由于电流、电源等部分的不稳定以及电力设备负荷频率的水平不同，逆变器会产生不同程度的谐波渗透，注入到配电网中影响电网的正常运行。目前，谐波防治装置主要通过电流谐波控制方法对谐波负荷进行有效控制[7]，谐波波形如图3所示。

图3 谐波波形

基于文中谐波防治装置拓扑结构HVHC的相关特性，防治装置在谐波控制中一般选择对谐波负荷进行抑制控制，谐波电流通过电网与电力设备的公共电力接点时被节点电力检测装置识别，接到识别通知后逆变器输出对应的谐波电压，谐波电流传输路径的基波谐振进行调整，电容装置注入电容，产生与注入谐波电流、电压等条件相似、方向相反的谐波电流，对注入谐波造成一定程度的抑制，进而控制谐波电流的传输，并转化为补偿电流对动态无功功率进行补偿，谐波电压波动状态如图4所示。

图4 谐波电压波动状态

对谐波电流的控制效果会受到电网配置和防治装置影响，一般情况下有源滤波器的控制效果要好于无源滤波器，可以达到完全控制状态。此外，供电质量好的配电网谐波产生率较低，对谐波负荷的控制能力也较强[8-9]。检测识别过程如图5所示。

图5 检测识别过程

2 基于参数特征提取的装置优化配置方法

对微电网动态无功谐波综合防治装置优化配置需要对装置的算法进行优化改进，在传统的谐波控制算法基础上，基于参数特征提取方法对运算方法进行改进。改进过程如图6所示。

图6 运算方法改进流程

根据电力系统的基础电力控制算法对注入谐波的电网各节点的谐波电压进行运算获取，通过电压运算公式获得谐波电压矩阵，公式为

(1)

式中:Yi表示电网中的谐波电压矩阵;Ui表示各节点的谐波电压值;Ii表示各节点谐波的电流值;i表示各节点的谐波总数量[10-11]。运算得到电网中全部谐波电压矩阵，然后根据电网谐波的频率和畸变率(谐波电流转换为补偿电流的概率)得到谐波电流的基波电压有效值。

(2)

式中:THDU表示谐波畸变率;Fi表示电网中各节点谐波电流基波有效电压值。

由于防治谐波存在多样性和不确定性的特征，需要根据参数特征提取方法对多目标谐波检测进行优化配置。调整原算法函数的协调关系，优化函数算法的运算过程，并增加统筹算法，对运算结果进行归一化检验处理。在原始的运算函数公式基础上，根据谐波抑制畸变率约束条件对约束公式进行优化。

(3)

式中:fs表示谐波电流并串联形式f的振动频率;Sπ表示装置变压器的容量;Ss表示电流负荷电容量;Q表示装置的电容量。在标准配电网的电流电压条件下，能够基于式(3)对电网谐波约束条件进行运算，从而提高对电网谐波的抑制约束效果[12-13]。

对于谐波的多目标特性处理方法，采用混合函数对谐波约束运算后得到的结果进行非线性运算，对多目标的谐波进行检测识别[14-15]。

根据归一化公式运算处理能够得到谐波目标的数量分布，再根据某一分布范围内目标的取值值域，对相邻两个目标进行线性函数运算，以此类推，通过加权运算得到总数量谐波目标函数。

(4)

式中:N表示总数量谐波目标函数；σ表示对应节点谐波目标函数的加权数值，加权数值根据谐波目标的取值值域ni进行划分。在非线性迭代运算过程中，由于谐波目标的特殊性，要考虑个体目标对整体目标的影响，通过对加权数值Ni进行平均值运算，反映个体对总目标函数的影响情况。增加的权重数值平均值运算公式为

(5)

式中:δ表示个体目标函数的权重数值；pbi表示个体非线性混合函数约束数值，迭代运算得到总目标函数的加权权重数值平均值。在多目标的参数特征基础上进行归一化处理，得到目标的特征相似度分布情况和多目标的共性特征，进而根据目标参数特征进行追踪处理。谐波防治装置根据运算程序所得结果发出指令。

此外，对谐波防治装置配置进行优化还要考虑装置元件的参数配置和约束条件。装置电容设备的容量与设备经济水平有关，进行优化可根据设备基本需求水平和经费条件进行筛选，再根据电网节点的滤波装置数量对电容装置的配置需求量进行评估，选取经济承受范围内性价比最高的电容设备[16-17]。

在对微电网动态无功谐波综合防治装置的算法进行优化的基础上，需对应完善防治装置设备及其参数的优化配置。根据配电网的电能质量、电能功率、电压、电流等基本信息，参照相匹配的动态无功谐波综合防治装置的性能参数和优化后的算法程序，对配电网及装置设备的配置情况进行调整优化，调整优化后的谐波流动方向如图7所示。

图7 谐波流动方向

在普通配电网的配置情况下，对谐波控制装置的电压承受能力进行优化，增加装置承受电流电压的稳定力度，在装置能力范围内调整电压承受限度，并在保证装置和配电网整体安全的情况下适当扩大承受限度的阈值，以应对不同程度的谐波控制和无功功率补偿转换[18-20]。根据电网的基本谐波负荷状态，强化电路绕组的质量和性能，提高装置对谐波电流进行约束和转换处理时的等效阻抗能力，有利于减少装置在运行过程中产生短路或断股等故障的几率。同时，等效阻抗能力的加强有利于适应装置整流变压器的高效工作状态，结合并串联电路对多目标动态谐波进行控制，形成无功功率补偿电流，维护微电网的系统稳定和工作正常。防治装置的安装还要考虑配电网和企业单位的基本情况，根据安装单位的需求及配电网的质量水平进行适当的谐波防治装置选取和调整，以使装置能够适应电网的运行状态，从而精准有效地对渗透谐波进行捕捉约束。装置位置也需要根据电网的密集程度和稳定状况进行选择，在不影响电网整体运行的状态下完成动态无功谐波全面综合的防治处理。

3 实验研究

为了验证文中提出方法的有效性，以Matlab软件中Simulink神经网络模块编写系统为仿真分析工具，以某电网20组谐波的历史数据作为仿真数据样本，将文中方法与未优化前、文献[3]方法进行实验对比。设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数

根据上述实验参数进行优化实验，得到优化后的电流波形如图8所示。

图8 电流波形

由图8可知，文中提出的优化配置方法和传统的优化配置方法都具备改善电流波形的能力，但是优化配置方法电流波形改善效果更好，更加接近正弦波。

畸变率实验结果如表2所示。

表2 畸变率实验结果

通过表2可知，文中提出的优化配置方法畸变率更小，内部的无功和谐波分量与未优化前相比，分量得到明显地减少，与谐波标准相符，这是因为文中提出的优化配置方法通过提取参数来增加电容器的容量，在安装滤波器的过程中能够很好地避开谐振点，同时，由于该方法能够更好地提取参数，所以即使网络结构改变，谐波也不会受到谐振点偏移的影响。综上所述，该优化配置方法具有更强的优化能力，能够更好地实现综合防治。

4 结束语

针对目前配电网注入谐波等常见问题进行分析，基于参数特征提取方法对微电网动态无功谐波综合防治装置优化配置进行研究，从拓扑结构和工作机理入手，优化装置的程序算法，同时增强装置配置的条件水平，以达到整体优化目的。该研究为微电网动态无功谐波综合防治装置的优化提供了相关参考，有利于电网谐波防治装置等技术领域的进一步发展。