有源滤波器安装优化配置及输出滤波器参数优化研究

摘要

现代电网中谐波污染已经越来越严重的影响着电网的电能质量。造成其谐波污染的主要原因有非线性负载、电力电子设备的应用及变压器等设备过电压而造成的饱和失真。有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）作为新型实用型电力电子装置既可以对谐波进行治理，也可以进行无功功率补偿。目下，研究APF安装位置的文献相对比较少，并且大都集中在安装在某一条母线上时对系统谐波的治理效果，而没有研究其安装位置优化配置问题。在实际应用时，APF因其中的高频开关带来新的谐波污染，必须采用输出滤波器进行治理。而该滤波器的参数在确定时一般靠经验值进行估计，反推校验如果不合理还需要进行调整其值直到合理为止。当电网的阻抗因其运行方式变化时LCL型输出滤波器性能依然上佳，故而往往采用其为APF高频次谐波治理的首选。但是对输出滤波器的研究往往都集中在滤波器参数对输出性能的影响这方面，而忽略了阻尼带来的损耗问题。即便有少量研究其损耗的文献，也都是只考虑其在达到基本滤波要求的基础上使阻尼损耗最小。针对这些内容，本文主要对以下内容进行研究:
　　第一、本文首先对APF的研究主要集中在其基本滤波工作原理，详细介绍了如何进行滤波、无功补偿及其控制实现方法。然后依据其基本原理和控制方法设计APF，结合具体的带非线性负载的系统验证了所设计的APF的有效性。
　　第二、建立了一种实现配网中APF安装位置最优配置的模型。通过对APF安装位置进行优化配置，可以使其向系统注入最小的谐波电流就能获得最佳电能质量。因此寻求APF在谐波污染严重的系统中的最佳安装位置就是取得最优滤波效果的关键因素。在含有大量谐波源的配网中安装APF时需对系统的母线转移矩阵进行计算，然后分析在不同频率下各母线处的响应特性。优先考虑响应明显的母线并结合就近补偿的原则确定待安装APF的备选母线库。根据配网对各母线电压谐波含量的要求，和用最少的APF安装数量实现治理谐波含量要求的目标，提出全局优化的多目标函数模型。最后根据改进遗传算法得到优化结果确定最优安装位置和数量，既能满足滤波要求又能节约并联型有源滤波器。
　　第三、提出了一种基于改进遗传算法NSGA-Ⅱ实现兼顾阻尼损耗和输出效果的LCL滤波器最优参数的设计方法。不合理的滤波器参数不仅会让其滤波效果比较差，也会拉低滤波系统效率值，因此关于LCL滤波器地设计需综合考虑滤波性能及系统效率，即滤波器参数和系统损耗，使滤波器得到最佳输出效果的同时效率也最高。依据以上分析，首先设计LCL滤波器等效电路模型，根据此模型详细分析其带负载能力，为增强其带负载能力必须设置阻尼。然后详细介绍了该滤波器阻尼损耗、输出性能的解析表达式及其参数设计步骤，得到损耗最小且输出效果最佳的参数设计方法。通过快速非支配排序和精英策略的改进遗传算法NSGA-Ⅱ进行参数寻优，依据最优参数设计输出滤波器。最后通过Simulink搭建仿真模型，结合相关优秀论文提出的方法进行比对分析，可以看出所提方法能有效滤波且系统效率非常高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．2 研究现状及存在的问题

1．3 论文的主要研究内容及创新

第2章 有源滤波器基础理论研究与模型设计

2．1 APF的基本滤波原理

2．2 APF的谐波检测及控制方式

2．3 SAPF模型的搭建

2．4 仿真算例

2．5 本章小结

第3章 基于改进遗传算法APF安装位置和数量优化配置研究

3．1 母线频响特性及单台APF优化配置研究

3．1．1 母线转移矩阵

3．1．2 母线频响特性曲线分析

3．1．3 系统参数的变化对选择安装母线位置的影响

3．1．4 单台APF优化配置算例分析

3．2 APF安装位置和数量的优化配置步骤

3．3 基于改进遗传算法实现APF优化配置的过程

3．3．1 优化方法的选择

3．3．2 目标函数

3．3．3 改进遗传算法的关键步骤

3．4 算例分析

3．4．1 确定备选母线库

3．4．2 优化配置结果

3．5 本章小结

第4章 LCL滤波器参数优化设计的模型与算法研究

4．1 引言

4．2 LCL滤波器等效电路模型和负载特性分析

4．2．1 空载情况

4．2．2 感性负载情况

4．2．3 容性负载情况

4．2．4 阻性负载情况

4．2．5 谐波源负载情况

4．3 LCL滤波器阻尼损耗及输出性能解析表达

4．4 LCL滤波器的参数设计分析

4．4．1 滤波器参数约束

4．4．2 滤波器各参数对流经阻尼电流的影响分析

4．4．3 滤波器各参数对滤波输出的影响分析

4．5 兼顾阻尼损耗与输出效果的LCL滤波器最优参数设计方法

4．5．1 LCL滤波器最优模型的建立

4．5．2 基于快速非支配排序和精英策略的改进遗传算法实现

4．6 仿真算例

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文