基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法技术

基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法，采用多目标粒子群算法，交流滤波器由带高通的双调谐高通、三调谐滤波器和并联电容器组成；通过计算该换流站的无功消耗，确定交流滤波器的总容量和单组容量；通过对交流母线除电流谐波的频谱分析并结合经济性确定滤波器的型式；并以滤波器的投资成本和电压总谐波畸变率作为目标函数，实现多目标优化；该算法使用粒子的二级存储库，由各粒子引导他们各自的飞行，引入一种变异算子来提高该算法的探索能力，并采用模糊控制的方法对存储库中最终的非劣解集进行评估，输出效益最佳的粒子作为最优解。结果表明，该方法可有效滤除换流站产生的谐波，同时节约成本，高效可靠。

【技术实现步骤摘要】
基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法
本专利技术属于高压直流输电领域，具体涉及一种在高压直流输电背景下针对交流滤波器进行进化多目标优化设计。
技术介绍
为减少输电线路的损耗和节约宝贵的土地资源，高压直流输电(HVDC)技术逐渐发展起来。随着大功率电力电子技术的不断成熟，高压直流输电系统在大容量、远距离输送方面的经济性、稳定性和灵活性等优势也日益突出。但高压直流输电系统在运行过程中不可避免地要产生大量的谐波，这些谐波必须通过交、直流滤波装置来加以抑制。因此滤波装置设计的合理与否直接关系到特高压直流输电系统的投资成本与运行性能的好坏。常规交流滤波器设计比直流滤波器设计更加复杂，因为交流滤波器容量大，设备多，设计相关标准严格，而且设计过程中要综合考虑交、直流系统的运行情况。因此直流输电工程想要具有更高的输电能力和输电效率，实现安全可靠、经济合理的大容量、远距离的电力传输，交流滤波器的优化设计尤为重要。目前，从国内外文献可知，在传统的交流滤波器设计的基础上，国内外不少研究者也从不同的角度进行了优化理论的创新，如针对单调谐滤波器和高通滤波器的，以整个滤波器电容器额定安装容量最小为目标的优化设计方法，如从机会约束规划中的随机规划理论出发，针对传统交流滤波器设计的优化方法进行了改进。高压直流输电工程交流滤波器的设计方法采用传统的理论计算，或者是采用单目标优化的智能算法，均不能保证性能指标和经济指标同时达到最理想的状态，未能实现高压直流输电工程交流滤波器的多目标优化设计。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的不足，基于高压直流输电系统模型，提供一种基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法，交流滤波器由带高通的双调谐高通滤波器、三调谐滤波器和并联电容器组成，交流滤波器并联在交流母线上，用于过滤换流器产生在交流母线上的谐波电流，防止换流器产生的谐波电流注入交流系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过计算换流器消耗的无功功率，确定交流滤波器的容量；步骤二、通过对交流母线上电流谐波的频谱分析，确定交流滤波器的型式；步骤三、以交流滤波器的投资成本和电压总谐波畸变率作为目标函数，以双调谐滤波器和三调谐滤波器的各电容和各电阻作为决策变量，基于多目标粒子群优化算法实现多目标优化。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：步骤一具体包括：1)根据换流变压器的相对感性压降，计算出换相角μ：式中，α为触发角，dx为换流变压器的相对感性压降，Id为直流电流，IdN为额定直流电流，Udio为换流器的理想空载直流电压，UdioN为换流器的额定理想空载直流电压；2)根据换流器的理想空载直流电压Udio，计算换流器直流侧功率Pd：Pd＝Udio*Id3)根据换流器直流侧功率Pd、换相角μ、触发角α计算换流器消耗的无功功率Qdc：根据无功功率Qdc确定交流滤波器的容量。步骤三中，两个目标函数分别为：交流滤波器的投资成本目标函数C为：C＝CDTF+CTTF+CC双调谐滤波器的投资CDTF为：CDTF＝kC1*SC1+kC2*SC2+kL*(SL1+SL2)+KR*(PR1+PR2)三调谐滤波器的投资CTTF为：并联电容器的投资CC为：CC＝KC*SC式中，kC1是交流滤波器高压电容器的单位容量造价，kC2是交流滤波器低压电容器的单位容量造价，kL是交流滤波器电抗器的单位容量造价，KR是交流滤波器阻尼电阻的单位容量造价，SC1是高压电容器的无功容量，SC2是低压电容器的无功容量，SCi是高低压电容器的容量，SL1是高压电抗器的无功容量，SL2是低压电抗器的无功容量，SLi是高低压电抗器的容量，是高压阻尼电阻的无功容量，是低压阻尼电阻的无功容量，是高低压阻尼电阻的容量，KC是并联电容器的单位容量造价，SC是并联电容器的容量；高低压电容器的容量SCi为：高低压电抗器的容量SLi为：高低压阻尼电阻的容量为：并联电容器的容量SC为：式中，UnCi、分别为电容器Ci、电抗器Li、阻尼电阻Ri两端的第n次谐波电压有效值，n为谐波次数，m为交流滤波器设计中所考虑的最高谐波次数，ω为基波角频率，UnC是电容上的各次谐波的电压有效值；电压总谐波畸变率目标函数THD为：式中，m为交流滤波器设计中所考虑的最高谐波次数，Un为各次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。步骤三中，粒子是由决策变量构成的数组，粒子维数就是决策变量个数，粒子在每个维度上的值就是滤波器各元件的参数值，优化粒子就是优化滤波器每个元件的参数值，故基于多目标粒子群优化算法实现多目标优化的步骤具体包括：1)初始化粒子位置：pop(i).Position＝0，i＝0～j其中，pop表示粒子种群，j表示种群中粒子个数，pop(i).Position表示粒子i的当前位置；2)初始化粒子速度：pop(i).Velocity＝0其中，pop(i).Velocity表示粒子i的速度；3)根据粒子位置和目标函数，计算各粒子的目标函数值；4)根据Pareto支配的性质，储存rep库中的非支配向量的粒子的位置；5)根据目标函数确定超立方体，生成迄今为止所探索的搜索空间的超立方体，并使用这些超立方体作为坐标系来定位粒子，其中每个粒子的坐标是根据其目标函数值来定义的；6)初始化每个粒子的最优目标函数值：pop(i).Best.Position＝pop(i).Positionpop(i).Best.Cost＝pop(i).Cost其中，pop(i).Best.Position表示粒子i的最佳位置，pop(i).Best.Cost表示粒子i的最佳目标函数值，pop(i).Cost表示粒子i的目标函数值；7)在存储库中选择先导粒子，更新粒子速度、位置、目标函数值，使用变异算子生成变异新粒子，判断其与原粒子的支配属性，更新粒子个体最优记录，更新存储库，更新自适应网格及粒子的网格索引，得到最终的非劣解集；8)采用模糊控制的方法对存储库中最终的非劣解集进行评估，输出效益最佳的粒子作为最优解。步骤7)具体包括：a)计算每个粒子的速度：pop(i).Velocity＝w*pop(i).Velocity+c1*rand1.*(pop(i).Best.Position-pop(i).Position)+c2*rand2.*(1eader.Position-pop(i).Position)其中，c1、c2分别是粒子个体和粒子群体的学习系数，w表示惯性权重，rand1、rand2是范围内的随机数，leader.Position是从存储库中获取的先导粒子的位置；b)将步骤a)产生的速度代入计算粒子的新位置：pop(i).Position＝pop(i).Position+pop(i).Velocityc)将粒子保持在搜索空间内，以防它们超出其边界，当决策变量超出其边界时，将决策变量取其相应边界的值或者将其速度乘以-1以便它在相反的方向搜索；d)计算种群中各粒子目标函数值；e)使用变异算子：由已定义的突变率计算每次的变异概率，继而产生变异新粒子；f)当粒子的当前位置比包含在它的历史最优位置更好，则粒子的位置更新：pop(i).Best.Posi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法，交流滤波器由带高通的双调谐高通滤波器、三调谐滤波器和并联电容器组成，交流滤波器并联在交流母线上，用于过滤换流器产生在交流母线上的谐波电流，防止换流器产生的谐波电流注入交流系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过计算换流器消耗的无功功率，确定交流滤波器的容量；步骤二、通过对交流母线上电流谐波的频谱分析，确定交流滤波器的型式；步骤三、以交流滤波器的投资成本和电压总谐波畸变率作为目标函数，以双调谐滤波器和三调谐滤波器的各电容和各电阻作为决策变量，基于多目标粒子群优化算法实现多目标优化。

【技术特征摘要】
1.基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法，交流滤波器由带高通的双调谐高通滤波器、三调谐滤波器和并联电容器组成，交流滤波器并联在交流母线上，用于过滤换流器产生在交流母线上的谐波电流，防止换流器产生的谐波电流注入交流系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过计算换流器消耗的无功功率，确定交流滤波器的容量；步骤二、通过对交流母线上电流谐波的频谱分析，确定交流滤波器的型式；步骤三、以交流滤波器的投资成本和电压总谐波畸变率作为目标函数，以双调谐滤波器和三调谐滤波器的各电容和各电阻作为决策变量，基于多目标粒子群优化算法实现多目标优化。2.如权利要求1所述的基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法，其特征在于：步骤一具体包括：1)根据换流变压器的相对感性压降，计算出换相角μ：式中，α为触发角，dx为换流变压器的相对感性压降，Id为直流电流，IdN为额定直流电流，Udio为换流器的理想空载直流电压，UdioN为换流器的额定理想空载直流电压；2)根据换流器的理想空载直流电压Udio，计算换流器直流侧功率Pd：Pd＝Udio*Id3)根据换流器直流侧功率Pd、换相角μ、触发角α计算换流器消耗的无功功率Qdc：根据无功功率Qdc确定交流滤波器的容量。3.如权利要求1所述的基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法，其特征在于：步骤三中，两个目标函数分别为：交流滤波器的投资成本目标函数C为：C＝CDTF+CTTF+CC双调谐滤波器的投资CDTF为：CDTF＝kC1*SC1+kC2*SC2+kL*(SL1+SL2)+KR*(PR1+PR2)三调谐滤波器的投资CTTF为：并联电容器的投资CC为：CC＝KC*SC式中，kC1是交流滤波器高压电容器的单位容量造价，kC2是交流滤波器低压电容器的单位容量造价，kL是交流滤波器电抗器的单位容量造价，KR是交流滤波器阻尼电阻的单位容量造价，SC1是高压电容器的无功容量，SC2是低压电容器的无功容量，SCi是高低压电容器的容量，SL1是高压电抗器的无功容量，SL2是低压电抗器的无功容量，SLi是高低压电抗器的容量，是高压阻尼电阻的无功容量，是低压阻尼电阻的无功容量，是高低压阻尼电阻的容量，KC是并联电容器的单位容量造价，SC是并联电容器的容量；高低压电容器的容量SCi为：高低压电抗器的容量SLi为：高低压阻尼电阻的容量为：并联电容器的容量SC为：式中，UnCi、分别为电容器Ci、电抗器Li、阻尼电阻Ri两端的第n次谐波电压有效值，n为谐波次数，m为交流滤波器设计中所考虑的最高谐波次数，ω为基波角频率，UnC是电容上的各次谐波的电压有效值；电压总谐波畸变率目标函数THD为：式中，m为交流滤波器设计中所考虑的最高谐波次数，Un为各次谐波电压有效值，U1为基波电压有效值。4.如权利要求3所述的基于改进粒子群算法的交流滤波器多目标优化设计方法，其特征在于：步骤三中，粒子是由决策变量构成的数组，粒子维数就是决策变量个数，粒子在每个维度上的值就是滤波器各元件的参数值，优化粒子就是优化滤波器每个元件的参数值，故基于多目标粒子群优化算法实现多目标优化的步骤具体包括：1)初始化粒子位置：pop(...

【专利技术属性】
技术研发人员：石凡，王宏华，王成亮，王金虎，徐妍，樊森，官国飞，
申请(专利权)人：江苏方天电力技术有限公司，河海大学，国网江苏省电力有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32