本發(fā)明屬于輸出濾波器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種輸出濾波器多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

隨著智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)概念的提出和新能源、分布式電源技術(shù)快速發(fā)展，STATCOM得到了更為廣泛的應(yīng)用。其中，配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(D-STATCOM)以其在降低電能損耗和提高電能質(zhì)量方面的廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)今配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和電能質(zhì)量控制的發(fā)展方向。作為電力電子裝置，其輸出中的諧波問(wèn)題也是人們所關(guān)心的。如果輸出中的諧波較大，一方面會(huì)影響整個(gè)裝置的無(wú)功補(bǔ)償能力，另一方面會(huì)使高頻諧波注入到電網(wǎng)和用戶受電端，影響到控制、通訊設(shè)備及精密儀器等的正常工作，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致裝置主電路本身因過(guò)流、過(guò)壓而不能正常工作，甚至損壞。因此D-STATCOM裝置中的輸出濾波環(huán)節(jié)非常重要，常用而簡(jiǎn)便的方法是增加輸出濾波器。

在現(xiàn)有的STATCOM的研究工作中，多集中于控制方法、主電路結(jié)構(gòu)、控制器設(shè)計(jì)等方面，對(duì)輸出濾波器的關(guān)注很少。目前工程上常用的參數(shù)設(shè)計(jì)方法是經(jīng)驗(yàn)估算法，得到的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果較為粗糙，不能實(shí)現(xiàn)各方面性能的均衡最優(yōu)。而事實(shí)上，輸出濾波器的設(shè)計(jì)恰當(dāng)與否對(duì)D-STATCOM的輸出性能有著很大的影響。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅使D-STATCOM輸出性能變壞，達(dá)不到預(yù)期的補(bǔ)償和控制的目的，甚至還會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)沖擊和諧波污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計(jì)合理、輸出諧波含量低、參數(shù)設(shè)計(jì)精細(xì)且能實(shí)現(xiàn)各方面均衡優(yōu)化的輸出濾波器的多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種輸出濾波器多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括如下具體步驟：

步驟1、通過(guò)對(duì)連接電抗器、LC濾波器、LCR濾波器三種輸出濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，選擇能夠有效抑制諧振的輸出濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

步驟2、根據(jù)工程上的經(jīng)驗(yàn)估算法，初步設(shè)計(jì)輸出濾波器參數(shù)；

步驟3、確定輸出濾波器的多目標(biāo)優(yōu)化模型，制定參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；

步驟4、求解所述步驟3的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)經(jīng)驗(yàn)估算法得到的初步輸出濾波器參數(shù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理；

步驟5、通過(guò)對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的輸出濾波器性能，驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

而且，所述步驟2的具體方法為：首先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法對(duì)LC輸出濾波器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，并在LC輸出濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，得出濾波電感L和濾波電容C的值，再選取適當(dāng)?shù)臑V波電阻R。

而且，所述步驟2的通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法對(duì)LC輸出濾波器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)的具體方法為：已知LC輸出濾波器輸出中的最低次諧波ω，使諧振頻率ω_c<<ω且ω_c大于基波ω₀，選取適當(dāng)?shù)摩?sub>c，并由此確定L和C的乘積，再根據(jù)諧波濾除性能和基波壓降的要求，選取較小的L和較大的C。

而且，所述步驟2的選取適當(dāng)?shù)臑V波電阻R的具體方法為：基于如下所述的兩個(gè)原則選取適當(dāng)?shù)臑V波電阻R：(1)在濾波電阻R遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其串聯(lián)電容容抗的前提下盡可能選取較大的濾波電阻R，以保證較大的阻尼系數(shù)來(lái)抑制諧振；(2)保證濾波電阻R損耗不能太大。

而且，所述步驟3的具體方法為：在所述步驟2初步設(shè)計(jì)的輸出濾波器參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在滿足濾波器濾波性能的同時(shí)，通過(guò)減小濾波電感L和濾波電容C的數(shù)值，建立以減小輸出濾波器體積和造價(jià)、提高輸出濾波器帶負(fù)載能力和減小輸出濾波器的損耗的為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，制定參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；

該多目標(biāo)優(yōu)化模型由如下所示的6個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成，其分別為：

$f_1(L,C){|}_{s=17*j314}=\left|\frac{sRC+1}{s^{2}CL+sRC+1}\right|\&le;\frac{1}{6}$

$f_2(L,C){|}_{s=19*j314}=\left|\frac{sRC+1}{s^{2}CL+sRC+1}\right|\&le;\frac{1}{14}$

$f_3(L,C)=\sqrt{2\&times;({(17\%\&times;f_2)}^2+{(40\%\&times;f_3)}^2)}\&le;5\%$

上式中，f₁為17次諧波衰減系數(shù)，其優(yōu)化目標(biāo)為17次諧波衰減系數(shù)小于等于1/6；f₂為19次諧波衰減系數(shù)，其優(yōu)化目標(biāo)為19次諧波衰減系數(shù)小于1/14；f₃為總諧波含量，其優(yōu)化目標(biāo)為總諧波含量小于等于5％；

設(shè)帶7×(4+j3)Ω的負(fù)載時(shí)，基波壓降不小于0.9，可建立如下所示的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

$f_4(L,C){|}_{s=j314}=\left|\frac{{\mathrm{sRCZ}}_L+Z_L}{s^{2}CL(R+Z_L)+s(L+{\mathrm{RCZ}}_L)+Z_L}\right|\&GreaterEqual;0.9$

上式中，f₄代表基波壓降系數(shù)，其優(yōu)化目標(biāo)為基波壓降系數(shù)不小于0.9；

C為濾波電容；L為濾波電感；R為濾波電阻；Z_L為負(fù)載等效阻抗；

為了減小L和C的值，可建立如下所示的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

f₅(L,C)＝L≤0.02

f₆(L,C)＝C≤0.00005

其中，L≥0,C≥0；

上式中，f₅代表電感值，其優(yōu)化目標(biāo)為電感值小于優(yōu)化前的電感值，該優(yōu)化前的電感值為0.02H；f₆代表電容值，其優(yōu)化目標(biāo)為電容值小于優(yōu)化前的電容值，該優(yōu)化前的電容值為0.00005F；

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

1、本發(fā)明通過(guò)采用參數(shù)經(jīng)驗(yàn)估算法與多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，改善了傳統(tǒng)的參數(shù)估算法得到的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，使輸出濾波器的性能達(dá)到了各方面的均衡優(yōu)化，提高了D-STATCOM的輸出性能。

2、本發(fā)明通過(guò)對(duì)工程上常用的經(jīng)驗(yàn)估算法的改進(jìn)，得到更為精確的參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)輸出濾波器各方面性能的優(yōu)化，改善D-STATCOM的輸出性能，更好實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法流程圖；

圖2是本發(fā)明的輸出濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳述：

一種輸出濾波器多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)方法，如圖1所示，包括如下具體步驟：

步驟1、通過(guò)對(duì)連接電抗器、LC濾波器、LCR濾波器三種輸出濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，選擇如圖2所示的能夠有效抑制諧振的輸出濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

目前常用的輸出濾波器結(jié)構(gòu)主要包括連接電抗器、LC濾波器、LCR濾波器三種結(jié)構(gòu)。下面，對(duì)這三種輸出濾波器的特點(diǎn)進(jìn)行分析：

(1)連接電抗器：相當(dāng)于一個(gè)電感，與負(fù)載組成一階低通濾波器。在高頻段，其衰減斜率為-20dB每十倍頻程，對(duì)高頻諧波有一定的衰減能力。缺點(diǎn)：連接電抗器與負(fù)載組成的一階低通濾波器的濾波范圍與負(fù)載的大小有關(guān)，當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，其濾波范圍減小，導(dǎo)致許多低次諧波無(wú)法濾除。此外，一階低通濾波器的高頻衰減為-20dB每十倍頻程，對(duì)高次諧波的衰減能力不夠強(qiáng)，輸出中仍有較大含量的諧波分量。

(2)LC濾波器：二階低通濾波器，高頻衰減斜率為-40dB/十倍頻程。比起連接電抗器，LC濾波器對(duì)高頻諧波的衰減能力比連接電抗器要強(qiáng)得多。但是，LC濾波器存在著諧振現(xiàn)象。當(dāng)輸出系統(tǒng)的阻尼較小時(shí)，諧振峰較大，如果系統(tǒng)受到頻率在諧振頻率附近的干擾信號(hào)作用，LC輸出濾波器不僅不能對(duì)其進(jìn)行有效的抑制和消除，反而還會(huì)進(jìn)行放大，使得輸出中具有相對(duì)值較大的擾動(dòng)分量，造成輸出中諧波含量的劇增，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

(3)LCR濾波器：針對(duì)LC輸出濾波器在輕載和空載時(shí)因阻尼系數(shù)太小而出現(xiàn)諧振現(xiàn)象的問(wèn)題，可考慮增大LC輸出濾波器自身的阻尼系數(shù)，由此來(lái)改善諧振問(wèn)題。目前常用的結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)CR結(jié)構(gòu)，在濾波電容處串聯(lián)一個(gè)小電阻。輸出濾波器大大削減了空載時(shí)的諧振峰，能夠有效抑制諧振現(xiàn)象。

針對(duì)上述分析，本實(shí)施例中選取的輸出濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為L(zhǎng)CR結(jié)構(gòu)，如圖2所示，并針對(duì)該LCR結(jié)構(gòu)的輸出濾波器進(jìn)行參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

步驟2、根據(jù)工程上的經(jīng)驗(yàn)估算法，初步設(shè)計(jì)輸出濾波器參數(shù)；

所述步驟2的具體方法為：首先通過(guò)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)法對(duì)LC輸出濾波器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，并在LC輸出濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，得出濾波電感L和濾波電容C的值，再選取適當(dāng)?shù)臑V波電阻R。

所述LC輸出濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法為工程上的估算法，該估算法是一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，已知LC輸出濾波器輸出中的最低次諧波ω，使得諧振頻率ω_c<<ω且ω_c大于基波ω₀，選取適當(dāng)?shù)摩?sub>c，并由此確定L和C的乘積，再根據(jù)諧波濾除性能和基波壓降的要求，一般選取較小的L和較大的C。

經(jīng)驗(yàn)估算法求解步驟較為簡(jiǎn)單，分為設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和修改三個(gè)過(guò)程，得到的結(jié)果的精確性較差，有時(shí)還需要反復(fù)修改和試驗(yàn)，直到達(dá)到要求。此法需要的條件較少，適用于大多數(shù)情況，在工程實(shí)際中有著廣泛的用途。

在本實(shí)施例中，設(shè)D-STATCOM輸出高頻PWM波，該高頻PWM波中所含的諧波主要為17和23次(2N±3)、19和21(2N±1)次諧波(N＝10)，且17次諧波與23次諧波含量相等，約為17％，19次諧波與23次諧波含量相等，約為40％，其總諧波含量：

$THD=\sqrt{\underset{n=2}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}{U}_n^2}/U_1\&ap;\sqrt{2U_{17}^2+2U_{19}^2}/U_1=61.2528\%$

THD代表總諧波含量，U_n代表各次諧波電壓有效值，U₁、U₁₇和U₁₉分別代表基波、17次諧波和19次諧波電壓有效值。需要濾除的最低次諧波為17次。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算法的原理，LC輸出濾波器的諧振頻率ω_c<<17ω₀，同時(shí)要滿足ω_c>ω₀。取則此時(shí)對(duì)17次諧波的衰減倍數(shù)為-40lg5＝-27.96dB＝0.04，可見此時(shí)的衰減能力是足夠的。

由此得出

取L＝0.02H＝20mH，C＝4.4×10^-5F＝44μF，考慮實(shí)際情況及裕度，取C＝50μF。

濾波電阻R一般為幾歐到幾十歐，原則上濾波電阻R在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其串聯(lián)電容容抗的前提下盡可能取較大的濾波電阻R，以保證較大的阻尼系數(shù)來(lái)抑制諧振，但同時(shí)又要保證其損耗不能太大，以免造成裝置整體功耗過(guò)大、發(fā)熱問(wèn)題突出等，具體可通過(guò)計(jì)算、仿真的方法來(lái)綜合確定。在本實(shí)施例中，取R＝1Ω。

經(jīng)初步設(shè)計(jì)的輸出濾波器后，空載情況下，諧振諧波含量為1.2％，17、19、21次諧波含量分別為0.6％、1.1％、0.9％，總諧波含量為1.8％，可見此時(shí)各次諧波及總的諧波含量都符合要求。輸出濾波器損耗為11.93W，處于可接受范圍內(nèi)。

步驟3、確定輸出濾波器的多目標(biāo)優(yōu)化模型，制定參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；

所述步驟3的具體方法為：在所述步驟2初步設(shè)計(jì)的輸出濾波器參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在滿足濾波器濾波性能的同時(shí)，通過(guò)減小濾波電感L和濾波電容C的數(shù)值，建立以減小輸出濾波器體積和造價(jià)、提高輸出濾波器帶負(fù)載能力和減小輸出濾波器的損耗的為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，制定參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；

按照所述步驟2初步設(shè)計(jì)輸出濾波器參數(shù)后，往往得到的輸出濾波器的性能不是最佳的。此時(shí)需要在初步確定的輸出濾波器參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以提升輸出濾波器的各方面的性能，達(dá)到更加滿意的效果。

這是一個(gè)典型的多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。在本發(fā)明中，輸出濾波器參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)是：在滿足濾波性能的同時(shí)，通過(guò)減小濾波電感L和濾波電容C的數(shù)值，達(dá)到減小輸出濾波器體積和造價(jià)、提高輸出濾波器帶負(fù)載能力和減小輸出濾波器的損耗的目的。

在本實(shí)施例中，建立由如下所示的6個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成的多目標(biāo)優(yōu)化模型：

首先為了將17、19次諧波的衰減到規(guī)定范圍并滿足總諧波含量的規(guī)定，建立如下3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

$f_1(L,C){|}_{s=17*j314}=\left|\frac{sRC+1}{s^{2}CL+sRC+1}\right|\&le;\frac{1}{6}---\left(1\right)$

$f_2(L,C){|}_{s=19*j314}=\left|\frac{sRC+1}{s^{2}CL+sRC+1}\right|\&le;\frac{1}{14}---\left(2\right)$

$f_3(L,C)=\sqrt{2\&times;({(17\%\&times;f_2)}^2+{(40\%\&times;f_3)}^2)}\&le;5\%---\left(3\right)$

上式中，f₁為17次諧波衰減系數(shù)，其優(yōu)化目標(biāo)為17次諧波衰減系數(shù)小于等于1/6；f₂為19次諧波衰減系數(shù)，其優(yōu)化目標(biāo)為19次諧波衰減系數(shù)小于1/14；f₃為總諧波含量，其優(yōu)化目標(biāo)為總諧波含量小于等于5％。

由于輸出濾波器的高頻諧波衰減特性，對(duì)于越高次數(shù)的諧波，其衰減能力越大。若17、19次諧波能夠衰減到規(guī)定范圍內(nèi)，則21、23次諧波也必定能夠衰減到規(guī)定范圍內(nèi)，因此可以省略對(duì)21、23次諧波衰減要求的表達(dá)式。對(duì)于優(yōu)化函數(shù)f₃如式(3)所示，濾波后21、23次諧波含量應(yīng)當(dāng)小于17、19次，為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，此處取相等，可滿足對(duì)濾波性能的要求，實(shí)際中的總諧波含量應(yīng)該小于式(3)所述。

設(shè)帶7×(4+j3)Ω的負(fù)載時(shí)，基波壓降系數(shù)不小于0.9，可建立如下1個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

$f_4(L,C){|}_{s=j314}=\left|\frac{{\mathrm{sRCZ}}_L+Z_L}{s^{2}CL(R+Z_L)+s(L+{\mathrm{RCZ}}_L)+Z_L}\right|\&GreaterEqual;0.9---\left(4\right)$

上式中，f₄代表基波壓降系數(shù)，其優(yōu)化目標(biāo)為基波壓降系數(shù)不小于0.9；

為了減小L和C的值，可建立如下2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

f₅(L,C)＝L≤0.02 (5)

f₆(L,C)＝C≤0.00005 (6)

其中，f₅代表電感值，其優(yōu)化目標(biāo)為電感值小于優(yōu)化前的電感值(0.02H)；f₆代表電容值，其優(yōu)化目標(biāo)為電容值小于優(yōu)化前的電容值(0.00005F)。

由此，一共得到6個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)成多目標(biāo)優(yōu)化模型。

上式中，C為濾波電容；L為濾波電感；R為濾波電阻；Z_L為負(fù)載等效阻抗；其中，L≥0,C≥0。

步驟4、求解所述步驟3的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)經(jīng)驗(yàn)估算法得到的初步輸出濾波器參數(shù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理；

本實(shí)施例中，優(yōu)化處理過(guò)程是采用MATLAB中的M語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，使用MATLAB優(yōu)化工具箱中的fgoalattain函數(shù)來(lái)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化模型的求解。

設(shè)兩個(gè)待求變量L、C分別為x(1)、x(2)；首先編寫目標(biāo)函數(shù)M文件gofun.m如下：

functionf＝gofun(x)

R＝1；

s1＝314j；

z1＝7*(4+3j)；

s2＝17*314j；

s3＝19*314j；

f(1)＝abs((s2*x(2)*R+1)/(s2^2*x(1)*x(2)+s2*R*x(2)+1))；

f(2)＝abs((s3*x(2)*R+1)/(s3^2*x(1)*x(2)+s3*R*x(2)+1))；

f(3)＝sqrt(2*((0.17*f(1))^2+(0.4*f(2))^2))；

f(4)＝-abs((s1*x(2)*R*z1+z1)/(s1^2*x(1)*x(2)*(R+z1)+s1*(x(1)+R*x(2)*z1)+z1))；

f(5)＝x(1)；

f(6)＝x(2)；

然后求解所述步驟3的多目標(biāo)優(yōu)化模型,對(duì)經(jīng)驗(yàn)估算法得到的初步輸出濾波器參數(shù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理；

goal＝[1/61/140.05-0.90.020.00005]；

weight＝abs(goal)；

x0＝[0.020.00005]；

lb＝[00]；

[X,FVAL]＝fgoalattain(@gofun,x0,goal,weight,[],[],[],[],lb)

步驟5、通過(guò)對(duì)比優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的輸出濾波器性能，驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

其優(yōu)化處理結(jié)果如下：

X＝

0.01061 4.5147e-005

FVAL＝

0.0813 0.0645 0.0414 -0.9873 0.0106 0.0000

其中，X為優(yōu)化函數(shù)返回的最優(yōu)解，即優(yōu)化后的濾波電感和濾波電容值，L＝0.01061H，C＝0.000045F。FVAL為最優(yōu)解X處的目標(biāo)函數(shù)值，即優(yōu)化后17次諧波衰減系數(shù)為0.0813，19次諧波衰減系數(shù)為0.0645，總諧波含量為0.0414(即4.1％)，基波壓降系數(shù)為0.9873。

與優(yōu)化之前相比較，電感值從0.02H下降到約為0.01H，電容值從0.00005F下降到0.000045F，實(shí)現(xiàn)了減小電感和電容的目的；總諧波含量從1.8％上升到4.1％，小于規(guī)定的5％；基波壓降為0.9873，大于規(guī)定的0.9。優(yōu)化目標(biāo)全部實(shí)現(xiàn)。

由于此優(yōu)化的目的在于減小濾波電感、濾波電容，濾波能力的下降是必然的，但仍然保證將諧波控制在規(guī)定范圍內(nèi)。優(yōu)化兼顧了各方面性能的改進(jìn)與均衡。

需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包括并不限于具體實(shí)施方式中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。