Инновационная технология АПФ: как шунтирующий гибридный АПФ на основе алгоритма LQR - PSO решает проблемы гармоник в электросети?

В процессе эксплуатации энергосистем скачки нелинейных нагрузок приводят к всё более выраженным проблемам с гармониками напряжения и тока, которые не только влияют на срок службы оборудования, но и снижают качество электроснабжения электросети. Традиционные пассивные фильтры имеют такие недостатки, как фиксированная компенсация и лёгкий резонанс. Однако активные силовые фильтры (АФ) стали основным оборудованием для контроля гармоник благодаря их гибкой возможности инжекции тока. В данной статье основное внимание будет уделено шунтирующему гибридному АФ на основе алгоритма LQR-PSO (линейно-квадратичный регулятор – оптимизация методом роя частиц), глубоко проанализированы его технические принципы, преимущества и практические эффекты применения, а также предложено новое направление в области контроля гармоник в корпоративных электросетях.

1. Проблемы с гармониками в электросети: почему APF стал основой решения?

Традиционные методы контроля гармоник , такие как LC-фильтры и конденсаторные батареи , способны до определённой степени подавлять гармоники, но у них есть очевидные недостатки: фиксированная ёмкость компенсации, неспособная адаптироваться к изменениям нагрузки; большой объём и высокая стоимость установки; лёгкий резонанс с импедансом электросети, что, в свою очередь, усугубляет скрытые риски электроснабжения. Активный сетевой фильтр (APF) полностью изменил эту ситуацию. Он способен точно компенсировать гармоники, обнаруживая гармонические составляющие в электросети в режиме реального времени и активно вводя компенсирующий ток той же величины, но противоположного направления, что и гармонический ток. Более того, он обладает возможностью динамической регулировки и может гибко реагировать на различные сценарии нагрузки.

Среди различных топологий АПФ шунтирующий гибридный АПФ сочетает в себе преимущества активной и пассивной фильтрации: АПФ отвечает за точное подавление гармоник высшего порядка, а конденсаторная батарея берет на себя функции компенсации реактивной мощности и управления гармоническими пульсациями, что значительно снижает требования к емкости АПФ и повышает общую эффективность управления.

2. Технологический прорыв: как алгоритм LQR-PSO оптимизирует производительность шунтирующего гибридного АПФ?

Основное преимущество шунтирующего гибридного АПФ заключается в точности алгоритма управления. Однако традиционные методы управления (такие как ПИД-регулирование и управление с зоной нечувствительности) имеют такие недостатки, как низкая скорость отклика и ухудшение характеристик при нелинейных нагрузках. Алгоритм управления LQR-PSO, предложенный в данной статье, обеспечивает существенное повышение эффективности гармонического регулирования за счёт оптимизации параметров управления АПФ. Его техническую логику можно разделить на два основных звена:

1. Контроллер LQR: построение оптимальной структуры управления для APF

Линейно-квадратичный регулятор (ЛКР) – это «мозг» системы управления АПФ. Он рассчитывает оптимальный коэффициент усиления обратной связи, минимизируя квадратичный коэффициент усиления (включая взвешенный интеграл переменных состояния и управляющих входов), гарантируя, что выходной ток компенсации АПФ точно соответствует гармоническому сигналу. В шунтирующем гибридном АПФ цели управления ЛКР очевидны:

• Регулировка в реальном времени состояния переключения инвертора АПФ для формирования необходимого тока компенсации.
• Подавление высокочастотных пульсаций, возникающих при быстром переключении АПФ, для исключения электромагнитных помех в электросети .
• Для обеспечения непрерывной и надежной компенсации необходимо поддерживать стабильное напряжение внутреннего конденсатора АПФ .

Эффективность LQR-фильтра зависит от значений весовой матрицы состояния Q и весовой матрицы управления R. Матрица Q определяет акцент на переменных состояния APF (таких как ток фильтра и напряжение конденсатора), а матрица R балансирует энергопотребление управляющего входа. Использование традиционного «метода проб и ошибок» для настройки Q и R не только требует много времени и труда, но и затрудняет поиск оптимальных параметров, что напрямую ограничивает эффективность подавления гармоник APF.

2. Алгоритм PSO: достижение «точной оптимизации» параметров управления APF

В

недрение алгоритма оптимизации роя частиц (PSO) полностью решило проблему настройки параметров LQR. PSO моделирует пищевое поведение биологических групп. Благодаря итеративному поиску нескольких «частиц» (соответствующих возможным комбинациям параметров Q и R) в пространстве решений, алгоритм быстро находит значения параметров, оптимизирующие производительность APF. Его преимущества отражены в:

Высокая эффективность: по сравнению с генетическими алгоритмами и алгоритмами искусственных пчелиных колоний, PSO не требует сложного кодирования и операций кроссоверной мутации. Он может искать оптимальное решение, просто обновляя скорость и положение частиц, что значительно сокращает время настройки параметров .

Высокая робастность: не зависит от начальных параметров. Даже если начальное распределение частиц случайно, алгоритм может сходиться к глобальному оптимальному решению, избегая колебаний производительности APF, вызванных отклонением параметров .

Хорошая адаптивность: он может напрямую ориентироваться на топологические характеристики шунтирующего гибридного APF и использовать интегральную абсолютную погрешность (IAE) тока фильтра и напряжения конденсатора в качестве функции пригодности, гарантируя, что цель оптимизации в высокой степени соответствует требованиям к контролю гармоник APF.

• В ходе реального моделирования мы задали 20 поисковых частиц и 10 итераций для шунтирующего гибридного АПФ и в итоге получили оптимальные параметры: матрица Q представляет собой диагональную матрицу diag([5,7267, 7,5435, 21,6203, 0,0001]), а матрица R равна 0,0625. Контроллер LQR, основанный на этих параметрах, может сделать выход АПФ более плавным и значительно повысить точность подавления гармоник.

3. Проверка с помощью моделирования: каков практический эффект гибридного АПФ шунта LQR - PSO?

Для проверки технической осуществимости мы использовали MATLAB/Simulink для построения имитационной модели шунтового гибридного АПФ, моделируя ситуацию в электросети с нелинейными нагрузками (6-пульсные диодные выпрямители) и линейными нагрузками (трёхфазные RL-ветви), и сравнили различия в характеристиках АПФ с управлением LQR-PSO и без него. Результаты впечатляют:

1. Подавление гармоник: APF делает сигналы напряжения и тока более плавными

Без управления LQR-PSO, хотя APF и может подавать компенсационный ток, из-за высокой частоты коммутации в сигналах напряжения и тока электросети появляются заметные высокочастотные пульсации. Коэффициент искажения тока на стороне источника превышает 15%, а диапазон колебаний напряжения на стороне нагрузки достигает 20%, что не соответствует требованиям национального стандарта GB/T 14549-1993 по гармоникам электросети.

Однако шунтирующий гибридный фильтр с алгоритмом LQR-PSO полностью исправил эту ситуацию благодаря точному управлению параметрами. Напряжение на стороне источника стабилизировано на уровне 176,7 В (номинальное значение), а уровень искажений тока снижен до менее 3%. Напряжение на стороне нагрузки поддерживается на уровне 150 В (соответствует напряжению на стороне источника), а диапазон колебаний тока составляет менее 5%. Плавность сигнала улучшена более чем на 80%, что полностью соответствует стандартам электроснабжения промышленных электросетей.

2. Оптимизация мощности: ток впрыска APF

снижен на 95%, что снижает потребление энергии.

Для компенсации гармоник традиционный APF требует подачи компенсационного тока ±60 А, что не только потребляет много электроэнергии, но и вызывает сильный нагрев инвертора. Однако шунтирующий гибридный APF, управляемый LQR-PSO, оптимизирует стратегию компенсации, снижая ток подачи до ±3 А, что составляет до 95%! Это означает значительное снижение потерь мощности APF, увеличение срока службы оборудования и снижение нагрузки на энергосистему, что позволяет предприятиям экономить электроэнергию.

3. Скорость реагирования: APF более гибко адаптируется к изменениям нагрузки

В ходе моделирования был смоделирован сценарий изменения нагрузки ( внезапное включение нелинейной нагрузки). АПФ без управления LQR-PSO потребляет 0,05 секунды для регулировки тока компенсации, в течение которого концентрация гармоник в электросети резко возрастает. Однако АПФ с LQR-PSO имеет время отклика, сокращенное до 0,01 секунды, что позволяет мгновенно отслеживать изменения гармоник, избегать провалов напряжения и токовых бросков в электросети, а также в полной мере использовать преимущества динамической регулировки.

4. Промышленная ценность: какие преимущества технология APF приносит в управление корпоративными электросетями?

Гибридный АПФ шунтового типа на основе алгоритма LQR-PSO не только является технологической инновацией, но и способен решить практические проблемы энергоемких предприятий, таких как обрабатывающая промышленность, химическая промышленность и центры обработки данных:

• Снижение затрат и повышение эффективности: снижение тока инжекции APF на 95% напрямую снижает энергопотребление оборудования, а также расходы на эксплуатацию и обслуживание. Это также позволяет избежать отказов оборудования, вызванных гармониками, и сократить потери от простоя .
• Соответствие стандартам: помогает предприятиям соблюдать национальные стандарты по гармоникам в электросетях и избегать штрафов за ненадлежащее качество электроснабжения .
• Гибкое расширение: возможность динамической компенсации APF позволяет адаптироваться к будущим потребностям предприятий в расширении нагрузки без частой замены фильтрующего оборудования.

В будущем, с масштабным подключением к сетям новых источников энергии (фотоэлектрических, ветроэнергетических), проблема гармоник в электросети станет более сложной. Постоянная оптимизация технологии APF (например, комбинирование алгоритмов искусственного интеллекта для дальнейшего повышения адаптивных возможностей) станет ключом к обеспечению стабильной работы электросети. Для предприятий заблаговременное планирование решений APF на основе передовых алгоритмов, таких как LQR-PSO, может не только решить текущие проблемы с гармониками, но и заложить основу для долгосрочной модернизации электросети.

Заключение

От традиционной пассивной фильтрации к технологической итерации АПФ (активного фильтра мощности) , а затем к приданию нового импульса шунтирующему гибридному АПФ с помощью алгоритма LQR-PSO, управление гармониками в электросети развивается в направлении «точности, низкого энергопотребления и высокой надежности». Предлагаемый в данной статье шунтирующий гибридный АПФ достиг двойного прорыва в подавлении гармоник и эффективности оборудования за счёт оптимизации параметров и управления, предоставляя практическое решение для повышения качества электроснабжения предприятий.

Если ваше предприятие сталкивается с проблемами гармоник в электросети или желаете узнать больше о применении технологии APF, свяжитесь с нами. Наша команда профессионалов разработает для вас эксклюзивное решение по контролю гармоник, которое сделает работу электросети более стабильной и эффективной!

В Hengrong Electrical мы понимаем, насколько важна каждая деталь в управлении электропитанием. От передовой разработки продукции до инновационных решений в области фильтрации — мы стремимся предоставлять надёжные, эффективные и перспективные технологии. Выбирая Hengrong, вы получаете не просто продукцию, а надёжного партнёра, который поможет вашему бизнесу стать более интеллектуальным, безопасным и экологичным.

www.hengrong-electric.com