[发明专利]基于蝙蝠算法的电铁电能质量控制系统容量最优化配置

说明书

技术领域

本发明属于电气化铁路系统自动化技术领域，具体涉及一种基于蝙蝠算法的电气化铁路电能质量控制系统的容量优化模型。

背景技术

近年来，我国的电气化铁路发展迅速。因为其牵引负荷——电力机车作为非线性大功率单相负荷，其在从公用电网获取电能的同时会给公用电网注入谐波和负序电流，会对电网的安全经济运行产生危害，其接入电网时所带来的电能质量问题一直备受关注。目前处理这些问题常用的措施是安装合适的补偿装置。其中一位日本学者提出的铁路静止功率补偿器，亦称为铁路电能质量控制系统(Railway Power Quality Manage System,RPQMS)，能对电气化铁路牵引供电系统进行负序、无功和谐波综合治理，表现出良好的应用前景。由于RPQMS由全控器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT)构成，所以如果在不进行容量优化的情况下使用该系统，则经济成本太高。所以优化补偿容量对RPQMS的发展具有很重要的意义。

本发明所涉及的方法通过利用RPQMS的拓扑结构为依据所推导出的电能质量参数与补偿系数和负载特性之间的数学关系的基础上，建立以RPQMS补偿容量最小为目标函数、电能质量参数为约束条件、补偿系数为决策变量的优化模型，进一步采用蝙蝠算法(Bat algorithm,BA)来求取补偿系数的全局最优解和补偿容量的目标最小值；采用BA算法，能够在全局范围内满足电能质量指标的同时能够减少补偿容量提高经济性。

发明内容

本发明通过利用RPQMS的拓扑结构为依据所推导出的电能质量参数与补偿系数和负载特性之间的数学关系的基础上，建立以RPQMS补偿容量最小为目标函数、电能质量参数为约束条件、补偿系数为决策变量的优化模型，进一步采用蝙蝠算法(Bat algorithm,BA)来求取补偿系数的全局最优解和补偿容量的目标最小值。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

(1)收集电气化铁路牵引负荷接入后的初始数据，包括系统短路容量、变压器连接组标号、变压器额定容量、变压器电压比、RPQMS容量、串联等效阻抗、直流电压、直流电容、开关频率等原始数据集；

(2)基于原始数据集，根据V/v-RPQMS系统的拓扑结构及其相量关系推导出的数学关系，建立容量优化模型；

(3)基于以上建立的容量优化模型，利用BA算法对该模型进行计算，求取补偿系数的全局最优解和补偿容量的目标最小值；

(4)分析将变压器二次侧两相接入不同负荷时网络各参数的情况。

在步骤(1)中，原始数据集的构造应包括：

系统短路容量、变压器连接组标号、变压器额定容量、变压器电压比、RPQMS容量、串联等效阻抗、直流电压、直流电容、开关频率等。

在步骤(2)中，基于原始数据集，根据V/v-RPQMS系统的拓扑结构及其相量关系推导出的数学关系，建立容量优化模型，具体如下：

①基波优化补偿：假设变压器二次侧两相之间转移的基波有功电流分量为ΔI_p，变压器二次侧两相端口电流从i_a10和i_a20变为i_a1和i_a2，计算

于是基波补偿功率为

则总的基波补偿功率为

②谐波优化补偿：根据国际GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定，只要将公共连接点比较严重的3次、5次、7次和9次谐波电流补偿到满足国际要求，其他次谐波完全补偿，就可以减少RPQMS的补偿容量。

谐波优化补偿需要的补偿功率为

其中，I_a1Lh、I_a2Lh和I′_a1Lh和I′_a2Lh分别为变压器二次侧a1、a2相牵引负荷产生的补偿前后的各次谐波电流。

则总的谐波补偿功率为

③负序电流与电压不平衡度：

其中，ε^*为电压不平衡度给定值，S_K为公共连接点三相短路容量(MVA)；且0≤φ_A≤π/6，0≤φ_B≤π/6。