[[alternative]]Optimization design of power harmonic filters using particle swarm algorithm

碩士[[abstract]]本文利用粒子群演算法來設計被動式濾波器，找到最佳調諧點及電容電感值，使系統電流諧波失真率合乎台電所訂之諧波管制標準，改善低壓配電系統的諧波問題。當今有很多領域在研究最佳化問題時採用了仿生物智慧的概念，而粒子群演算法即屬於其中一種較新的技術。粒子群演算法是導源於觀察群體性動物覓食的行為，每隻個體藉由自身的經驗及群體的互動最後得到食物。因此，應用至最佳化問題時，每個粒子都是所求問題的解，經過自身的認知及群體的指引而最後收尋到最佳解。本研究亦考慮建設成本及系統功因提升等成本因素，以達到低成本、高效率的目標。最後以一低壓配電系統為例，並和其它演算法的結果作比較，證實粒子群演算法於抑制諧波效果和成本上優於其它演算法。[[abstract]]This thesis uses Particle Swarm Algorithm to design a passive filter in order to find the turning point and the capacitor value enabling the generated electric harmonics within the limit set by Taiwan Power Company and to improve the harmonic problems of low voltage electric system. Nowadays, many fields take the concept of simulating biological wisdom for doing researches on most optimization problems, and Particle Swarm Optimization is one of the latest technologies. Particle Swarm Optimization is resulted from the observation of birds’ food-seeking behaviors; that is, each bird gets his food by his self-experiences and interactions among the group. Every particle having its own solution to the questions goes through self- recognition and group guide up to the best solution. In addition, this thesis considers the budget of construction and the improvement of power factors to meet the goal of low budget and high efficiency. Finally, for a system of low voltage distribution system, comparison of the results of the proposed method with those of the other method shows that the proposed method indeed suppresses the effects of harmonics better than the other method.[[tableofcontents]]目 錄 第一章 緒論 1.1 研究背景與動機------------------------------------- 1 1.2 文獻回顧------------------------------------------- 2 1.3 論文內容組織簡介----------------------------------- 3 第二章 諧波來源與影響及因應對策------------------------ 4 2.1 前言----------------------------------------------- 4 2.2 諧波概述------------------------------------------- 4 2.2.1 負載分類----------------------------------------- 4 2.2.2 諧波定義----------------------------------------- 4 2.2.3 失真定義----------------------------------------- 8 2.2.4 諧波來源----------------------------------------- 9 2.3 諧波對電力系統的影響-------------------------------11 2.3.1 諧波對電容的影響---------------------------------11 2.3.1.1 並聯共振---------------------------------12 2.3.1.2 串聯共振---------------------------------13 2.3.2 諧波對電力設備之影響-----------------------------14 2.3.2.1 對旋轉電機的影響 ------------------------------15 2.3.2.2 對電力電纜的影響-------------------------------15 2.3.2.3 對計量裝置及開關設備的影響---------------------16 2.3.2.4 對保護電驛的影響-------------------------------16 2.3.2.5 對通訊設備的影響-------------------------------16 2.3.2.6 對變壓器的影響---------------------------------17 2.4 諧波相序-------------------------------------------18 2.5 台電諧波管制標準-----------------------------------19 2.6 諧波解決方案---------------------------------------21 2.6.1 消除諧波的方法 ----------------------------------21 2.6.2 濾波器的種類-------------------------------------22 2.6.2.1 被動式濾波器-----------------------------------23 2.6.2.1.1 單調式濾波器---------------------------------23 2.6.2.1.2 阻尼式濾波器---------------------------------26 2.6.2.2 主動式濾波器-----------------------------------27 2.6.2.2.1 基本原理-------------------------------------27 2.6.2.2.2 基本架構-------------------------------------28 2.6.2.2.3 電路分析-------------------------------------31 第三章 粒子群尋優法------------------------------------33 3.1 簡介-----------------------------------------------33 3.2 演算理論-------------------------------------------33 3.3 演算流程-------------------------------------------37 第四章 諧波濾波器之最佳設計----------------------------39 4.1 實例說明-------------------------------------------39 4.2 最佳設計模式之建立---------------------------------40 4.3 模擬結果-------------------------------------------44 4.4 結果探討-------------------------------------------51 第五章 結論與展望--------------------------------------52 5.1 結論-----------------------------------------------52 5.2未來展望--------------------------------------------52 參 考 文 獻--------------------------------------------53 圖 目 錄 圖2.1 60Hz 的基本波電源波形--------------------------------- 6 圖2.2 含有三次諧波的基本波電源波形-------------------------- 6 圖2.3 含有三、五次諧波的基本波電源波形---------------------- 7 圖2.4 含有三、五、七次諧波的基本波電源波形------------------ 7 圖2.5 說明並聯共振之電力系統單線圖 ------------------------- 12 圖2.6並聯共振之等效電路------------------------------------ 13 圖2.7 說明串聯共振之電力系統單線圖 ------------------------ 14 圖2.8 串聯共振之等效電路 ----------------------------------- 14 圖2.9 高阻抗的LC並聯電路 ----------------------------------- 22 圖2.10 各型被動式濾波器 ------------------------------------ 23 圖2.11 單調式濾波器 ---------------------------------------- 23 圖2.12 單調式濾波器電路其阻抗與諧波頻率之關係 ------------- 24 圖2.13 高通濾波器(High Pass Filter) ----------------------- 26 圖2.14主動式濾波器基本原理 ------------------------------- 28 圖2.15 串聯型主動式濾波器架構圖----------------------------- 28 圖2.16 並聯型主動式濾波器架構圖----------------------------- 29 圖2.17 並聯型主動式濾波器與被動式濾波器並聯使用架構圖------- 29 圖2.18 串聯型主動式濾波器與被動式濾波器並聯使用架構圖------- 30 圖2.19 串聯型主動式濾波器與被動式濾波器串聯使用架構圖------- 30 圖2.20 主動式濾波器基本電路分析----------------------------- 31 圖3.1 PSO第一次隨機產生一組解------------------------------ 34 圖3.2 PSO一次收尋後的位置---------------------------------- 34 圖3.3 PSO二次收尋後的位置---------------------------------- 35 圖3.4 PSO三次收尋後的位置---------------------------------- 35 圖3.5 粒子群演算法流程圖------------------------------------ 38 圖4.1 實測系統單線圖---------------------------------------- 39 圖4.2 利用粒子群演算法設計被動式濾波器流程圖---------------- 43 圖4.3 5次濾波器之調諧點之收斂情形------------------------- 44 圖4.4 5次濾波器之電容量之收斂情形------------------------- 45 圖4.5 5次濾波器之電感量之收斂情形------------------------- 45 圖4.6 投入5次濾波器後各次諧波電流失真率與管制標準之比較--- 46 圖4.7 投入(5次與7次)濾波器後各次諧波失真率與管制標準比較-- 46 表 目 錄 表2.1 各次諧波之相序分類---------------------------- 19 表2.2 用戶注入其責任分界點之諧波電流------------------------ 20 表2.3 用戶責任分界點之諧波電壓------------------------------ 20 表4.1 負載諧波源各級諧波電流值------------------------------ 39 表4.2 以成本函數為目標函數之濾波器效能---------------------- 47 表4.3 以總諧波失真為目標函數之濾波器效能-------------------- 48 表4.4 以成本函數為目標函數之濾波器參數---------------------- 49 表4.5 以總諧波失真為目標函數之濾波器參數------------------- 50[[note]]學號: 791350183, 學年度: 9