LPG炊事向电炊事替代对印度低压配电网的谐波影响及混合GWO–DE调谐有源滤波器缓解策略

《Scientific Reports》：Harmonic impact of LPG-to-electric cooking substitution on Indian low-voltage networks and a hybrid GWO–DE tuned active-filter mitigation

　　摘要霍尔木兹海峡是印度进口液化石油气（LPG）绝大部分所经的通道，若该海峡的LPG供应受到限制，将推动居民烹饪燃料由LPG向电气替代方案转移。本研究通过基于情景的仿真分析，评估了此类燃料替代所引发的低压（LV）配电网侧电能质量问题。供应受限情景被明确作为一种"假设推演"（what-if）构造而非已发生事件来设定：霍尔木兹通道LPG进口占比假定由90%下降至35%，国内产量提高25%，而由此产生的消费者替代行为则通过"采用比例"参数刻画，并在其全范围内进行扫描，而非进行预测。研究假定相当比例的用户将转向电磁炉、电磁烤箱以及由交流电可控硅（TRIAC）控制的红外（IR）加热器，这些设备在其公共连接点（PCC）均具有固有的非线性特性。设备级谐波特征取自在印度零售市场上购买的五台商用样机的实验室测量数据，实测平均电流总谐波畸变率（THD）分别为：电磁炉78.4%、电磁烤箱71.2%、TRIAC控制红外灶具64.8%；电磁炉的三次、五次、七次谐波分别占基波的62%、41%和28%。研究建模了一个典型的印度低压四线制415/240 V馈线，由一台250 kVA、11/0.415 kV变压器供电，服务240户家庭；分析采用三相四线不平衡潮流计算方法，并显式表征中性线与地回路，从而捕捉印度居民馈线典型的随机单相接入特征，而非将其加以简化假设。对采用比例从η = 0.1到η = 0.8的范围，按每个采用比例开展500次蒙特卡洛渗透率扫描。在不平衡计算框架下，PCC电压总谐波畸变率由基线水平3.1%升至η = 0.6时的12.9%；馈线电流THD由14.2%升至58.7%；中性线电流由0.11倍升至1.87倍各相均方根平均电流，这是零序三次谐波放大效应与基波频率相不平衡共同作用的结果；变压器K因子由1.18升至5.43，后者使变压器有效容量降至铭牌容量的约79%。研究提出了一种采用灰狼优化器–差分进化（GWO–DE）混合算法整定参数的并联有源电力滤波器（SAPF）作为治理方案。该方案可将PCC电压THD恢复至2.6%，馈线电流THD恢复至5.6%，中性线电流降至0.47倍各相平均电流，K因子恢复至1.62，直流母线电压纹波为1.8%，稳定时间为21.4 ms。在与四种近期元启发式算法（WOA、AOA、GTO和RIME）在相同目标函数评估预算下对比评估时，所提混合算法取得了最低的优化目标最优值及最少的收敛迭代次数。控制器整定参数已在控制器硬件在环（CHIL）平台及5 kVA实验室原型上完成验证，其电压THD指标与仿真结果偏差在0.4个百分点以内。混合优化算法收敛迭代次数为43次，而单用GWO、DE和PSO分别为78次、69次和92次，最优目标函数值为0.097。综合SAPF逆变器的导通损耗与开关损耗、待机能耗及年度维护费用的全寿命周期经济性评估显示，投资回收期约为6.8至9.1年。上述研究结果量化了电气化烹饪快速替代所带来的配电网侧电能质量风险暴露，并为配电公用企业提供了相应的治理策略。