第３２卷第１期

电力自动化设备

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

Ｖ０１．３２Ｎｏ．１

囝２０１２年１月

Ｊａｎ．２０１２

一种无源滤波器的优化设计方法

魏伟１，许胜辉２，孙剑波１

（１．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉４３００７４；

２．武汉职业技术学院电信系，湖北武汉４３００７４）

摘要：在分析传统无源滤波器设计的基础上．提出了基于随机权重的遗传算法来求解无源滤波器参数的方案，从谐波抑制、经济指标、无功功率补偿等多目标综合优化无源滤波器参数，通过编程实现了无源滤波器参数的优化。同时，提出用“滤波效益”指标来衡量谐波抑制的性能。并由滤波性能、经济性和无功补偿三方面．分别对优化设计和传统设计所得到的无源滤波器参数进行了实验对比研究。实验结果验证了无源滤波器多目标参数优化设计的合理性。关键词：多目标：遗传算法：无源滤波器；优化：设计：无功功率：补偿中图分类号：ＴＭ

７１４．１

文献标识码：Ａ文章编号：１００６—６０４７（２０１２）０１—００６２—０５

一

０引言

电力系统的谐波问题．即非线性负载的大量应用给电网带来了严重的谐波污染．由此产生了一系列电能质量的问题．而各种敏感负载对电网的供电质量又提出了更高的要求。无源滤波器（ＰＦ）因结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用低，成为电力系统中最普遍的谐波抑制设备。ＰＦ是目前使用最广泛的谐波治理设备，它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路．从而减小流向电网的谐波电流［１－５１。因此．研究ＰＦ并对其参数进行优化设计具有极其重要的应用价值和现实意义。

１

１．１

铲

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上

（ａ）ＳＴＦ

（ｂ）ＨＰＦ

图１ＰＦ分类

Ｆｉｇ．１ＰＦｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ

其中，∞。为基波角频率。

图２表示的是该阻抗的频率响应曲线。滤波器的谐振频率为

五２斋

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＠）

ＰＦ的原理

ＰＦ的结构与特性

…

磊

尺Ｄ

目前常用的ＰＦ有单调谐滤波器ＳＴＦ（ＳｉｎｇｌｅＴｕｎｅｄＦｉｌｔｅｒ）、高通滤波器ＨＰＦ（ＨｉｇｈＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）等，电路结构如图ｌ所示。工程上实用的ＰＦ装置一般由一组或数组ＳＴＦ组成．每组调谐到需要滤除的谐波频率上或者附近．当需要滤除更高频率而幅值又较小的谐波电流时可以再加一组ＨＰＦ［６圳。

Ｊ

图２ＳＴＦ阻抗频率响应

Ｆｉｇ．２Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ｃｕｒｖｅ

ｏｆＳＴＦ

ＳＴＦ品质因数为

Ｑ＝警＝击

（３）

下面分别对２种典型的滤波器——ＳＴＦ与ＨＰＦ

的阻频特性、工作原理进行分析。

调谐滤波器中．实际应用较多的是ＳＴＦ．它是利用电感、电容的串联谐振原理构成的。滤波器对１７，次谐波的阻抗为

，

１

其中，∞。为谐振角频率。则滤波器对／＇ｔ次谐波的阻抗为

磊＝Ｒ［１＋ｊ（半一上ｒｖ．ｏ．ＲＣ）］－’

尺…．ｆ百ｎｗ．Ｑ一等）】＿

尺［１＋ｊＱ（等一告）］－

、

磊＝Ｒ＋ｊ【ｔ／ＺＯｓＺ－而１万）

收稿日期：２０１１一Ｏｌ—０４；修回日期：２０１１—１０一１２基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０８０７０１９）

ｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙ

ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（５０８０７０１９）

（１）

Ｐｒｏｊｅｃｔ

ＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ

Ｒ［１＋ｊＱ卜圳

（４）

万方数据

第ｌ期

魏伟，等：一种无源滤波器的优化设计方法

固

∞。、∞。、仅是确定的，滤波器对于ｎ次谐波的阻抗与其品质因数Ｑ成正比．即Ｑ越大，阻抗越大，其阻抗的频率响应曲线越尖锐，频率选择性越好。由式（４）可见，Ｑ越小，基波阻抗越小，无功补偿能力越强。不能通过减小电阻Ｒ获得较小的Ｑ．因为它决定了对谐振频率谐波的滤波效果．同时电感与电容的乘积不变。因此．一般通过取较大的电容和较小的电感来获得较小的Ｑ。流入电网中的谐波含量与电网对该次谐波阻抗与滤波器阻抗的比值呈反比．因此．滤波器的滤波性能受电网阻抗的影响极大。

ＨＰＦ中，一阶ＨＰＦ由于基波损耗太大．需要的电容也很大，一般不采用：二阶ＨＰＦ的滤波性能最好，结构简单，工程应用较多．但相对于三阶ＨＰＦ而言其基波损耗较大：三阶ＨＰＦ对基波的阻抗较大．基波损耗很小，但滤波性能不够好，实际应用很少：Ｃ型ＨＰＦ的性能介于二阶与三阶之间．存在基波串联谐振支路，可大幅减小基波损耗。有一定应用价值。但它是通过花费较大的投资来换取较小的基波损耗，而且对于基波频率偏差及元件参数变化比较敏感。

二阶ＨＰＦ对ｎ次谐波的阻抗为

磊＝丽１

其阻抗频率响应曲线如图３所示。

４。丽ｊｎｗ．ＬＲ

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