无源滤波器的优化设计方法一种

发布时间:2024-11-10

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

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

<L

(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

3"o

@)

PF的原理

PF的结构与特性

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。

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

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

∞。、∞。、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

(5)

一斋

m2雨丁

(7)t7,

由于HPF的滤波特性对频率失谐不是很敏感.且在较宽的频率范围内.其阻抗大致相等.所以对m要求不高。在考虑到无功补偿时.由于HPF对于基波而言呈容性。为了获得一定的无功补偿能力.要求电容较大,则在保证截止频率的条件下要求电阻较小。而较小的电阻可能导致流过它的基波电流k较大,造成基波损耗,;,尺较大。为了使基波损耗较小,就需要使电流k较小。由

船一6usLlcf2南2南

(8)

万方数据

其中,如为HPF总的基波电流,∞H为截止角频率,它与∞。都是常数。所以,为了获得较小的k,必须使m较小。

1.2

PF的一般性设计原则

由于PF是由各种不同形式的滤波器组合而成

的.结构和参数并非唯一.在满足技术要求(谐波治理和无功补偿)的前提下.可有多种不同的设置方案,在工程上往往选择最经济的方案。

综合目前的设计方法和思路.可以得到PF设计的一般性原则.

a.电容C、电感L、电阻R之间的关系满足PF的滤波原理。

b.PF的整体基波等效阻抗满足系统无功补偿的要求。

c.PF的整体阻抗不应与电网阻抗形成串、并联谐振。

d.装设PF后的电网谐波含量低于国家标准.我国的谐波标准规定了各次谐波电压的含量、谐波电压总畸变率和各次谐波电流含量3个指标.其中电压谐波的指标随电压等级不同而不同.电流谐波指标在不同电压等级下还随系统短路容量不同而不同.

e.各组PF谐波容量的计算不仅包含各自滤除的谐波容量.还要加上10%的背景谐波容量[8-9]。系统中谐波源的投入与工作情况是变化的.若不考虑背景谐波,PF容易过载。

f.设计时应保证在正常失谐的情况下PF仍能满足各项技术要求。正常失谐是指系统正常频率漂移、PF参数的温度漂移以及允许的制造误差。我国电力系统的正常频率偏差范围是±0.2Hz.特殊情况下也不得超过±0.5Hz。温度变化时电容值可能变化±2%,制造误差为一5%。+10%.电感的制造误差约为±3%。

g.避免各PF之间的并联谐振。如果存在某种谐波。其频率在2组STF的调谐频率之间.就必须设置该谐波的STF.

PF的优化设计

遗传算法是一种建立在自然选择和遗传机理基

础上的迭代自适应概率性搜索算法.是一种高效地解决非线性数值问题的全局寻优算法。传统的遗传算法一般用来解决单目标、无约束的问题.因此.要解决PF的多目标优化设计,在算法上必须做一定的改进。

在PF装置的结构模型确定之后(如图4所示).可应用综合优化设计PF装置的参数.使它满足各项性能指标要求。

PF装置参数的优化,可以归结为在一些等式及不等式约束条件下,求多目标函数极小值的问题。首

先确定等式约束条件——滤波网络的潮流方程、不

(THD)来表述滤波效果C13]。与THD相比,用滤波效益来表述谐波抑制的效果.计算更简单,更快速,在参数优化迭代计算时,可以提高求解的快速性;谐波源参数往往无法准确估计,THD无法准确求得,但使用滤波效益作为衡量指标,不需各次谐波参数就可很好地表述滤波效果。

2.1

图4PF装置结构图Fig.4PFstructure

PF装置参数优化问题的约束条件

在PF装置设计中17,川.优化问题的等式约束

等式约束条件——谐波电压正弦波形畸变率的限值

以及交流系统无功平衡约束条件;然后,确定年费用、滤波效果、无功补偿效果等多目标的综合函数,建立合理的适应度函数:最终通过基于权系数变化的遗传算法.对多目标综合函数的最小值进行求解,得到优化滤波装置的参数【l¨2|。

条件主要是指滤波网络潮流方程。图4为PF装置的典型结构图。图中.含有2组STF和1组HPF。

第l组STF由C}、L}、肼组成,第2组STF由Cj、£j、R;

组成。上标T代表STF。HPF由C“、R“、LH,ra组成,上标H代表HPF。其中,cb为无功补偿电容器的电容量,磊为系统第n次谐波等值阻抗,以为第n次谐波母线电压,^。,为第凡次谐波电流源。按图4的节点编号.可对考虑的各次谐波分别建立网络方程:

在这里提出了一种新的谐波抑制的指标——滤

波效益。而传统上,常采用电压、电流总谐波畸变率

Ul

000000

现(9)

聃掣+瓒一蹬

一础

一瑶0

其中,‰=K+场+瑁+y。T2+蹭。

式(9)中导纳矩阵中的各元素,可用滤波器各元件参数和谐波次数rt表示,例如

l,&=jn∞(1)Cj

y己=jnto(1)LT

式f9)可以写成下列分块矩阵形式:

Y1100

0Y12O

00YH

Y11。

000

磴+F

蹭。垴0醛o‰

矾以

一路0一堵0

死)

a.装设PF的初期投资最小,即

minF,F=∑(klRi+I|}2Li+I|}3Ci)

i=1

(13)

(10)(11)

其中,kl,k:、k,分别为PF的电阻尼、电感厶、电容Ci(表示第i组滤波器)所对应的单位价格因子(根据PF元件的耐压值和允许流过的最大电流确定,是谐波容量的直接反映),n为PF的组数。

b.在第1.2节PF设计原则b的基础上.要求装

y‰

y胁

(12)

设PF之后.既不能使系统出现无功功率过补偿现象.又要使系统的功率因数尽量接近1.即

max∑Qi,Qm≤∑Q。≤Q。

(14)

y棚ym

y槲l,。Jl以

以)

其中,y盯表示第1组STF的导纳,y‰表示第m列第1组STF的导纳,y12表示第2组STF的导纳,y‰表示第m列第2组STF的导纳,yH表示HPF的导纳,y骱表示第m列HPF的导纳,y椰表示第n行第1组STF的导纳,ym表示第n行第2组STF的导纳,y槲表示第n行HPF的导纳,y。表示第n行第m列滤波器的导纳.

当考虑频偏6时.各导纳元素表达式中的谐波次数,l应换成n(1±6)。对于所考虑的各次谐波,均应建立无频偏、正频偏和负频偏3种情况下对应于式(9)的网络方程。2.2优化目标函数

在PF设计原则的基础上.对PF的参数进行优化设计.需考虑以下问题。

其中,Q。、Q血分别为PF提供的基波无功功率的上限、下限,若∑Qi>p。,则系统出现过补偿。

c.在第1.2节PF设计原则d的基础上.要求装设PF后.使电网谐波含量低于一定的限制,越低越好。为了分析的方便与统一,谐波电压、电流含量均以THD为衡量标准.即

minTHD。,TH阶、/手(等)2一<THD一(15)

厂———。。_

minTHD‘,THD产、/∑(笋)2≤THD妇

(16)

其中,i:2,3,…;THD。、THDi为电压、电流的总畸变率;u。、i。为基波电压和电流;tthj,,t‘崎为第J次谐波电压和

万方数据

电流;THD二、THD岫为电压、电流总畸变率的上限。

因此.PF参数的优化设计问题.就是在满足一定约束条件的情况下。使上述4个最大、最小函数达到协调的满意解的搜索。

2.3

Tab.1

表12种设计方法比较

Comparisonbetweentwomethods

PF装置参数综合优化设计流程

PF装置参数的优化现在已归为一个非线性规

划问题。这里采用一种改进的遗传算法——权系数

变化的遗传算法,来解决多目标优化问题。求解PF装置参数的流程图如图5所示。

参数输入:谐波参数、滤波器参数制

设定进化参数

即群数、交叉率、变异率及进化代数n)

I产牛初始种群权重系数l

}计算种群中个体的适应度1

对第≈代种群进行遗传

操作.产生新一代种群

图5基于权系数变化的遗传算法的PF装置

参数优化流程图

Fig.5FlowchartofPFparameteroptimization

basedonGAwithrandomweights

通常PF参数初始值可采用一般方法设计滤波器所得的计算参数。用权系数变化的遗传算法求得的是近似最优解。由于权系数分配的随机性.每次迭代求得的解是侧重满足系统不同性能指标的Pareto最优解。所以每次求得的解可能不同甚至差别很大,但是多进行几次参数优化计算.尽可能地选择不同的初始群体.一定可以得到PF装置参数的最优解.

实验

针对某变电站谐波治理和无功补偿的要求.采

用上述方法进行了PF参数的多目标优化设计。在变电站的10kV母线处,主要的电流谐波为5、7、11次,需要补偿无功功率.三相电压、电流平均总畸变率分别为3.2%、4.1%。故装设5、7、11次STF和二阶HPF各l组。

本文设计的PF的电感、电容、电阻参数值.以及实验得出的三相电压、电流各次谐波平均畸变率如表1所示。表1还给出了由传统优化设计方法得出的参数值。

显而易见,本文方法设计的PF初期投资比传统方法设计的约低3%,而滤波效果却明显提高.各次谐波电压、电流的畸变率明显下降。加装PF后使功

万方数据

率因数达到了95%以上.实现了无功补偿的目的。显然.基于多目标遗传算法优化设计的PF对各次谐波的抑制效果优于传统优化设计.

实验得到投入PF前后系统的A相负荷电流和母线电压波形曲线.分别如图6所示,即负荷电压、电流和补偿后的电压、电流的波形。从滤波前、后的波形看.本文设计的PF滤波效果十分明显。充分说明本文优化设计的PF均能有效地工作.有着良好的抑制谐波的能力。

t:10Ills/div

瑟(a)负荷电流波形

瑟豢

t:5ms/div

(b)补偿后电流波形

t:2.5ms/div

(c)母线电压波形

..i…i…;

攀巨

t:5ms/div

(d)补偿后电压波形

图6投入PF前后系统的负荷电流和母线电压波形

Fig.6Waveformsofloadcurrentandbus

voltage

withandwitlloutPF

结语

本文分析了PF的基本结构及影响滤波性能的

相关参数。针对PF参数设计的多目标优化的特点.为达到谐波抑制、投资最小、系统功率因数接近1等综合优化目标.采用了基于多目标遗传算法求解PF参数最优解。通过实验。对传统设计和优化设计得到的PF参数进行了对比研究。实验结果表明.多目标优化方法求得的PF参数具有良好的谐波抑制和经济性.并且兼顾无功功率补偿。从而验证了PF多目标优化方法的优越性和合理性.

4002]31[

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作者简介:

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魏伟(1956--),男,湖北武汉人,高级工程师,主要从事电力*Eft"装置、电机控制技术等应用研究(E.mail:jie_wei8532@163.

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Optimaldesignofpassivefilter

WEIWeP,XUShenghui2,SUNJianb01

(1.SchoolofElectrical&ElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,

Wuhan430074,China;2.DepartmentofTelecomEngineering,WuhanInstituteofTechnology,

Wuhan430074,China)

Abstract:ThedesignoftraditionalPF(Passivealgorithm

withrandomin

weights

is

Filter)isanalyzedand

index,reactive

suppression

an

optimalschemebased

on

genetic

proposed,whichcomprehensiVely

objectives

benefit”iscarried

out

harmonics

to

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the

harmonic

PFparameterswithmultiple

compensation,etc.Theindicatorof‘‘filter

optimizes

and

comparison

are

provided

performance.Experiments

traditionalmethod

and

betweenthe

parametersrespectivelydesignedby

theproposed

method,

whichshowstherationalityofoptimaldesign.Key

words:multi—objective;genetic

algorithm;passive

filters;optimization;design;reactivepower;

compensation

万方数据

一种无源滤波器的优化设计方法

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

魏伟, 许胜辉, 孙剑波, WEI Wei, XU Shenghui, SUN Jianbo

魏伟,孙剑波,WEI Wei,SUN Jianbo(华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉,430074), 许胜辉,XUShenghui(武汉职业技术学院电信系,湖北武汉,430074)电力自动化设备

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