（电力系统及其自动化专业论文）基于实测数据的多运行方式电力滤波器优化设计.pdf

华，i 匕电力大学硕+ 学位论文摘要 摘要 无源滤波器由于其结构简单、维护方便、造价低廉等优点成为目前普遍采用的 一种滤波手段。由于以往的滤波器参数优化只是在系统某时刻某种运行方式下进行 的，当系统参数发生变化后，滤波器将很难再达到最佳的效果，因此缺乏通用性。 针对以上现象，本文以滤波器的电容量为自变量，综合考虑电容器安装容量、无功 补偿和滤波效果，充分利用改进遗传算法的自动寻优功能，提出了多运行方式下滤 波器参数优化设计的新方法。同时为了方便用户，本文的结果除给出电容、电感、 电阻值外还给出了电容器的电容量、电抗率和品质因数。同时用v b 语言编写出了 相应的程序，并通过某变电站的实测数据验证了该方法的实用性。 关键词：滤波器，多运行方式，改进遗传算法，自动寻优，实测数据 a b s t r a c t p a s s i v ef i l t e rb e c a u s eo fi t ss i m p l es t m c t u r e ，e a s ym a i n t e n a n c e ，a i l dl o wc o s ti ss t i l l c o m m o n l yu s e dm e a n so ff i l t e r j u s tp a s tt h ef i l t e rd e s i g no n l yf o rac e r t a i nt i m eo ra c e r t a i nk i n do fs y s t e mo p e r a t i o nm o d e ，h o w e v e r w h e nt h ep a r 锄e t e r sc h a n g e d ，f i l t e r s w i l lb ev e 巧d i m c u l tt oa c h i e v et l l eb e s tr e s u l t s ，l a c ko fv e r s a t i l i t y s of i l t e rc a p a c i t a n c e i sr e g a r da sv a r i a b l e si nt h i sp a p e r ，c o n s i d e r i n gt h ec a p a c i t o ri n s t a l l a t i o nc 印a c i t y 、 r e a c t i v e c o m p e n s a t i o na n dt h ee 行e c t o ft h ef i l t e r ，t a k ea d v a n t a g eo fa u t o m a t i c a l l y o p t i m i z a t i o nf h n c t i o no fi m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m b a s e do nt h er e s u l t s ，t h ep a p e r g a v et h em e t h o do ft h ef i l t e rp a r a m e t e r sd e s i g ni nm u l t i m o d eo p e r a t i o n m e a n w h i l e ，i n o r d e rt 0f a c i l i t a t eu s e r si na d d i t i o nt ot h er e s u l t sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a p a c i t a n c e ， i n d u c t a n c e ，r e s i s t a n c ev a l u e so ft h ec a p a c i t o r sa l s og i v e ne l e c t r i cc a p a c i t y ，r e a c t a n c er a t e a n dq u a l i t yf a c t o r a n dc o m p i l e st h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e d u r ew i t ht h ev bl a n g u a g e ， a n dh a sc o n f i 姗e dt h em e t h o du s a _ b i l i t yt h r o u g hat r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n sm e a s u r e d d a t a z h a oh a i - z h o u ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g k e yw o r d s ：f i l t e r ， m u l t i p l eo p e r a t i o nc o n d i t i o n ，i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ， a u t o m a t i co p t i m i z a t i o n ，m e a s u r ed a t a 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于实测数据的多运行方式电力 滤波器优化设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：赵鸽趔! 日期：丝z 122 ：r 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：赵绉丛：1 日 期：2 复皇 出廖 导师签名： 日期： 边! 殇 弓雄旷 华北电力人学硕士学位论文 1 1 选题背景和研究意义 第一章引言 一个理想的电力系统和供电系统中，电能是以单一恒定的工业频率( 5 0 h z 或 6 0 h z ) 和规定的电压水平向用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流 应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 0 的对称状态。然而，实际上，一方面由于系统 各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性和对称的，负荷性质各异 且随机变化；另一方面随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业部门及家庭中的广泛应用，在居民的常用家电中，大部分电器设备都会产 生相当数量的谐波电压和谐波电流，如冰箱、空调、洗衣机、排油烟机、日光灯等， 因此这种理想状态在实际中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中 各种各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念【1 2 】。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电，它包括频率、供电持续性、电压稳 定和电压波形【i 捌。关于电能质量问题还存在许多分歧和争论，主要表现在电能质量 问题发生的原因与责任上，供用电双方从认识和看法上往往存在很大的不同。例如， 配电系统普遍采用和经常遇到的电容投切操作，有可能引起暂态过电压而损坏用户 设备，也可能造成用户设备掉电，为此用电方会简单抱怨供电质量太差，以至于投 诉。又如，当电网某处发生短路故障，很可能在一些负荷公共连接点( p c c ) 出现不 同程度的短时电压凹陷，其结果造成某工厂的变频驱动装置掉电。由于目前电力部 门还缺少对类似现象的检测记录与统计，供电方可能会认为对该工厂的电力供应是 正常的。再如，由于用户电气设备硬件老化、软件不成熟或控制系统不可预知的错 误动作等等，可能会引起故障而使电能质量受到影响【3 4 】。美国乔治动力公司曾组织 和实施了一项对电力部门和供电部门关于电能质量问题起因的测验调查。虽然对电 力市场的质量调查还存在分类方法上的不同，但是调查数据清楚表明，电力公司和 电力用户对电能质量问题起因的看法有很大的分歧。尽管双方都把三分之二的事件 起因归咎于自然现象( 如雷电等) ，但用户仍然认为电力公司在这方面应付的责任比 起自我评测结果大的多。从中也可看到，引起电能质量问题的原因有时是多方面的， 因此不能简单地把某一事件只用一种特殊的起因联系起来们。 近年来，谐波问题日益严重，严重影响了供电的质量，对电力系统的安全经济 运行造成严重危害。发达国家十分重视对电能质量的分析、监测与治理，因此谐波 治理也就越来越被人们所重视。随着我国国民经济的发展，谐波对电力系统的危害 和影响也日渐突出。相关部门对谐波问题的重视也有了很大程度的增加。 华北电力人学硕士学位论文 目前电力谐波的治理主要有：无源滤波器，有源滤波器以及混合滤波器。其中 无源滤波器( p f ) 由于其成本相对低廉而被广泛应用于电网滤波，但传统的p f 易与电 网阻抗之间发生串、并联谐振，加之电网电抗、频率扰动以及滤波装置投切瞬间浪 涌电流的作用，极可能使电网中谐波放大，造成某次滤波通道烧毁、甚至整个滤波 装置自身难以投切的严重后果。但相对于近些年出现的有源滤波器等新型滤波装置 而言，无源滤波器成本相对较低、容量大，功能易于实现，故在我国各大工矿企业 仍有较多应用。尤其是在解决大功率设备滤波时，由于有源滤波器受容量及投资限 制，一般都采用无源滤波器与有源滤波器相结合的混合式滤波装置。因此研究无源 滤波器，尤其是改造那些投产较早、滤波效果欠佳的无源滤波装置对于节省企业资 金、提高大功率用电设备的工作效率具有重要意义。如何更好的解决上述问题或者 避免上述问题的发生是无源滤波装置今后能否大量改善电网质量、节约电能以及节 省国家和用户的用电开支的关键。无源滤波器一般由l c 元件构成串联谐振回路，以 滤去电网中的主要谐波电流，使电网的谐波电压、谐波电流达到要求的范围。在无 源滤波器的设计中，对l c 元件参数的优化是关键，同时在有源与无源滤波器相结合 的混合式滤波器中，为了降低有源滤波器的安装容量，同样存在着对l c 参数的优化 问题。如何更好的优化滤波器参数，对谐波治理具有重要的现实意义【3 1 5 1 6 2 3 】，。 1 2 国内外发展动态 国际上电力系统谐波问题的研究起源于2 0 世纪5 0 、6 0 年代，7 0 年代以后，电力 电子技术迅速发展，谐波问题日益严重，引起了世界各国的高度重视。 7 0 年代s 嬲a k i h 和m a c h i d e t 等人提出的用磁补偿消除谐波的方法。进入2 0 世纪8 0 年代，由于新型电力半导体器件的出现，p w m 技术的发展，以及基于瞬时无功功率 理论的谐波电流检测法的提出，电力滤波的有源方法成为电力电子领域的研究热 点，并得到迅速的发展。1 9 8 6 年，a k a 百h 提出用并联有源滤波器消除谐波的方法， 但并联有源滤波器( a p f ) 的安装容量受开关容量的限制，且成本较高。2 0 世纪9 0 年 代以后，出现了有源滤波器和无源滤波器的综合方案。1 9 9 0 年，f u j i th 等人提出了 将a p f 和p p f 相串联后与电网并联的混合型方案。1 9 9 4 年，a k a 百h 等人提出了一种综 合了串联a p f l 和串联a p f 2 的混合型滤波器。1 9 9 6 年以后j o h a n h r 等人进一步发展 了这一理论i 坦。6 1 。而在先进的混合型滤波系统中，无源滤波器也起着十分重要的作 用，分担大部分谐波和无功补偿工作；有源部分则是起着谐波补偿的作用。因此， 无源滤波器的参数设计是关系滤波装置能否有效滤波的关键。 在人工智能技术应用于电力系统无功补偿和谐波抑制的研究中，模糊控制技术 的使用要相对多一些，如t h i y a m a ，h k i h a m a 及m m i s h i r o 等人自1 9 9 1 年以来发 表的一系列文章阐述了模糊控制在s v c 中的应用，从实时性、鲁棒性等诸多方面论 2 华北电力大学硕士学位论文 证其可行性【2 5 ，2 7 1 。 我国对谐波问题的研究起步较晚，大约始于2 0 世纪8 0 年代。目前理论研究水平 和应用水平与国外相比还有很大的差距。原电力部教授级高工吴竞昌等人于1 9 8 8 年 出版的电力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作；西安交通大学 电气工程学院夏道止教授对电力系统含有多个谐波源时谐波电流和谐波电压分布 情况方面的研究在国内外产生了深远的影响；近年来，西安交通大学王兆安教授、 华北电力大学肖湘宁教授、重庆大学王群博士等人针对电力系统谐波抑制和无功补 偿问题也发表了大量的论文，认识到了在该领域上使用人工智能方法的重要性、必 要性和有效性【1 6 l 引。 国内在无源滤波器参数优化方面，在8 0 年代到9 0 年代中期一般都是根据工程经 验或简单的技术经济指标来选择参数，没有进行优化设计。9 0 年代后期开始进行优 化设计，主要有如下的几种优化设计方案： ( 1 ) 模拟退火法( s a )是通过模拟融熔金属的物理退火性质，采用了随机搜索 迭代的优化过程，是寻找全局最优解的一种方法，理论证明它有良好的收敛性。s a 算法是从融熔金属物质的物理冷却过程和优化过程间的相似性推导而来的。融熔物 质在退火过程中，其内能依赖于粒子所处的状态。金属在冷却过程中，其粒子依概 率c x p ( ( e ，一互) 灯) 从状态f 跃入具有较高能量的状态，其中鬈、e ，是在状态f 、j 下的内能，k 为玻耳兹曼常数，t 为绝对温度。显然，随着温度的降低，粒子跃入高 能状态的概率减小，直到最后内能单调的下降。若把解空间的任一组合状态x i 看成 物质体系所处的状态f ，把目标函数看成此状态的内能，并用控制参数类比温度， 即可用s a 算法解决在多谐波源条件下搜索网络中谐波污染最严重点的问题，从而为 滤波器提供优化的条件。 模拟退火法最重要的特点是允许从某个概率接受变坏的状态作为当前解，因 此，理论上该算法有机会跳出局部极小解，并且随着迭代的进行，这个接受概率逐 步减小，最终会得到稳定解。但是，s a 算法每一步迭代只是随机的搜索一点，计算 量非常大，收敛速度慢。因此采用模拟退火优化技术必须对算法进行改进，以便加 快运算速度，使运算时间达到可以接受的程度。并且，采用的模拟退火优化方法中， 对约束可行性的判断减少了个体的多样性，使得具有潜在能力的个体过早的被淘 汰，且可选择的参数过多，可能出现滤波器配置不合理的问题。 ( 2 ) 遗传算法( g a ) 源于达尔文的进化论，设想在特定的环境下的一群个体， 由于环境限制，只有适应性强的个体可以生存，将优良性状遗传，而弱者被淘汰。 g a 作为一种搜索和自适应优化的方法，其算法在每次迭代中有各种各样的条件和变 量，迭代次数称为遗传代数，变量的数目称为染色体域。在同一代中，每个中间点 3 华北电力大学硕士学位论文 都能交换信息，染色体越大，收敛于全局最优解的可能性越大，与常规的优化问题 单途径搜索的运筹学方法和牛顿法相比，g a 能搜索到全局最优值。但要达到真正的 最优解，单靠遗传算法是很难完成任务的。因此，将遗传算法与其他算法相结合的 混合算法已成为遗传算法发展的趋势。由于遗传算法的结构是丌放式的，与问题本 身无关，所以它很容易和其他算法综合。具体有如下几种： ( 1 ) 模拟退火算法和遗传算法相结合( h y b r i ds i m u l a t e da n n e a l i n ga n dg e n e t i c a l g o r i t h m h s a g a ) 。 ( 2 ) 模糊集理论( f u z z ys e tt h e o r y f s t ) 与遗传算法相结合。 ( 3 ) t a b u 算法与遗传算法相结合。 ( 4 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k - 一a n n ) 与遗传算法相结合。 ( 5 ) 专家系统( e x p e r ts y s t e m s e s ) 与遗传算法相结合。 ( 6 ) 线性规划与遗传算法相结合4 1 7 ，2 1 1 。 尽管世界各国科学家和工程技术人员在电力系统谐波抑制和无功功率补偿方 面的研究取得了一定成绩，但有待于解决的理论和实践问题仍然很多。如：谐波电 压和谐波电流变化时，如何对其进行准确快速测量；电力系统存在多个谐波源时， 谐波扩散分布的问题；电力系统瞬时畸变和闪变问题；为了实用化，有源电力滤波 器在容量、成本、可靠性、运行费用等方面存在的问题。 1 3 谐波问题概述 1 3 1 谐波产生的原因及危害 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。参照国际 电工委员会( i e c ) 标准规定，将谐波按其波动性质分为以下几类：准稳态( 慢变化) 谐波；波动谐波；快速变化的谐波；间谐波( i n t e r h a m o n i c ) 和其它虚拟成分。 目前，在现代工业中，电力系统波形畸变主要来源于两大因素。第一，r ，l ， c 元件的非线性。当正弦电压加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦 电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。当然，非正弦电压加在 线性电路上时电流亦是非正弦波。第二，大量使用的电力电子装置会带来波形的畸 变。配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备 不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性等用电特性对用电质量造成了严 重污染；随着非线性用电设备越来越多，所产生的高速谐波电流大量注入电网，使 电网电压正弦波形产生畸变，电能质量下降【1 1 0 ，1 9 ，2 3 1 。 谐波源一般有下面几类： 4 华北电力大学硕十学位论文 ( 1 ) 发电机等旋转设备 主要是旋转设备结构设计上的问题而产生谐波，如锯齿波，包括铁芯饱和造成 的低次谐波。但由于这类设备产生的谐波量少以及技术设计水平在不断提高，己逐 步有所改善。 ( 2 ) 变压器 变压器和饱和电抗器产生的高次谐波是铁芯饱和造成的，一般产生的是三次和 五次谐波，数量最多的是三次谐波。 ( 3 ) 各种可控硅整流负荷，以电动机为代表的单相整流装置，产生大量的三次谐 波。 ( 4 ) 钢铁工业用的电弧炉，化学工业用的电石炉等各种电炉负荷。 ( 5 ) 电视机、除尘器、空调等低压负荷。 ( 6 ) 随着机器操作而出现的瞬变现象。 谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非线 性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能，并将其中一部分工频能转换为 各次谐波能量向系统回送的过程。 高次谐波是电力系统的一种“污染 ，目前，它日益成为电力系统运行中的严 重问题。 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系统环境造成了严重污染，影响 到整个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户，而且谐波污染影响的 范围大、距离远，可能比一个工厂对大气环境的污染距离还要远、范围还要大。谐 波污染对电力电网的危害是严重的，初步归纳起来主要有： ( 1 ) 对旋转电机( 发电机和电动机) 产生附加功率损耗和发热、产生脉动转矩 噪声。此外由整流器供电的电机可引起明显的电压畸变。 ( 2 ) 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负 荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。国内外在这 方面的教训是深刻的，国内许多电力系统和用户系统内部都发生过无功补偿电容器 组无法投入运行，大批电容器损坏的事故。 ( 3 ) 对供电网和导线的影响，增加供电网的损耗。当发生谐振或放大现象时， 损耗更加严重。 ( 4 ) 对断路器和熔断器的影响。电流波形的畸变明显影响断路器短路容量，当 5 华北电力大学硕士学位论文 存在负荷电流畸变时，在过零点时可能造成高的4 z ，比电流为正弦波时开断更严 重，而且由于开断时问的延长而使得故障电流切除时间也延长了，因而造成快速重 合闸后的再燃( r e s i g n a t i o n ) 。熔断器是由于发热而熔断的，它们对谐波过流集肤效应 引起的发热很敏感。 ( 5 ) 对变压器的影响。负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗是产生附加发 热，降低其带负荷能力。其他如变压器电感与系统电容之间，可能在谐波频率点发 生谐振和温度周期变化，引起机械绝缘应力及铁芯振动，产生附加损耗使变压器降 低了带负荷的能力。 ( 6 ) 谐波畸变对电子设备的主要影响表现在以下三个方面： a ) 谐波畸变会产生多个过零问题，这种多个过零会破坏设备的运行，最明显的 是数字时钟，任何应用过零原理的同步元件都应考虑这种影响。半导体器件经常在 电压过零时投入，以降低电磁干扰和涌流，多次过零会改变器件投入时间，破坏设 备运行。 b ) 电力电子电源使用波形的峰值以维持滤波电容器的全充电。谐波畸变可提高 或削平波峰的峰值，其结果是即使均方根的输入电压是正常的，电力电源将运行在 高的或低的输入电压下，严重时设备运行可能遭到破坏。 c ) 电压陷波也会破坏电子设备的运行，电压陷波不过零但影响对过零敏感的设 备。 ( 7 ) 对照明的影响。电压畸变对白炽灯寿命有一定影响，如运行电压的均方根 值由于谐波畸变而高于额定值时，灯丝温度升高而降低灯泡寿命。 ( 8 ) 对继电保护和自动控制装置产生干扰，造成误动或拒动。尤其是一些衰减 时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值较大，谐波含 量也很大，更容易引起继电保护的误动作。 ( 9 ) 对仪表和电能计量的影响。现代指示均方根的电压表和电流表相对的不受 波形畸变的影响。受谐波影响较大的计量电能的感应型电能表，其误差与频率特性 和非线性度造成的误差有关。 ( 1 0 ) 对通信的干扰。谐波通过电磁和静电感应干扰音频通讯。通常2 0 0 5 0 0 0 0 h z 的谐波引起通讯噪声，降低通信质量：而千赫兹以上的谐波会导致电话回路控制信 号的误动，使信息丢失，通信系统无法正常工作。 由于谐波危害十分严重，2 0 世纪九十年代初期以来国内外许多学者都开始进行 谐波补偿方法与装置的研究【1 2 2 ，2 3 1 。 6 华北电力大学硕十学位论文 1 3 2 谐波研究现状及意义 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已奠定了良 好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。 谐波问题是电能质量问题的一个重要方面，对电力系统谐波问题的研究由来已 久。早在2 0 世纪2 0 3 0 年代，德国科学家就已经提出了静止换流器( 汞弧换流器) 所产生的波形畸变问题。到2 0 世纪5 0 6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展， 对换流器( 晶闸管阀) 谐波问题的研究有大量文章发表。7 0 年代以来，一方面，由 于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中 的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。另一方面，随着社会对电能质量 的要求越来越高，人们对谐波问题的重视程度也越来越高，仅次于对频率偏移和电 压偏移的重视。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，目前，不少国家已先 后制定出适合本国国情的限制电力系统谐波的标准。 我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。近年来，随着电力系统谐波产生的影响 越来越大以及人们对谐波的认识越来越深，对电力系统谐波的研究也就越来越广 泛，涉及到了很多方面，并同时做了很多细致而深入的工作。国内外有关谐波的文 献也逐渐增多，其研究内容主要包括：畸变波形的分析方法、谐波潮流分析、谐波 阻抗的计算方法、谐波源分析、谐波测量及各种谐波电流量的测量方法及手段、谐 波补偿和抑制、谐波测量标准等问题。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输 和利用效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命降 低，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波 含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使 电能计量出现混乱。对电力系统外部，谐波会对通信设备和电子设备产生严重干扰。 其次，谐波研究的意义还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技 术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同远动控制将和计算机 技术一起成为本世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已 成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。它迫使电力电子研究领域的人员必须对谐 波问题进行更为有效的研究。 最后，谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度 来认识，对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色电力电子 的主要标志之一。 在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子 的呼声也日益高涨。目前，对地 7 华北电力大学硕士学位论文 球环境的保护已成为全人类的共识。对电力系统谐波的治理也已成为电工技术界所 必须解决的问题8 ，1 9 2 2 2 3 1 。 1 4 本文主要工作 在滤波器的优化设计中，对其元件参数的优化问题是关键部分，以往的滤波器 参数优化只是在系统某时刻某种运行方式下进行的，然而电网的运行方式是在不断 变化的，当其发生改变后，滤波器将很难再达到最佳的效果，因此缺乏通用性。 针对以上现象，本文所作的主要工作如下： 1 对传统遗传算法进行改进，克服了传统遗传算法中的一些不足和缺点。 2 综合考虑滤波器安装容量、无功补偿容量以及滤波效果，建立滤波器优化 问题的数学模型。 3 根据建立的数学模型，提出多运行方式下滤波器参数优化设计的方法，并 用v b 语言编写相应程序。 4 利用某变电站的实测数据对所提的方法进行验证。 8 华北电力人学硕士学位论文 第二章滤波器的设计准则和方法 2 1 滤波器的发展和历史 目前技术上解决谐波污染问题的思路通常有两条：一条是电力电子装置本身的 改进，降低其谐波的产生，使功率因数控制为l ，这种思路通常用于中小功率装置 或系统中比较集中的谐波源：另一条思路就是加装滤波装置。 方法一电力电子装置的改造 对电力电子装置改造是从源头上减小系统中的谐波污染。在我国实行3 c 认证以 来主要针对中小功率电力电子装置的谐波进行治理、改造。这些小容量整流器为了 实现低谐波和高功率因数，通常采用不控整流桥后增加二极管和单极开关，工作在 p w m 斩波的方式，这种电路即有源功率因数校正器。它近年在开关电源中已广泛应 用，对减少家用电器和办公用品的谐波有重要的意义。大容量变流器减少谐波的主 要方法是采用多重化技术，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到 接近正弦波的梯形波。重数越多，波形越接近正弦波，电路结构也越复杂。因此这 种方法一般只用于大容量场合。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用 p w m 整流技术。使用p w m 整流器替代现有变频器的前端三相整流桥就构成了四象 限交流调速用变流器，不但保持现有变频器输出电流、电压为正弦波的特性，它的 电网输入电流也是正弦波，而且能够实现能量的双向流动。它现阶段的问题就在于 成本高，控制复杂。对于不需能量双向流动的场合，在现有变频器前端装设三相有 源功率因数校正器也能很好的抑制变频器产生的谐波，并提高其功率因数，但大功 率的三相有源功率因数校正器技术尚不够成熟，应用范围不广。 方法二滤波及补偿装置 谐波补偿装置传统的方式有l c 调谐滤波器，它利用电容、电感在谐波频率点发 生谐振，提供谐波入地的低阻通路，使谐波导入大地脱离电网。它工作在基波时呈 容性，能够同时补偿电网中感性无功功率，具有结构简单、技术成熟、成本低、功 率容量大的特点，被广泛运用。但它缺点也较多：受电网阻抗和运行状态影响大， 易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，甚至过载烧毁：它也只能补偿固定频率的 谐波，当所需补偿谐波较多时需装置多组滤波器，既增加了成本也降低了可靠性： 当电网容量大，阻抗小时为保证补偿效果需要滤波器有很高的品质因数：而当基波 频率有波动时，滤波器补偿效果不理想。 随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波方向逐步转向有源滤波器。早在 1 9 7 1 年日本h l s a s a k i 和t 1 m a c h i d a 首先提出有源补偿装置的原始模型，由于当时是采 9 华北电力大学硕十学位论文 用线性放大器来抑制谐波电流，效率低，因此在实际电力系统中并无实用价值。之 后于1 9 7 6 年，美国西屋电气公司的g y u g y 等提出了采用p w m 变流器构成的电力有源 滤波器，并确立了有源补偿抑制无功与高次谐波的概念。这些采用p w m 变流器构成 的电力谐波抑制装置已成为当今有源滤波器基本结构。然而，在7 0 年代由于缺少大 功率快速器件，因此对电力有源滤波器的研究，几乎没有超出实验室的范围。进入 8 0 年代以来，随着大功率晶体管( g r t ) 、大功率门极可关断晶闸管( g t o 和静电感应 闸管s i t ) 等器件的快速发展，电力有源滤波器的研究开始活跃起来，并且正朝着实 用化的方向发展。在发展过程中取得的有代表意义的成果有：1 9 8 3 年日本长岗科技 大学的h 1 a k a 西等提出的瞬时无功理论，这一理论为电压型有源滤波器的控制提供 了一个谐波补偿电流的基本算法，并研制出7 k v a 的瞬时无功和高次谐波补偿器。采 用4 个三相p w m 电压型四象限变流器四重联接，以提高系统的工作频率。用于补偿 2 0 k v a 三相整流器在交流侧所产生的高次谐波和无功电流，补偿效果较好，证明了 有源高次谐波补偿器的可行性和实用性。 其后，1 9 8 5 年秦野章彦等研制的2 4 0 k v a 专用于抑制高次谐波的有源滤波器已投 入到6 1 6 k v 的电系统中运行，该装置可以对2 1 3 次的谐波进行补偿，其补偿率都在 8 0 以上。再后的1 9 8 6 年，日本k a z u n 撕k o m a t r s u 西等研制了一套用于三相整流补偿 容量为1 5 k v a 的两重型有源滤波器，可以补偿1 9 次以下的高次谐波，补偿率达9 0 以 上。以上成果表明，有源型无功与高次谐波补偿装置已进入工业试验阶段。有源补 偿器的控制系统大致可分为模拟控制和微机控制。模拟控制中目前占主导地位的日 本长岗科技大学的h l a k a 西等提出的瞬时无功补偿理论，这一理论为无功与高次谐 波补偿理论提供了基本依据。这一理论是建立在三相电压、电流平衡的基础上，根 据功率相等的原则，把三相电压、电流变换到两相正交轴系，在正交轴系中区分为 实功和虚功两个分量，实功和虚功的脉动部分对应着谐波功率，虚功的恒定部分对 应着无功。由电流与功率的对应关系可以计算出两相系统的无功和谐波电流，并以 此作为补偿器的输出电流指令。再将输出电流指令由正交轴系变换到三相轴系，即 可得到有源补偿器输出指令，从而控制电压型有源补偿器。基于瞬时无功补偿理论 所研制的控制系统多采用模拟器件组成，这类控制系统的特点是跟随速度快，适用 于无功和谐波快速变化负荷的补偿。微机控制方法比较有代表性的是韩国汉城国立 大学c y c i h a c h o e 等提出的优化注入法。该方法的主要思想是对谐波电流等间隔采 样，以采样点为中心构成脉冲，脉冲的宽度决定于采样值，脉冲的高度为l 。对于 三相系统只构成一相的脉冲列，其它两相移相后即可获得相应的补偿电流脉冲列。 这种方法用于电流型补偿器【1 4 j 】。 为了综合有源与无源的优点，于是人们考虑把二者结合起来构成混合电力滤波 器。需要指出的是，在高压直流换流器中已经使用的自动调谐滤波器，它也是通过 l o 华北电力大学硕士学位论文 检测滤波器中谐波频率的无功功率，用以控制l 和c 的变化来达到动态补偿的效果。 在上述的方法中，无源电力滤波器出现最早，且存在一些较难克服的缺点，但 因其具有结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至 今仍是应用最多的方法。 2 2l c 滤波器的结构和基本原理 l c 滤波器也称为无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成 的滤波装置，与谐波源并联，除起到滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。l c 滤波 器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际应用中常用几组 单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。 1 单调谐滤波器图2 1 所示为单调谐滤波器的电路原理图。滤波器对n 次谐波 ( q = ，l q ) 的阻抗为 1 乙2 如+ 砌q 三一赢 ( 2 _ 1 ) 式中，下标缸表示第n 次单调谐滤波器。由上式画出滤波器阻抗随频率变化的关 系曲线如图2 2 所示。 图2 一l 电力原理图 单调谐滤波器是利用串联l 、 k i 撂 ， ，( 坯尹 图2 2 阻抗频率特性 c 谐振原理构成的，谐振次数n 为 舻赢 q 乞) 缈、，l o 在谐振点处，乙= 如，因如很小，n 次谐波电流由如分流，很少流入电网中。 而对于其他次数的谐波，z j ，“尺j ；l ，滤波器分流很少。因此，简单的说，只要将滤 波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分流入滤波 器，从而起到滤除该次谐波的目的。 2 高通滤波器高通滤波器也称为减幅滤波器，图2 3 给出四种形式的高通滤 波器，即一阶、二阶、三阶和c 型四种。 工t辜一 一 华北电力大学硕士学位论文 弋 一r 上 弋 c 2 ( a )( b )( c )( d ) 图2 3 高通滤波器 ( a ) 一阶( b ) 二阶( c ) 三阶( d ) c 型 一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。 二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶的相比，其基波损耗较高。 三阶高通滤波器比二阶的多一个电容c 2 ，c 2 容量与c i 相比很小，它提高了滤波 器对基波频率的阻抗，从而大大减少基波的损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。 c 型高通滤波器的性能介于二阶和三阶之间。c ，与l 调谐在基波频率上，故可大 大减少基波损耗。其缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 以上四种高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器，c 型高通滤波器也有 较好的推广应用价值。 二阶高通滤波器的阻抗为 乙2 壶+ ( 去+ 志) i ( 2 - 3 ) i 乙l 随频率变化的曲线如图2 4 所示，该曲线在某一很宽的频带范围内呈现为低 阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波 器。 1 2 华北电力人学硕士学位论文 霹 爱 x 轴缈 图2 4 二阶高通滤波器的阻抗频率特性 g 图2 5 双调谐滤波器电路原理图 3 双调谐滤波器除上述单调谐滤波器和高通滤波器外，在些工程中还用 到双调谐滤波器。双调谐滤波器电路如图2 5 所示。它有两个谐振频率，同时吸收这 两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。 双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，其基波损耗较小，且只有一个电感厶 承受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗， 所以并联电路的工频电压比串联电路低的多。另外，并联电路中的电容c 容量一般 较小，基本上只通过谐波无功容量。由于双调谐滤波器投资较少，近年来在国内外 一些高压直流输电工程中有所应用。双调谐滤波器主要问题在于结构比较复杂，调 谐困难，故应用还较少。 2 3 电力滤波器的设计准则 设置无源电力滤波器的主要目的是为了抑制电网中的谐波电压。为保证电能质 量，许多国家制订和颁布了谐波管理的标准，对谐波源向注入点处的谐波电压、电 流限制值做出了具体的规定。我国也相继制订和颁布了电力系统谐波管理暂行规 定和电能质量一公用电网谐波。 在设计l c 滤波器时，首先应该满足负载水平下对谐波限制的技术要求，然后在 此前提下，使滤波器在经济上最为合理。根据国家标准，谐波性能的下列指标都应 满足规定标准： ( 1 ) 各次谐波电压含有率舰虬 ， 舰玑= 二旦宰l o o ( 2 4 ) n rr 、 u i 式中 u 第n 次谐波电压有效值； u 基波电压有效值。 ( 2 ) 电压总谐波畸变率觋 1 3 华北电力大学硕士学位论文 、( u ) 2 啪= 上竺z _ 一唪1 0 0 ( 2 5 ) hr r 、 ( 3 ) 注入电网的各次谐波电流大小 如需考虑谐波对通信系统的干扰，则滤波性能还应满足电话谐波波形系数t h f f 和电话干扰系数t i f 指标的规定要求。 由于滤波装置是由各种不同形式的滤波器组合而成的，结构并非唯一，在满足 前述技术要求的前提下，可有多种不同的滤波装置方案。在工程上，往往选择最经 济的方案，为此需要对不同的方案作经济分析。目前我国广泛使用的经济分析方法 如下。 设m 为施工年数；n 为工程的经济使用年限；为经有关领导部门规定的电力工 业投资回收率，或称电力工业投资利润率；z 为第t 年的投资。折算到第m 年的总投 资z 及折算年年运行费用u 分别为 z = z f ( 1 + ) ”叫 ( 2 - 6 ) 舻礁篙b o + 扩一，薹，赤l 弘7 ， ( 1 + ) ”一l 【鲁。、 ” r 考暑l ( 1 + ) 卜”j 、。 式中f 工程部分投产的年份。 令，为从小+ 1 年到坍+ 以年期间的平均年费用，则，为 坼- z 器篙卜 协8 ， 年费用的计算是在技术方案确立后才进行的。首先是求得滤波装置各元件参 数，按它们的经济价格求出第t 年的投资z 及总投资z ，同时由潮流计算得出各元件 的损耗。然后按年电能损耗及设备维护折旧率得出年运行费用m ，最后应用式 ( 2 6 ) ( 2 - 8 ) 求得年费用坼，作为方案的经济指标。 除以上技术要求和经济分析外，设计滤波装置还应考虑： ( 1 ) 单调谐滤波器的谐振频率会因电容、 频率会有一定的波动，这将导致滤波器失谐。 波装置仍能满足各项技术要求； 电感参数的偏差或变化而改变，电网 设计时应保证在正常失谐的情况下滤 ( 2 ) 电网阻抗变化会对滤波装置尤其是其中的单调谐滤波器的滤波效果有较 大的影响，而更为严重的是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能，设计时 1 4 华北电力大学硕士学位论文 必须充分予以考虑。 根据以上准则，提出设计滤波装置的一般步骤如下： 1 准备原始数据 ( 1 ) 设计前必须对电力系统的运行进行谐波分析，求出系统中谐波源向电力系 统注入的各次谐波电流： ( 2 ) 对电力系统作谐波阻抗分析，求出谐波阻抗圆和最大阻抗角； ( 3 ) 确定电力系统频率的最大正负偏差量； ( 4 ) 按国家标准的规定：确定各次谐波电流、各次谐波电压含量及电压总谐波 畸变率的极限值； ( 5 ) 确定滤波装置应提供的无功补偿容量大小； ( 6 ) 确定电力系统中的背景谐波。滤波装置往往是为特定谐波源设置的，但系 统中可能存在其他谐波源，它们产生的谐波电流也会流入谐波装置，从而增加滤波 装置的负担，若不考虑这些谐波，则谐波装置较易发生过载。如缺乏正确的资料， 也应做粗略的估计。例如，在某些工程中，将流经各滤波器的谐波电流增大1 0 来 考虑背景谐波的影响。 2 确定滤波装置的构成滤波装置的构成主要是指由几组单调谐滤波器构 成，是否装置高通滤波器，其截止频率如何选取，以及采用什么方式满足无功补偿 的要求。 单调谐滤波器主要用于滤除谐波源中的主要特征谐波。若谐波源为整流装置， 一般只需设置奇数次谐波的滤波器。例如，谐波源为六相整流装置时，可装置5 次、 7 次、1 1 次等单调谐滤波器。若还需滤除更高频率的谐波，可设一组高通滤波器， 将截止频率选在1 2 次，滤除1 3 次以上的谐波。对于非特征的3 次谐波，是否装置滤 波器，应根据3 次谐波电流的大小，以及装设其他滤波器后是否可能发生3 次谐波谐 振来决定。 要使滤波装置满足无功补偿的要求，可采用两种方法：一是按滤波要求设计滤 波装置，如其无功容量不满足要求，则加装并联电容器；二是加大滤波器容量，使 其满足无功补偿要求。相比之下，前一种方法设计滤波器支路不但经济合理，而且 调节补偿电容器的无功功率时，对滤波效果的影响较小。 3 滤波装置中各滤波器的初步设计初步确定各单调谐滤波器、高通滤波器 各元器件参数、容量等。具体设计方法稍后介绍。 4 滤波装置的最后确定单独设计好各个滤波器后，应对以下方面进行进一 1 5 华匕电力人学硕士学位论文 步的计算和校核。 ( 1 ) 计算滤波器之间的相互影响。滤波器之间的相互影响甚至会超过系统谐波 阻抗对滤波器的影响。在滤波装置初步确定之后，可对每个滤波器重新设计，设计 每个滤波器时将系统谐波阻抗与其他滤波器的阻抗看作是设计时的总系统谐波阻 抗。 由各滤波器的基波无功容量和系统运行所需的无功补偿要求，确定并联补偿电 容器的容量。 考虑并联电容器的影响，进一步修正滤波器参数。以上过程一般经过3 4 个循 环即可达到工程设计要求。 ( 2 ) 校核滤波装置是否满足谐波抑制的要求及对通信系统干扰的要求。若不满 足要求，应修正相应滤波器参数，直至满足要求，便可确定滤波装置最终参数。 ( 3 ) 滤波装置参数确定后，应对系统进行谐波潮流计算，若出现在低次非特征 谐波情况下有谐振现象，则应考虑装设3 次滤波器。 ( 4 ) 对不同方案进行经济分析，按年费用最小做最佳选择，最终确定滤波器方 案。 2 4电力滤波器的设计方法 2 4 1 单调谐滤波器的设计 1 单调谐滤波器的失谐 在上节中已简述了单调谐滤波器的工作原理，在设计时，首先需考虑滤波器的 失谐问题。 电力系统在实际运行时的频率z 与其额定值厶总有一定偏差，这将使各次谐波 频率发生相应的偏移。这样，当取滤波器的谐振频率与系统额定频率下的某次谐波 频率相等时，在系统