（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器及其在配电网中的应用.pdf

a c t i v ep o w e rf i l t e ra n di t sa p p l i c a t i o ni nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k b y g o n gf e n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r of e s s o rx i ax i a n g y a n g a p r i l ，2 0 11 52m 2 4 8 洲8iiy 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 餮夯 日期：硼年月2 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密m 。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：袭菊 导师签名锄阳 e l 期：研年i 月日 ， 日期：加，年易月少e l 摘要 有源电力滤波器被公认为治理电网谐波、无功污染以及改善电能质量最有效 的手段，已成为电力电子技术应用中的研究热点。本文针对并联型有源滤波器进 行了较为系统的理论阐述与应用研究，根据有源电力滤波器、无源滤波器各自优 点，采用改进模拟退火粒子群算法对两种滤波装置在配电网进行优化配置，为其 在配电网中的实用化奠定了较好的基础。 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流，为有源滤波器控制系统进 行精确补偿提供参考信号，是其补偿性能优劣的关键。本文在总结了多种谐波检 测方法的基础上，提出了一种改进的谐波电流检测方法，论述了其基本原理，并 进行了仿真验证。该方法省去了三相至两相世标变换及其逆变换，计算量小；适 用于电网电压存在一定畸变的情况，具有较好的动态性能和较高的检测精度。 选择不同控制方法将直接影响系统响应速度和谐波治理效果。由于有源滤波 器系统模型是一个多输入多输出、耦合的非线性系统，基于自适应控制原理、反 馈线性化技术和输入输出间功率平衡特性，本文建立了d q 世标下的有源滤波器数 学模型，提出了一种新型自适应非线性控制方法。文中设计了参数自适应识辨环 节，得到电网瞬时有功参考电流以及系统状态方程，实现了非线性负载参数时变 未知情况下谐波电流的精确跟踪，且无需实时检测与计算负载的无功电流成分， 保证了直流侧电压的稳定，减小了电容器容量。并将该控制方法分别与重复预测 控制和复合控制进行比较分析，结果证明所提出的新型自适应非线性控制方法兼 顾了动态性能和控制精度的统一，完全能够适应配电网谐波治理应用的要求。 基于无源滤波器能滤除特定次数谐波，结构简单和成本低，有源滤波器具有 良好的动态补偿特性，采用改进模拟退火粒子群算法对两种滤波装置在配电网中 进行优化配置，即当配电网结构、参数和谐波电流已知时，在谐波电压等满足约 束条件的前提下，对滤波装置的安装地点、安装类型、安装组数和容量参数进行 寻优计算。这样可保证网络各节点谐波电压含有率和谐波电压总畸变率在规定限 值内，以及滤波装置安全可靠运行的前提下，该优化配置方案能使电网平均电压 总畸变率和全网滤波装置的投资成本最小。 关键词：电能质量；有源电力滤波器；反馈线性控制；自适应非线性控制；改进 模拟退火一粒子群算法 a bs t r a c t a c t i v ep o w e rf i l t e ri sr e c o g n i z e da st h em o s te f f e c t i v em e a s u r ef o rh a r m o n i c c o n t r o l ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dt h ep o w e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t ，a n dh a s b e c o m eah o ts p o ti nt h ep o w e re l e c t r o n i c sa p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，am o r e s y s t e m a t i ca n di n d e p t ht h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o ni s r e s e a r c h e df o rt h e p a r a l l e l a c t i v ep o w e rf i l t e r c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v e p o w e rf i l t e r ，i m p r o v e ds i m u l a t e da n n e a l i n g - p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m i sa d o p t e dt oo p t i m i z et h ea l l o c a t i o no ft w of i l t e r i n gd e v i c e ，l a i dag o o df o u n d a t i o n f o ri t su t i l i t yi nt h ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a c c u r a t e l ya n dr e a l t i m ed e t e c tt r a n s i e n tc h a n g e dd i s t o r t e dc u r r e n ti np o w e rg r i d ， p r o v i d er e f e r e n c es i g n a lf o rp r e c i s ec o m p e n s a t i o no fa c t i v ep o w e rf i l t e rc o n t r o l s y s t e m i sak e yo fc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eq u a l i t y t h i sa r t i c l ep r o p o s e sa n i m p r o v e dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o dd e p e n do ns u m m a r i z i n gt h ev a r i e t yo f h a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d s ，d i s c u s s e si t sb a s i cp r i n c i p l e ，a n df u r t h e r m o r ep r o c e s st h e s i m u l a t ec o n f o r m a t i o n t h i sm e t h o dl e a v eo u tt h ew a yi nt h r e e - p h a s et ot w o p h a s e c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o na n di n v e r t e rc h a n g e ，s ot h ec a l c u l a t e da m o u n ti sl i t t l e ，a n di t b ea p p r o p r i a t ef o rt h es i t u a t i o nt h a tt h e r ee x i s tc e r t a i nd i s t o r t i o ni nt h eg r i dv o l t a g e ， a sw e l la sb ea b l et ot e s to u tt h ec u r r e n tc o m p o n e n tf o rc o m p e n s a t i o na n dh a sg o o d d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dh i g hp r e c i s i o n a sar e s u l to fc h o o s i n gd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d sa r ea b o u tt od i r e c t l yi n f l u e n c e s y s t e mr e s p o n s es p e e da n dh a r m o n i ct r e a t m e n te f f e c t ，a n dt h a ta c t i v ep o w e rf i l t e r s y s t e mm o d e li s am u l t i p l ei n p u t ，m u l t i p l eo u t p u t ，c o u p l e dn o n l i n e a rs y s t e m t h i s a r t i c l ee s t a b l i s h e dd qc o o r d i n a t e sa c t i v ep o w e rf i l t e rm a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do n a d a p t i v ec o n t r o lp r i n c i p l e ，f e e d b a c kl i n e a r i z a t i o nt e c h n i q u ea n di n p u t o u t p u tp o w e r b a l a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，a sw e l la s p r o p o s e s an e wa d a p t i v en o n l i n e a rc e n t r e l m e t h o d b e s i d e s d e s i g n t h e p a r a m e t e r s o fa d a p t i v e c o m p a n i e sl i n k ，g e tp o w e r i n s t a n t a n e o u sa c t i v er e f e r e n c ec u r r e n ta n d s y s t e m s t a t e e q u a t i o nt or e a l i z et h e h a r m o n i cc u r r e n tt r a c k i n gp r e c i s l yi nt h ec i r c u i t r ya n dn o n l i n e a rl o a du n d e ru n k n o w n t i m e v a r i a n c ep a r a m e t e re ，e v e nd i s p e n s ew i t hr e a l t i m ed e t e c t i o na n dc a l c u l a t i n gl o a d r e a c t i v ec u r r e n tc o m p o s i t i o n ，s o a st og u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h ed cs i d ev o l t a g ea n d r e d u c e dt h ec a p a c i t o rc a p a c i t y t h i sc o n t r o lm e t h o dc o m p a r ew i t hr e p e a tp r e d i c t i v e c o n t r o la n dc o m p o u n dc o n t r o l ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h r o u g ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e t h a tt h ep r o p o s e dn e wa d a p t i v en o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o dg i v e sc o n s i d e r a t i o nt ou n i t y o fd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dc o n t r o lp r e c i s i o n ，i ti se x t r e m e l ya p p l i c a b l et oa c t i v e p o w e rf i l t e rc o n t r o l ，a sw e l la sc o m p l e t e l ys a t i s f yt h eh a r m o n i ct r e a t m e n ta p p l i c a t i o n r e q u e s t si nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k d u et ot h ep a s s i v ep o w e rf i l t e rs i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s ta n dc o u l df i l t e r s o u ts p e c i f i co r d e rh a r m o n i c ，a c t i v ep o w e rf i l t e rh a sg o o dd y n a m i cc o m p e n s a t i o n p r o p e r t i e s t h ei m p r o v e d s i m u l a t e d a n n e a l i n g - p a r t i c l e s w a r m o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h ma l g o r i t h mw a sa d o p t e dt oo p t i m i z et h ec o n f i g u r a t i o no f t w of i l t e rd e v i c e s t h a ti s ，w h e nt h ep o w e rs t r u c t u r e ，p a r a m e t e r sa n dh a r m o n i cc u r r e n ta r ek n o w n ，a n d t h eh a r m o n i cc u r r e n tt om e e tt h ec o n s t r a i n t so ft h ep r e m i s e ，h a v eo p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i o n sf o rt h ei n s t a l l a t i o no ft h ef i l t e rl o c a t i o n ，i n s t a l l a t i o nt y p e ，i n s t a l lg r o u p n u m b e ra n dc a p a c i t yo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s t oe n s u r et h eh a r m o n i cr a t i o ，t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o no ft h ee a c hn o d ei nt h en e t w o r kw i t h i nt h ep r e s c r i b e dl i m i t sa n d u n d e rt h ep r e m i s eo ff i l t e r i n gd e v i c e ss a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，t h ep o w e rc u r r e n t t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o na n dt h ei n v e s t m e n tc o s to ff i l t e r i n gd e v i c e si nt h ew h o l e n e t w o r ka r em i n i m u m k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；a a c t i v e p o w e r f i l t e r ；f e e d b a c k l i n e a rc o n t r o l ； a d a p t i v en o n l i n e a rc o n t r o l ；i m p r o v e ds i m u l a t e da n n e a l i n g - p a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 谐波研究背景1 1 1 1 谐波的产生及危害一1 1 1 2 谐波标准2 1 1 3 谐波抑制措施4 1 2 滤波装置及优化配置算法的研究现状及发展趋势5 1 2 1 滤波装置的国内外研究现状5 1 2 2 各种滤波装置优化配置算法的国内外研究现状6 1 3 课题研究背景、主要内容与章节安排7 第二章有源电力滤波器的结构特点及原理分析 2 1 有源电力滤波器的基本结构9 2 2 有源电力滤波器工作原理和数学模型1 1 2 2 1 有源电力滤波器的基本工作原理一1 1 2 2 2 有源电力滤波器宅电路的数学模型1 1 2 3 影响有源电力滤波器补偿性能因素一1 3 2 4 本章小结1 4 第三章谐波与无功电流检测 3 1 谐波与无功电流检测方法的研究现状1 5 3 2 改进的谐波电流检测方法1 6 3 3 数字低通滤波器的选择与设计一1 7 3 3 1 数字滤波器的选择一1 7 3 3 2 数字滤波器参数设计18 3 4 检测算法仿真分析18 3 5 本章小结1 9 第四章新型有源电力滤波器电流跟踪控制 4 1 有源电力滤波器的控制原理2 0 4 2 有源电力滤波器数学模型的建立2 1 4 3 新型自适应非线性控制2 3 4 3 1 反馈线性控制原理2 3 i v 4 3 2 反馈线性控制器设计。2 4 4 3 3 新型自适应非线性控制原理2 5 4 4 系统仿真及实现2 6 4 4 1 系统构成2 6 4 4 2 系统仿真分析与验证2 7 4 4 3 有源滤波装置的实现2 8 4 5 控制策略比较2 9 4 5 1 重复控制3 0 4 5 2 复合控制3l 4 6 控制策略性能比较3 2 4 7 本章小结3 3 第五章滤波装置在配电网中的应用 5 1 滤波装置的优化配置3 4 5 1 1p p f 设计原则3 4 5 1 2a p f 的优化配置3 5 5 2 改进模拟退火一粒子群算法3 6 5 2 1 粒子群优化算法3 6 5 2 2 改进的模拟退火算法3 7 5 3 配电网中滤波装置优化配置的数学模型3 8 5 3 1 目标函数的建立3 8 5 3 2 适应度函数的计算4 0 5 4 算例分析4 l 5 4 1 算法流程图4 1 5 4 2 实例分析4 2 5 5 算例比较分析4 3 5 5 1 多目标与单目标寻优比较4 3 5 5 2 不同优化算法的寻优比较4 5 5 6 本章小结4 7 第六章结论 参考文献5 0 致谢5 4 附录a 攻读硕士学位期间发表论文5 5 附录b 攻读硕士学位期间参与研究项目j 5 6 附录c 攻读硕士学位期间申请发明专利5 7 v 第一章绪论 上世纪7 0 年代以来，随着功率半导体器件和变流技术的发展，各种电力电子 装置在军事、工业及高新技术领域获得了大规模应用，导致配电网中公共连接点 电压和电流波形严重畸变，产生大量电磁干扰，从而取代了传统变压器等铁磁材 料的非线性引起的谐波，成为最主要的谐波源。其负面效应是电能质量下降，给 周围电气环境带来极大污染，对电力系统的安全、优质、经济运行构成直接或潜 在的危害【l 】。 据报道，我国由电能质量问题所造成的年电能损失高达4 0 0 多亿元；而世界 范围内电力市场改革的目标在于提高电力生产与运行的效率，提供更加完善的电 力系统辅助服务，加强电力系统的安全与稳定性，并保证较高的电能质量陋3 1 。因 此，世界各国已经非常重视电能质量的管理，其中谐波治理是电能质量问题的核 心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切要求。在用户或电网中装设滤波装置 可减少和控制注入电网的谐波电流以及补偿无功损耗，使配电网中各节点谐波电 压满足相应谐波标准。有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 由于具 有高度町控性和快速响应性，能对频率和幅值均变化的谐波进行实时跟踪补偿， 因而受到广泛的重视，成为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点。 本章从电能质量和谐波研究的背景出发，探讨了谐波治理的主要措施，分别 阐述了无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，简称p p f ) 、a p f 以及各种用于配置滤 波装置的优化算法的研究现状，最后介绍了本文的选题背景及各章节的主要内容。 1 1 谐波研究背景 1 1 1 谐波的产生及危害 谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基频的整数倍。早在上世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的关注，当时发表的有关变流器谐波的论文是早期有 关谐波的经典；到了5 0 年代和6 0 年代，高压直流输电技术的发展推进了谐波问 题的研究，k i m b a r ke w 在其著作( ( d i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n ) ) 【4 】中对此进行了 总结；7 0 年代以后，国际上多次召开了有关谐波问题的学术会议，其中从1 9 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议( i c h p s ) 极大地推动了谐波 领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电 设备谐波的标淮，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。 我国对谐波的研究起步较晚，吴竞昌等l9 8 8 年出版的电力系统谐波一书 足找幽有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克明等也于1 9 9 1 年出版了电 力系统高次谐波，张中等1 9 9 2 年出版了电力谐波，夏道止等1 9 9 4 年出版 r 商压直流输电系统的谐波分析及滤波，这些著作对人们认识和研究谐波作出 了很人贡献【5 l 。1 9 9 8 年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿是国内 迄今为止较为全面介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于a p f 的阐 述，被国内许多研究者广泛参考和引用。由此可见，我国对谐波问题的研究起步 于8 0 年代，在整个9 0 年代有了较快发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。 电力系统中的谐波主要是由各种大容量变流设备和其他非线性负载产生。谐 波源就其非线性特性可分为两大类：( 1 ) 传统非线性设备，包括变压器、旋转电 机以及电弧炉等。( 2 ) 现代电力电子非线性设备，包括电力控制开关、电源和晶 闸管等。当电力系统向这些非线性设备供电时，在传递( 如变压器) 、变换( 如交 直流换流器) 、吸收( 如电弧炉) 系统电源所供给的基波能量时，又把部分基波 能量转换为谐波能量，反注入系统，使电电压和电流波形发生畸变，导致电能质 量下降【6 l 。许多资料对谐波影响进行了相关介绍：日本九家电力公司曾调查高次 谐波造成配电设备损坏的事故，调查结果显示6 年中损坏了4 4 台设备，其中包括 电力电容器3 0 台，变压器4 台，电抗器4 台【7 】；北美一家化工厂因偶次谐波谐振 造成5 次滤波器的损坏，文献 8 】从工程的角度对此进行了报导和分析；广东韶 关钢铁厂的1 0 吨电弧炉投产不到1 年，该厂6 k v 母线上的电容器有1 7 3 台因鼓 肚和放跑而退出运行l ，】；受遵义铁合金厂电弧炉影响，贵州铝厂的大容量电容器 组中的3 次谐波电流放大了2 2 倍，很快全部损坏；陕西电气化铁路投运后，陕西 电网安康变电所l0 k v 母线的5 次谐波电压高达8 19 6 ，使用户感应电动机损 坏率明显上升。据不完全统计，电气化铁路投运近l0 年来，因谐波问题引起多次 2 0 0 m w 发电机跳闸，导致山西、河南、贵州等省发生大面积停电或系统解列， 直接经济损失达1 0 亿元以上，可见电力系统谐波已成为影响电能质量的公害。 总体来说，电力系统谐波的危害主要表现在以下方面o ，： ( 1 ) 通过电力电容器引起谐波放大，导致电容器过载并损坏电容器； ( 2 ) 会造成继电保护、自动控制装置工作紊乱； ( 3 ) 引起电力测量误差，干扰通讯线路、通讯设备的正常工作； ( 4 ) 引起电网与并联电容器发生串并联谐振等； ( 5 ) 增加旋转电机、输电线路、变压器的损耗，使配电线路损耗增大，输电 能力降低。 1 1 2 谐波标准 由于公用电网中的谐波电压和电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危 害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准。制定这些标准的基本原则 2 是限制谐波源注入电网，把电网谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电 气设备免受谐波干扰而能正常工作。 在国际上，国际电气电子工程师协会( i e e e ) 、国际电工委员会( i e c ) 推出了比 较有影响的谐波标准：i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和i e c l 0 0 0 3 2 。i e e e 和i e c 谐波标准主要 分为三类【l l - 1 2 1 ： ( 1 ) 用户系统谐波限制标准：i e e e 51 9 1 9 9 2 ，i e c l 0 0 0 2 2 ，i e c l 0 0 0 3 6 等 ( 2 ) 设备谐波电流限制标准：i e c l 0 0 0 3 2 ( 小于1 6 a ) ，i e c l 0 0 0 3 4 ( 1 6 7 5 a ) 等 ( 3 ) 谐波测量标准：i e c 6 1 0 0 0 4 7 目前，只有i e c1 0 0 0 3 2 和i e c l 0 0 0 3 4 两个标准对个别谐波进行了限制； i e e e 一51 9 对个别谐波也作了限制，但它主要是限制系统节点p c c 谐波大小。由 于在某砦工业场合极难实现i e c l 0 0 0 3 4 标准，所以通常采用i e e e 5 1 9 作为设计 准则来限制三相电力电子设备的谐波发送，这也反映了工业领域对三相谐波标准 的强烈要求。 为了保证我国的电能质量，从1 9 9 0 年至2 0 0 0 年制定并颁布了五个电能质量 标准，分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，标志着我国在这方面 已走上了标准化道路 1 3 1 。如下表所示： 表1 1 电能质量国家标准摘要 标准标准名称允许限值说明 g b l 2 3 2 5 9 0供电电压允1 3 5 k v 及以上正负偏差绝对值之和 许偏差不超过1 0 2 1 0 k v 及以f 三相供电为土7 3 2 2 0 k v 单相供电为+ 7 一1 0 g b l 2 3 2 6 9 0电压允许波动电压波动： 和闪变1 1 0 k v 及以下2 5 2 3 5 1 l o k v2 0 3 2 2 0 k v 及以上1 6 闪变：对照明要求较高的0 4 ( 推荐 值) ，一般照明负荷o 6 ( 推荐值) g b t 1 4 5 4 9 9 3公用电网谐波各级电压谐波限值( ) 电压( k v )t h d 奇次偶次 0 3 854 o2 o 6 1 043 21 6 3 5 4 432 41 2 3 衡量点为供用电 产权分界处或电 能计量点 衡量点为公共连 接点，取实测9 5 概率值 衡量点为公共连 接点，取实测9 5 概率值 g 1 3 t 1 5 5 4 3 9 5 负序电压系 1 正常允许2 ，短时不超过4 1 各级电压要求一 数( 三相电压2 每个用户一般不得超过1 3 样 允许不平衡 2 衡量点为公共连 度)接点，取实测9 5 概率值或日累 计超标不超过 7 2 m i n ，且每3 0 m i n 中超标不超过 5 m i n g b t 1 5 9 4 5 9 5 电力系统频率 允许偏差 正常允许士0 2 h z ，根据系统容量放宽 n 士0 5 h z 用户冲击引起的频率变动 一般不得超过：0 2 h z 研究消除或降低电网中运行的电力电子装置所产生的谐波不但是贯彻执行国 家标准和对相关法规的技术支持，也是改善电网电能质量、提高电网运行效率， 维护电气设备安全稳定运行的电气环境所迫切要求的。因此，谐波抑制技术的研 究是当前电工学科研究的热点之一。 1 1 3 谐波抑制措施 针对电网中因大量非线性负荷产生的谐波，主要的治理措施主要有三种u 4 小，： 一是受端治理；二是主动治理；三是被动治理。具体见表1 2 。 表i 2 主要的谐波治理措施 在被动治理方法中，加入的滤波装置抑制了谐波注入电网，或是阻碍电力系 统谐波流入负载端。p p f 成本低廉、结构简单，但其滤波性能受电网阻抗和自身 参数变化影响较大，具有负的电压调整效应，且易与电网阻抗发生谐振；a p f 则 克服了上述不足，能实现动态治理和补偿，具有很好的滤波性能，但造价较高， 尤其是在变电站或大型企业等高压大功率场合，难以得到应用。因此，考虑两种 滤波装置的优化配置是目前工程应用的必然选择。 4 1 2 滤波装置及优化配置算法的研究现状及发展趋势 1 2 1 滤波装置的国内外研究现状 p p f 最早源于1 9 1 7 年美、德科学家分别发明的l c 滤波器。次年出现了第一 个多路复用系统，上世纪5 0 年代日趋成熟。随着计算机技术、集成工艺和材料工 业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，且朝着低功耗、高精度、小体积、多功 能、稳定可靠和价廉方向努力。p p f 作为最传统的滤波装置，虽然本身有不可克 服的缺陷，但它结构简单，技术成熟，易于实现且成本低。因此在各个行业起着 十分重要作用，尤其是在能检测出谐波次数的时候( 如钢厂中用到的电磁炉) 【”1 。 随着对谐波问题重视度得提高，基于a p f 能对幅值和频率变化的无功和谐波 电流进行动态补偿，弥补了p p f 的缺点，其相关技术的研究和应用已成为国内外 研究的热点。由于a p f 容量一般根据用户特性来设计，且主要是针对谐波含量较 大的负载，在电网某一个或一些点进行集中补偿，因此a p f 在电气化铁路、整流 器、电弧炉等工业电网及大型企业中得到了广泛应用，并取得了良好的效果。在 国外，由于一些发达国家对于谐波问题重视度比较高，其研究和应用水平也相对 领先。目前在美国、德国、日本等发达国家，a p f 已经广泛应用在三相三线制工 业电力系统及国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数和单机装置的容量 得到了逐步提高( 典型值达2 5 次，a p f 最大容量町达5 0 m v a ) ，其应用领域正逐 步趋向对整个电力系统供电质量的改善方向发展。 在我国，a p f 技术的理论研究在某些方面接近国际水平，但在应用上还有待 提高。国内具有代表性的是王兆安等以瞬时功率理论为基础提出了i 。一法，对谐 波和无功电流进行了实时检测，实现了基于d s p 的单相综合a p f 数字控制系统； 华中科技大学的陈乔夫等人提出的基于基波磁通补偿的串联型a p f 等。近些年 来，一些高校、研究所与电力部门及企业进行了紧密的合作，使a p f 技术应用于 工业电网，取得了很好的经济和社会效益。如1 9 9 9 年株洲电力机车研究所与西南 交通大学合作，并搭建了中等功率实验系统( a p f 容量是1 0 0 k v a ) ；哈尔滨工业 大学电力电子研究所与其他单位合作完成的h v c 1 0 0 k v a r 广义电力有源滤波器： 华南理工大学研制的用于牵引变电站谐波治理的混合型有源电力滤波器，该装置 减小了有源部分的容量，取得了相当的成果；华南理工大学研制了混合型有源电 力滤波器用于牵引变电站的谐波治理，该装置在减小滤波器有源部分容量和技术 实现上做了大量的工作，也取得了相当的成果，但依然有一些技术需进一步研究 并加以完善和改进，如其滤波效果和隔离基波电压的无源网络阻抗在设计上存在 一定困难等；西安交通大学研制成功的用于大功率整流装置的新型单相并联混合 有源电力滤波器实验样机等都具有一定的工程应用价值，但一些具体实现技术尚 在进一步研究之中【l s - 2 0 】。 5 总的来讲，国内外关于有源电力滤波器的研究热点主要在新型有源电力滤波 器拓扑、非正弦体系下谐波和无功的检测理论与方法、谐波及无功的更快速合理 虮两检测方法、a p f 电流控制技术和大容量应用等问题。因此可以看出它的发 展趋势主要是： ( 1 ) 优化和简化控制系统。应用“多重化”技术和采用p w m 调制提高器件的 等效开关频率，实现对高次谐波的补偿，使其控制电路具有更好实时检测和计算 补偿电流的功能，提高系统的动态性能和鲁棒性； ( 2 ) 装置的多功能化。除了a p f 本身可补偿谐波外，通过研究改造控制电 路来实现补偿基波无功、电压不平衡、并网和消弧等功能； ( 3 ) 降低价格，提高性价比。采用a p f 与p p f 并联使用的混合有源电力滤 波器，可以减小a p f 容量，降低了成本，提高了设备的利用率； ( 4 ) 采用优化算法对a p f 和p p f 两种滤波装置进行优化配置，达到对多谐 波源综合治理的效果。 与国外对a p f 应用相比，我国的a p f 技术正处在研究试验阶段，随着我国 电能质量治理的深入进展，电网中谐波治理正朝着智能、动态和经济的方向发展； 部分样机在工业应用上的投入运行，使得a p f 技术将慢慢成熟，具有很大的市场 应用潜力。 1 2 2 各种滤波装置优化配置算法的国内外研究现状 近些年来，对谐波进行有效治理已成为电网研究工作面临的首要问题。合理 配置滤波装置既可以保证良好的滤波效果，又能取得较好的经济效益。在配电系 统中，由于电力网络结构、负荷水平的变化，以及电容器补偿装置的分组投切等， 使得系统存在大量谐波而导致网络某砦节点或支路谐波电压和谐波电流含最超 标，这样就必须采取适当的方法配置滤波装置。即选择适当的分组容量、补偿电 容器容量及其串联电感和电阻值，以避免发生电容器过载或谐波放大现象；合理 设置a p f 安装位置、组数、容量等参数的优化设计等。如果搜索以上所有不同组 合的滤波装置，其计算量将很大，这样采用合适的优化算法来显得尤其重要。 目前用于优化配置的方法主要有模拟退火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称 s a ) 、粒子优化算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，简称p s o ) 、遗传算法( g e n e t i c a l g o r i t h m ，简称g a ) 、免疫算法( i m m u n ea l g o r i t h m ，简称i a ) 和系统极点极其 灵敏度分析法等，它们可以解决纯整数和混合规划问题，能有效处理不可微的目 标函数，且能较快速度、较精确地求解结果 2 1 l 。 1 9 9 1 年，d w h i t e y 提出了基于领域交叉的交叉算子，将其应用至i j t s p 问题中 并通过了验证。随后d h a c k l e y 等提出了随机迭代遗传爬山法，实验结果表明 s i g h 比现存的许多优化算法在求解速度方面更有竞争力。国内也有不少的专家和 6 学者对遗传算法等进行了研究和改进。2 0 0 2 年，戴晓明等应用多种群遗传并行进 化思想，解决了传统遗传算法收敛到局部最优值问题；2 0 0 5 年，江雷等针对使用 并行遗传算法求解t s p 问题，探讨了使用弹性策略来维持群体的多样性，使得算 法向全局最优解进化【：z 2 3 】。虽然各种优化算法的原理和应用已有大量研究，但仍 存在一些尚未解决的问题。因此，基于p s o 收敛速度快和s a 全局搜索能力强的特 点，本文在算法中引入自适应惯性系数和存储器，提出了一种改进模拟退火粒子 群( i m p r o v e ds i m u l a t e da n n e a l i n g p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，简称i s a p s 0 ) 算法来解决配电网中滤波装置的优化配置，该研究成果能指导在配电网范围内统 优化有源和无源滤波装置的安装地点及相应的参数，减小系统的损耗，将电压、 功率因数等保持在规定的范围内，达到滤波装置投资成本最小化的目的。 总之，为了营造“绿色电网”的环境，保证用户用电设备的安全、j 下常工作， 采