（系统工程专业论文）基于PSO参数优化的滤波系统的研究.pdf

兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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： 日期：知f 年月9e 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，即：学校 有权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。本人授权兰州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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：枷lf 年毛月日 日期：“f 降6 月g 日暾 察乃 国豺 硕士学位论文 宣i l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 目录 目录i 摘要】 a b s t r a c t 插图索引i i i 表格索引 第一章引言1 1 1 课题背景及研究目的及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 谐波产生的原因及危害2 1 2 2 谐波研究现状及意义4 1 3 国内外治理谐波的办法5 1 4 本文主要工作7 第2 章无源滤波器及性能研究一8 2 1 引言8 2 2 无源滤波器的结构及基本原理8 2 2 2 高通滤波器1 0 2 3 影响滤波器性能的参数研究1 0 2 3 1 单调谐滤波器的参数研究1 l 2 3 2 高通滤波器的研究1 3 2 4 本章小结1 7 第3 章无源滤波器的工程设计方法研究1 8 3 1 引言1 8 3 2 无源滤波器的设计准则1 8 3 3 初始数据的准备1 9 3 4 滤波系统参数设计的方案2 0 3 5 单调谐滤波器设计方案研究2 0 3 6 高通滤波器的设计方法研究2 4 3 7 工程设计方法实例2 6 3 8 本章小结2 7 第4 章改进的粒子群算法对无源滤波器参数优化2 8 基于p s o 参数优化的滤波器系统研究 4 1 引言2 8 4 2 滤波器参数设计的多目标寻优方法研究2 8 4 2 1 滤波器参数设计的多目标优化2 8 4 2 2 基于改进的线性惯性权重粒子群算法的滤波器参数优化。2 9 4 3 滤波装置参数的综合优化设计3 4 4 3 3 滤波装置参数综合优化设计程序3 5 4 4 滤波装置参数的综合优化设计结果分析3 5 4 5 本章小结3 6 第5 章无源滤波器参数优化设计的对比研究3 7 5 1 引言3 7 5 2 优化设计与工程设计的谐波抑制性能对比3 7 5 2 2 谐波抑制性能比较研究3 8 5 3 优化设计与工程设计的经济性对比3 9 5 4 优化设计与工程设计的无功补偿性能对比3 9 5 5 本章小结4 0 总结与展望。4 l 参考文献：4 2 至殳谢一4 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文4 7 附录b 系统仿真模型图4 8 硕士学位论文 摘要 随着大量非线性负载的使用给电网带来了严重的谐波污染，由此产生了很多电能 质量问题。无源电力滤波器作为电力系统中最常用的谐波抑制设备，它具有结构简单、 投资少、运行的可靠性高、运行的成本低等优点。本文对无源电力滤波器的参数优化 方法进行了深入的研究。 详细分析无源电力滤波器中的单调滤波器与高通滤波器的结构和工作原理，并对 影响其性能的相关参数进行了细致的分析，重点从等值频偏、品质因数、无功补偿容 量特性及系统谐波阻抗对各种无源电力滤波器能的影响等几个方面进行了研究。分析 了滤波装置各种设计方案，在对工程设计中的最小电容器安装容量法、无功补偿容量 分配法及过电压限制法等的滤波器参数的流程进行了推导。 采用了基于随机权重的粒子群算法来求解无源滤波器参数的方案，从畸变率值、 实用经济性、无功功率补偿等多个目标综合优化滤波器参数，对滤波器参数优化进行 仿真实验。同时，本文采用“滤波器经济性”这一指标，来判断滤波器滤波的效果。 并通过与工程设计后滤波效果进行对比分析，来验证多目标优化设计的优越性及可行 性。 另外从畸变率值、实用经济性、无功功率补偿三方面，分别对多目标优化设计和 工程设计方法设计所得到的参数滤波效果进行了仿真对比研究。仿真结果表明，相对 于工程设计只能实现单一的目标，多目标优化设计求得的滤波器参数则在谐波抑制和 经济性，无功功率补偿都能很好的兼顾，验证了多目标参数优化的可行性。 关键词：混合型有源滤波器；无源滤波器；粒子群算法；随机权重 基于p s o 参数优化的滤波器系统研究 a b s t r a c t w i t ht h eu s eo fl a r g en o n l i n e a rl o a dc a u s e ss e r i o u sh a r m o n i cp o l l u t i o no fp o w e rg r i d s p r o d u c e sal o to fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s p a s s i v ep o w e r f i l t e rw h i c hi so f s i m p l es t r u c t u r e ， l e s si n v e s t m e n t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s ti so n eo fh a r m o n i cc o n t r o le q u i p m e n t s c o m m o n l yu s e di nt h ep o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r , p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nm e t h o do ft h e p a s s i v ep o w e rf i l t e ri ss t u d i e d a n a l y z et h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fm o n o t o n e f i l t e r sa n dh i g h - p a s sf i l t e r si n p a s s i v ep o w e rf i l t e r sa n dt h e i rr e l a t e dp a r a m e t e r s m a i n l ys t u d ys e v e r a la s p e c t sw h i c ha f f e c t p a s s i v ep o w e rf i l t e r s ，s u c ha se q u i v a l e n tf r e q u e n c yd e v i a t i o n , q u a l i t yf a c t o r , r e a c t i v e c o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n ds y s t e mh a r m o n i ci m p e d a n c e a n a l y z es o r t so fd e s i g nw a y so f f i l t e rd e v i c e sd e d u c ef i l t e rp a r a m e t e rp r o c e s s e so ft h es m a l l e s tc a p a c i t o ri n s t a l lc a p a c i t y m e t h o d ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t yd i s t r i b u t i o nm e t h o da n do v e r - v o l t a g el i m i tm e t h o d s oo n t h ep 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 mb a s e do nr a n d o mw e i g h ti sp r o p o s e dt o s o l v et h ep a s s i v ef i l t e rp a r a m e t e r s t h ep a p e rm a k e si n t e g r a t e do p t i m i z a t i o no ff i l t e r p a r a m e t e r sf r o ma b e r r t i o nr a t ev a l u e ，p r a c t i c a le c o n o m ya n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n s oo n a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rp r o p o s e s ”f i l t e re c o n o m y ”t oj u d g et h ef i l t e re f f e c to ft h e f i l t e r c o m p a r e d 、析t l lm cf i l t e re f f e c ti ne n g i n e e r i n gd e s i g n , t h e ”f i l t e re c o n o m y ”p r o p o s e d i nt h ep a p e rv e r i f yt h es u p e r i o r i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g n f r o ma b e r r t i o nr a t ev a l u e ，p r a c t i c a le c o n o m ya n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , t h e p a p e rs i m u l a t e sa n da n a l y z e sp a r a m e t e rf i l t e re f f e c t so ft h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n d e s i g na n de n g i n e e r i n gd e s i g nr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w f i l t e rp a r a m e t e r s ，c o m p a r e dt o t h ee n g i n e e r i n gd e s i g na c h i e v i n gas i n g l eg o a l ，o b t a i n e di nm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n d e s i g na r eb e t t e ri nh a r m o n i cc o n t r o l ，c o s ta n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n n ep a p e r v e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo fm u l t i - o b j e c tp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ；p a s s i v ep o w e rf i l t e r ；p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n 硕十学位论文 t 插图索引 图2 1 无源滤波器9 图2 2 单调谐滤波器特性1 0 图2 3 高通滤波器阻抗频率特性一1 0 图2 4 系统谐波等效电路1 5 图3 1 滤波装置结构图2 0 图4 1 基本粒子第d 维变量示意图3 0 图4 2 粒子群算法流程3 2 图5 1 系统电压波形3 7 图5 2 系统电流波形3 7 图5 3 系统电压谐波分析3 7 图5 4 系统电流谐波分析3 7 图5 5 系统电压波形3 8 图5 6 系统电压波形一3 8 图5 7 系统电压谐波分析一3 8 图5 8 系统电压波形一3 9 图5 9 系统电压谐波分析3 9 i 摹于p s o 参数优化的滤波器系统研究 表格索引 表3 1 无功功率补偿法设计所得的滤波器参数一2 6 表3 2 最小电容安装容量法设计所得的滤波器参数一2 6 表4 1 粒子群优化算法求得的滤波器参数3 6 硕+ 学位论文 h ii m li 第一章引言 1 1 课题背景及研究目的及意义 2 0 世纪8 0 年代以来，工业电力电子技术不断进步伴随着生产技术的迅猛发 展，现代电力电子技术在解决电能质量的问题上运用越来越广泛。现阶段各种不 同精度和容量的电力电子装置使用在电力系统中。然而，在现在所有的电力电子 的装置灵敏度都不同程度的提高，在电网中更容易受到电网的影响，这就要求保 证一个相对较高的电能质量。而在供电电输出与用户用电用电设备之间有很多非 线性接口电路，在电力电子设备解决某一部份电网问题的同时又会产生各种非线 性波形，在电网中注入谐波电流，又会影响其公共电接点处的电压，使其电压波 形严重畸变。从而导致产生一个很强的电磁影响。对电网的运行安全，内部结构 器件都构成了很大的威胁，并给电力系统附近的环境带来污染。目前各种非线性 负载及整流器在电网中的使用越来越广泛，这也就导致电网中的电能质量问题越 来越严重。电网中的谐波污染引起的各种事故与故障时常发生，其严重性已经引 起了各个国家的广泛关注。电能质量的维护，谐波的治理迫在眉睫，已作为电力 系统中电能质量的主要改善点之一。谐波治理问题研究已经刻不容缓，是现在乃 至以后电网维护者与管理者的主要任务之一。 现阶段，电力系统中的谐波治理主要有无源滤波器，有源滤波器及混合滤波 器几种【1 。4 1 。目前大部分都是利用无源滤波器作为滤波装置。传统的滤波器由于其 具的经济性，结构简单，操作简单，运行安全等特性而得到广泛的应用。其滤波 性与无功补偿的作用得以充分的运用。但是，无源滤波器也有自身的很多不足之 处，例如其体积大、重量大、在各电力系统参数变化时不能很好的进行滤波。对 于谐波次数不断变化的负载无法进行很好的滤波，有时还会与电网发生谐振，导 致谐波增大，使得滤波器过载，严重时还会造成其烧毁及影响整个电网。 上世纪七十年代以来，随着现代科技的不断发展，电力电子技术得到了不断 更新。电力研究者提出了一种全新的滤波设备有源滤波器( a p f ) 。由于其崭新 的原理在电能质量治理上的得到了迅速的发展。a p f 能对电力系统进行监测，能 随电网谐波的改变而改变补偿量。具有很好的实时性和灵活性。这基本上能弥补 无源滤波器的缺点。但是，无源滤波器也有其自身的不足，由于电力电子器件功 率，价格及技术上的不成熟等限制，使得大容量的a p f 存在造价高，制造困难等 问题。而大容量的a p f 补偿还会造成较大的损耗，对其他电力电子设备有很大的 电磁干扰及制约有源电力的动态补偿特性等。 基于p s o 参数优化的滤波器系统研究 针对无源滤波器与有源滤波器各自的不足，充分结合其两者各自的优点，组 成一个比较理想的滤波及补偿系统。2 0 世纪8 0 年代以来，国内外众多学者纷纷 致力于有源滤波器和无源滤波器混合应用的研究，提出了以无源为主有源为辅的 组合滤波方式，无源滤波器负责滤除谐波源产生的绝大多数谐波，有源滤波器只 需补偿无源滤波器未能补偿的谐波，起到拾遗补缺的作用。这样的混合系统性能 好于只是用无源滤波器，而有源电力滤波器只需提供很小的补偿电流，因而容量 不需很大。此类补偿系统【5 墙j 就充分利用了两种滤波器的优点，取两者之长，补其 之短，有助于减少谐波补偿系统的初期投资，提高系统性能价格比，对谐波电流 的治理将更具实效性。各种方案中，并联混合型谐波补偿系统的研究和应用更为 广泛。当前，并联混合型滤波系统的研究已成为电能质量研究的一个重要前沿课 题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 谐波产生的原因及危害 谐波作为基波的周期性分量，其频率是后者的整数倍。在国际电工委员会制 定的标准下，谐波根据其波动特性可以分为以下几类：准稳态谐波；波动谐波； 快速变化的谐波；问谐波和其它虚拟成分。在当前电力电气行业中，导致电力波 形异变不外乎两大因素：一是元器件诸如电容、电感、电阻的非线性。当正弦电 压加载在这些个非线性元器件上时，其波形就已经发生改变。二就是应用十分广 泛的电力电子装置。这些设备在电力系统中的作用不言而喻，但这些设备比如整 流器、变频调速器、电弧炉。其本身具有非线性、冲击性和不平衡性，导致了电 能质量的不断下降。而且在实际情况中，这些电力装置的应用领域越来越宽泛， 这使得大量的高速谐波流入电网，导致了正弦电压波形畸变严重，其产生的后果 必然是电能质量的严重下降咿q 。谐波源总体上来说有这几类： ( 1 ) 在正弦电压产生的过程中，由于发电机等旋转设备在结构设计上的不合理 而产生谐波。这些谐波在技术水平不断提升的现在，已经得到了明显的改善。具 体的问题就是由旋转设备产生的锯齿波以及由铁芯饱和造成低次谐波，这些处理 起来相对不复杂。 ( 2 ) 变压器在电网传输过程中，变压器随处可见。而其因电网高压特性，变压 器内部铁芯因为饱和而产生了高次谐波。这些谐波是数量众多的三次和部分五次 谐波。 ( 3 ) 可控硅整流负荷。诸如单相整流装置，其会产生很多的三次谐波。 ( 4 ) 电炉负荷。比如在钢铁工业和化学工业中广泛应用的电弧炉和电石炉 ( 5 ) 低压负荷。比如电视机、空调等。 2 硕士学位论文 ( 6 ) 机器运行中的瞬变现象。 谐波源是谐波电流产生的源头，但其又与基波联系紧密。如前文所述谐波源是 基波在电网中的非线性而产生的，实际上这属于基波能量的损耗。基波的部分能 量在电网传输中产生了畸变，从而转化成各次的谐波。这些谐波不仅对电力系统 来说危害不小，而且因此产生很多的高频谐波对环境的污染也日益严重，同时若 其传输距离远，辐射范围也就会很广。这些已经成为生产生活中的突出问题，亟 待解决。而其对电网的危害则更加严重，总结起来有以下几点： ( 1 ) 这些注入的谐波会对旋转电机产生额外的功率损耗，并加剧了旋转设备发 热和脉动噪声。这样导致了旋转设备磨损越来越严重，最终引起设备使用寿命的 降低。而这些谐波会导致电压的畸变，使得由整流器供电的电机会处于不稳定的 工作状态。 ( 2 ) 无功补偿装置会造成电力系统的谐波放大。从而引起电容器过电压或过负 载而被损坏。这些在实际应用中的教训比比皆是，国内就发生过许多因电力系统 内部无功补偿电容器组无法工作，而造成的严重事故。 ( 3 ) 增加电网的损耗。当谐振或谐振电流被放大时，损耗也被放大。 ( 4 ) 延长断路器的切除时间和引起熔断器的异常发热。断路器的短路容量会因 畸变电流波形而发生改变。一旦畸变负荷电流产生，其在过零点时很有可能会造 成较高的。由于延长了开断时间，这导致了故障电流切除时间也延长了，并有可 能引起快速重合闸后的再燃。熔断器是发热熔断装置的，它们对于谐波集肤效应 而导致的发热量激增很敏感。 ( 5 ) 降低了变压器的带负荷能力。负荷电流中的谐波会对变压器产生附加发热， 从而降低其带负荷能力。变压器电感与系统电容，可能在谐波频率点发生谐振和 周期性的温度变化，从而引起机械绝缘应力及铁芯振动，产生的附加损耗加剧了 变压器运行性能。 ( 6 ) 电子设备受到谐波畸变的影响为以下几个方面：1 谐波畸变会产生不止一 个过零问题，而多个过零导致设备的无法正常运行，其中数字时钟为最典型代表。 一般在电压过零时应用半导体器件，用来减小电磁的干扰和涌流，而多次过零会 使得器件投入时间提前或者滞后，会严重影响设备的正常运行。2 电力电子电源 在波形的峰值时，可以保证滤波电容器的满充电。而畸变的谐会影响波峰值，会 造成峰值的增大或消平，虽然均方根的输入电压是正常的，但电力电源可能会为 畸变后的输入电压，这将导致设备的损坏。3 电压陷波同样也威胁着电子设备的 运行，对于过零敏感的设备即使电压陷波不过零，危害也还是不小的。 ( 7 ) 会降低了灯具的使用寿命。当运行电压的均方根值因谐波畸变而高于额定 值时，灯丝会因温度升高而导致使用寿命下降。 ( 8 ) 干扰继电保护以及自动控制设备的正常工作。尤其是一些衰减时间较长的 基于p s o 参数优化的滤波器系统研究 暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，其幅值很大，谐波含量也不小，容 易引起继电保护的误动作。 ( 9 ) 加剧了仪表的误差。由于谐波周围存在静电感应现象，某些感应型电能表 深受其害，其误差会进一步扩大。而指示均方根的电压表和电流表则不太容易受 到上述的影响。 ( 1 0 ) 干扰音频通信。众所周知，变化的电场周围存在变化的磁场。高次谐波周 围有很强的磁场和静电感应，而这些杂乱的电磁场会对音频通信产生较强的噪声， 更为严重的后果就是对于电话回路控制信号产生干扰，能导致信息丢失，最终能 使通信系统无法工作。 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 谐波研究现状及意义 “谐波 是声学中的名词，早在18 世纪和1 9 世纪很多学者运用数学分析为 其奠定了良好的理论基础。其中傅立叶等人提出的有关谐波分析的理论方法到今 还在被人们广泛应用。分析电能质量问题时，谐波的处理问题就是一个很重要的 方面，电力系统中很多学者对谐波治理进行了一系列的研究i l2 1 7 j 。德国科学家于 1 9 3 0 年前后就提出了汞弧换流器在电网中引起的波形畸变问题。 由于电力系统中高压直流输电技术不断成熟，在1 9 5 0 年后，出现了很多整流 器谐波问题研究的文章。近些年，一方面，电力电子技术的研究不断深入，使得 在日常生活中大量使用更多更先进的电力电子装置，但这些装置所带来的谐波危 害也越来越严重。另一方面，随着全社会生活水平的提高，人们对电能质量的要 求也变得越来越高，其中谐波问题受到广泛关注，其重视程度仅次于电压偏移和 频率偏移。国际上的诸多学者提出了自己的见解，并召开了多次学术会议，目前， 已经有不少国家制出了符合自己国情的谐波允许标准。 我国在研究谐波问题上还是比较晚的。我国有关谐波问题较有影响的著作是 l9 8 8 年吴竞昌等人出版的电力系统谐波一书。近年来，谐波对电力系统的影 响越来越大，人们多谐波危害的认识程度越来越深刻，国内学者也就很快关注对 电力系统谐波干扰的研究，这些研究工作涉及到了很多方方面面。国内外的关于 谐波问题的文献也逐日增多，其主要是对以下这些方面进行的研究【1 8 。2 3 】：谐波源 分析、谐波波形分析、电压电流畸变波形分析、谐波测量、谐波阻抗的计算方法 及测量谐波电流含量多种方法、谐波治理和无功补偿、谐波计算标准等问题。 研究谐波问题是很有现实意义的，首先，通过前文所述我们知道谐波对电力 系统的损害十分严重。谐波会造成电网中的电能在生产过程中或传输过程中的消 耗，严重影响了电能的利用率，使电气设备产生过多热量、振动以及噪声，并且 使其使用寿命降低，严重时还会发生故障或损坏。谐波可造成电网中局部线路的 4 硕十学位论文 串并联谐振，从而造成谐波量进一步放大，使得电容器等装置发生故障或损坏。 谐波还会影响继电保护和自动装置使其做出误动作，从而电能计量无法正常进行。 另外在电网中，谐波还会对一些精密的电力电子设备产生严重干扰，如通信设备 和电子设备。 其次，研究谐波对电力电子技术的发展也有一定的意义。未来将是以电力电 子设备为主的世界。然而，电力电子自身造成的谐波污染问题又制约着其技术的 发展。谐波污染是电力电子领域的研究人员必须面对的问题，只有对谐波问题进 行更加有效的研究，才能去除电力电子发展的障碍。 最后，对于谐波研究的意义，更可以提高到从治理环境污染、维护绿色环境 的角度来认识，把电力系统形容成一个大的环境，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，越来越多的人开始呼吁“绿色电力电子 。 目前，对地球环境的保护与治理已成为全人类共同的责任，而电网中谐波的治理 也是其中不可忽视的一部分，是电力电子研究工作者必须解决的问题之一。 1 3 国内外治理谐波的办法 从2 0 世纪9 0 年代初，电能质量方面的研究已经得到很多发达国家的关注， 并加大了研究力度。日本在电能质量的概念上与我国基本一致，常见的为频率偏 差、电流偏差、三相不平衡、供电中断、电压暂降、闪变和谐波。其在电能质量 方面做了很多研究。其各种电能质量的控制设备的研发与应用已有一定的成果。 如u p s ，s v g 有源滤波器等已在实际中开始应用。近些年开发了动态电压恢复器。 其能很好的解决电压暂降问题。我国也有一些公司开始了电能质量监测研发，如 三伊方长公司生产的d z 3 系列能对电能质量进行监测，并在很多电厂得到了应 用。美国学者也对电能质量的监测与研究做了大量的工作。1 9 9 3 1 9 9 5 年，为了 了解其电力系统的电能质量情况，美国电力科学研究院( e p r d ) 与其国内众多电力 公司对其供电系统中2 7 7 个关键点进行监测。一些电力公司还对用户端的电能质 量进行了监测。e p r i 通过对电能质量监测的数据研发出了电能质量诊断系统 p q d s 。该设备能从数据采集、处理、管理、扰动识别等方面进行综合性的分析 和管理，并在此基础上进行系统仿真与性价比评估，对电能质量今后的研究打好 了良好的基础。美国的许多高校与电力公司也开展了对学生和公司员工关于对电 能质量方面的培训，并为用户和电网公司提供了许多解决电能质量问题的方案。 解决电能质量的混合型滤波系统由无源滤波器和有源滤波器组合而成，前者 是属于传统电工技术领域( l c 串联谐振原理) ，技术实践的时间较长( 7 0 多年) ， 技术成熟，应用广泛，而后者属于高新电力电子技术领域( g t o 或i g b t + p w m 控制技术逆变原理) ，其技术时间较短( 才2 0 余年) ，技术还不太成熟，应用也不 太广泛。因此，混合型滤波系统的研究主要与有源滤波器的研究同步。 5 基于p s o 参数优化的滤波器系统研究 1 9 8 7 年，t a k e d am 等人提出了并联a p f 与并联p f 组成的混合型滤波系统方 案，无源和有源滤波器同时并联在电网上，进行谐波补偿。 1 9 8 8 年，f z p e n g 提出了串联混合型有源滤波器( s e r i a lh y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e r , 简称s h a p f ) 方案1 9 】，有源滤波器通过电流互感器( c t ) 串联在电网中， 无源滤波器并联在电网中，组成混合系统。 1 9 9 0 年，f u j i t ah 等人提出了a p f 和p f 串联后再并联到电网中的混合型滤 波系统d o ，该方案可以等效为s h a p f 方案，而比s h a p f 具有更加优越的性能， 应用前景更为广泛。 试验和实际工程应用方面，日本、美国、德国等工业发达国家对有源滤波器 及混合型滤波装置研究水平处于领先地位】，其应用非常广泛。目前，这些国家 都已经实现了将s h a p f 装置实际用于电力系统来改善供电质量【l 2 1 。 而s h a p f 的研究在国内还是处于实验理论研究的阶段。中南大学针对容量 为2 3 0 0 0 k v a 非线性负载研制出的大功率混合型滤波系统，有源容量5 0 0 k v a ， 无源容量9 0 0 0 k v a ，并在2 2 0 k v 娄底早元变电站开始挂网运行。华北电力大学的 三相三线实验样机已研制完成，西安交大、清华大学等高校对小容量的装置研制 也已完成。1 9 9 2 年，华北电力学院基于三相固态功率因数补偿及谐波治理提出了 广义电力有源滤波器( g e n e r a l i z e d a c t i v ep o w e rf l i t e r ，g a p f ) 。其能对配电系统的 非线性负载谐波进行治理。是对无功、谐波和负序补偿的新型滤波器。而1 9 9 5 年哈尔滨工业大学利用能量守恒优化p w m 技术进一步改进了该设备的性能。 2 0 0 0 年一种能对在基波磁通进行补偿的串联型有源滤波器在华中科技大学被提 出。这些研究的成果使我国在电能质量领域占有一席之地。而各种电能质量补偿 系统的研究也开始展开。理论方面，文献 5 】，【6 】对并联混合滤波系统的滤波效果 做了一些分析与验证。证实了其具有一定的有效性。文献【8 】【1 3 】从滤波器的特 性和控制方法进行了分析，对滤波器的设计在实际中的应用影响通过软件进行了 研究。文献 1 4 】【1 8 】分析了有源滤波器与无源滤波器的各种组合对系统谐波抑制 和补偿的影响。提出了比较优越的混合滤波系统。文献 1 9 1 分析了串联混合型有 源滤波器对电压型谐波源的治理及补偿效果。建立了该混合系统的等效电路图， 并加以分析，并对滤波器参数进行设计及对主电路的选择进行了分析。利用m a t l a b 仿真证明了该滤波系统理论分析的正确性。文献 2 0 1 在对几种不同组合的混合滤 波系统进行了分析对比，提出了一种改进的滤波系统方案。 2 1 对并联混合型有源 滤波器的工作原理及结构进行了研究，并结合实际应用中的参数对其滤波系统参 数进行选取来更好的达到滤波效果。文献【2 2 】针对有源滤波器与电容器并联的混 合滤波系统的稳定性进行分析，提出了一种新型控制策略来检查负载电流及电压。 通过分析，利用该策略的检测结果能很好的改进滤波系统的稳定性。文献【2 3 】对 单独使用的有源滤波装置容量要求较大的缺点，提出了一种改进后的并联混合型 6 硕士学位论文 有源滤波器拓扑结构，该滤波器能以相对较低的有源容量应用于大容量场合，系统 性价比高，因此特别适合于电铁牵引供电系统。文献 2 4 】分析了主要用于补偿交流 调速系统中不控整流输入级的谐波电流的一种新型混合滤波系统。其为无变压器 的并联混合滤波系统t l s p h a p f ，由于其造价低，有源部分投资少，适合中 压场所滤波等特点，在市场上有着广泛的前景。文献 2 7 - - 2 9 利用优化算法对 h a p f 中的无源滤波器参数进行优化，仿真结果表明其优化后的滤波效果有所改 善。本课题研究的成果的科学价值就在于通过多目标粒子群算法对并联型混合滤 波系统的无源滤波器参数进行优化，从而来实现混合型滤波系统的性能、容量、 造价等特性的优化设计。 1 4 本文主要工作 本论文共分为四章，其主要内容及结构安排如下： 第一章：阐述了本课题的研究背景及意义。介绍电力系统中谐波的产生，它 们所带来的危害以及现阶段谐波研究的现状及意义。特别是对滤波器的研究进程 做了详细的介绍。 第二章：对于各种常用的无源电力滤波器结构及特性进行详细的阐述；之后 分别介绍了影响单调无源滤波器与高通滤波器的参数的研究。并对系统等值谐波 阻抗对滤波器参数的影响进行了研究。 第三章：主要对滤波装置的设计准则进行了详细的分析。并在滤波前为滤波 装置准备原始数据。之后对滤波装置设计方案进行分析，并分别对单调滤波器及 高通滤波器的设计方法进行了研究。 第四章：提出了将粒子群算法应用于无源电力滤波器的参数设计，给出了详 细的算法实现步骤。综合考虑无源电力滤波器的投资成本、无功补偿容量和滤波 效果三个优化目标，建立了目标函数，利用新粒子群多目标算法( a w p s o ) 粒子 群，实现了多目标的协调优化；并通过对于滤波器参数设计的仿真实验，验证了 算法的可行性与正确性。并对其他算法优化进行比较，通过仿真实验，证实了它 的优越性。最后对于全文的研究工作进行了总结，并对今后需进一步加强的研究 工作进行了展望。 第五章：分别对工程设计中的最小电容法、无功补偿法设计出的滤波器参数 优化与利用粒子群多目标优化的结果做出比较分析。对无源滤波器的多目标优化 得出了更好的优化方法。 第六章：总结与展望。 7 并兼有调压和无功补偿功能的滤波器【l9 1 。通常情况下，电网中工作时投入使用的 滤波装置由多个无源滤波器通过并联形式连接而成，利用其中每个滤波器可以滤 掉相对应的谐波频率或者在某一频率带表现低阻的特性，从而达到抑制谐波电流， 减小交流系统的谐波振荡的目的。此外，在基波下，滤波器通常呈现容性，除了 能够滤波外，还具有无功补偿的作用。滤波器设计过程中，设计者需要明确以下 几点设计要求： ( 1 ) 明确无源电力滤波器的基本工作原理和类型； ( 2 ) 明确系统频率偏移对滤波器的性能的影响； ( 3 ) 能够明确对滤波器的无功补偿特性、滤波特性造成影响的所有的参数； ( 4 ) 总安装容量中，单调谐滤波器、高通滤波器的基波无功补偿各占的比例、 和各自的补偿效率； ( 5 ) 单调谐滤波器、高通滤波器工作性能在不同品质因数下所发生的变化等。 在本章中，主要针对以上问题进行系统的分析，并探讨可行的设计方案。首 先，对常见的无源滤波器的结构及基本工作原理进行了分析，即单调谐滤波器和 高通滤波器两种。并对影响这两种滤波器性能的参数进行介绍与研究，即对单调 谐滤波器和高通滤波器的频率偏移、品质因数和无功补偿等在装置运行中对其性 能的影响，还对高通滤波器的功率损耗、截止频率对其性能的影响进行了分析。 最后，分析了系统谐波阻抗及谐波阻抗与无源滤波器性能之间的关系。通常在设 计滤波器时，其参数对滤波器的影响应予充分的考虑。 2 2 无源滤波器的结构及基本原理 根据结构不同，无源滤波器可分为带通滤波器、桥式滤波器和高通滤波器等。 其中带通滤波器包括单调及双调谐滤波器和三调谐滤波器【l 引。现阶段常见的无源 电力滤波器以电路结构来划分则包括单调谐滤波器和高通滤波器等；其中，高通 滤波器又包括一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c 型滤波器 几种，如下图2 1 所示。 工程上由一组或者多组高通滤波器和单调谐滤波器并联构成无源滤波装置， 单调谐滤波器主要对谐波频率或附近频率进行滤除；更高频率和幅值较小的谐波 电流主要用高通滤波器来滤除。 8 硕士学位论文 c l 厶 厶 r 工c c d 三 ( a ) 单调谐波器( b ) 双调滤波器( c ) - - 阶高通滤波( d ) 三阶高通滤波( e ) c 阶高通滤波器 图2 1 无源滤波器 2 2 1 单调谐滤波器 单调谐滤波器的电路原理如图2 1a ) 所示，由电容器c 、电抗器l 、电阻r 串联而成。易知，其阻抗z ，与角频率c o 之间的关系为3 2 。3 4 】： 厂1、 z ，瑚+ 卜卜去j ( 2 - 1 ) 其中n 为谐振次数。当谐振角频率劬= 1 c 时，电感与电容的电阻值大小 相等，即x o = q = l q c = , z c 。由此n - - f ：m 滤波器的阻抗z = r ，显纯阻性，且 阻抗值为r 。若 o h 时，滤波器阻抗为为 感性阻抗。其阻抗频率特性如图2 2 所示。 在理想情况下，当单调谐滤波器的谐振频率璐与某特定谐波电流频率相等 时，z ，= r ，其装置阻抗为极小值。一般当r 取极小值时，该特定次谐波电流通 过分流到低值电阻灭中，这样交流系统的谐波电流就大大减小，同时相应的谐波 电压也得以减小，该次谐波就能很好的被抑制。而在绝对理想化的情况下，在r = 0 时，单调谐滤波器对该次谐波电流不形成阻抗，这就表示该次谐波完全被抑制。 心 蝠 圜 0 l2 谐波次数n 9 幕于p s o 参数优化的滤波器系统研究 图2 2 单调谐滤波器特性 2 2 2 高通滤波器 高通滤波器( 减幅滤波器) ，常见的有二阶( 图2 1 c ) ) 、三阶( 图2 1d ) 、c 型 ( 图2 1 e ) ) 的几种。 二阶高通滤波器的频率与阻抗之间的关系式为： z ，= 去+ 睁志】 ( 2 - 2 ) 从上式中及图2 3 的结构中均可以得出，若r 专时，谐振频率为国= 1 三c 的高通滤波器将转化成单调谐滤器；若一时，乙= r ，滤波器的阻抗基本上 可以看出只受尺影响。如图2 3 为二阶高通滤波器的频率阻抗特性，从其中可以 推出，高通滤波器在某个特定频率之上的频带内都显示低阻抗特性，其阻抗 i 乙l r ，因此较高次的谐波会被吸收而达到抑制谐波的作用。 二阶高通滤波器通常可以看作由调谐滤波器与一阶高通滤波器通过并联而 成。对于基波和低次谐波电流来说，滤波器表现为高阻抗，基波跟低次谐波很少 能通过；对于其中的中频谐波电流，电感元件与电容元件相调谐，组成一个低阻 抗的回路，从而使中频谐波电流通过；对于其中的高次谐波电流，电阻元件与电 容元件组成了一个一阶高通滤波器，对高次谐波表现为低阻抗性，从而使高次谐 波电流通过。因此，高通滤波器可使抑制低次谐波电流，而使中、高频的谐波电 流通过，最终达到高通滤波的目的。 图2 3 高通滤波器阻抗频率特性 2 3 影响滤波器性能的参数研究 滤波性能受一些参数的影响。本节将分别对单调谐滤波器和高通滤波器参数 进行分析。单调谐滤波器的参数为：品质因数、无功补偿、频偏特性等；高通滤 1 0 坝士掌佗论文 波器的参数为：调谐锐度、频率响应、频偏特性等；最后分析了系统阻抗对滤波 性能的影响。 2 3 1 单调谐滤波器的参数研究 1 电网运行中滤波器性能受到等效频偏的影响，实际频率厂通常与额定值六 有些偏差，这样就导致各次谐波频率出现不同程度的偏移。在这种情况下，若滤 波器的频率与系统某一谐波频率相等时，一旦出现频率偏移，谐波的该次频率值 会与理想谐波频率发生偏差，这样就会影响滤波器的滤波效果，这种情况通常 定义为滤波器的失谐。当需要考虑此问题时，简单的只由谐振下的阻抗来滤波器 的设计参数是行不通的，还需要考虑谐波谐振时附近的阻抗对其的影响。因此， 则令实际谐振频率为q ，理想谐振频率为q ，偏差的相对值即失谐度为屯。 屯：里l 旦 ( 2 3 ) q 另外，周围温度的变化、电容器的品质及滤波设备的自身发热在运行中会影 响滤波器元