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怎么選擇有源濾波器

2021-12-01

交流異步電動機在從變頻拖動切換到工頻拖動的時候,必須滿足兩個電源之間保持頻率、相位、電壓基本一致。本文講述了一種實現比較兩者頻率、相位的實用方法,并探討如何通過鎖相技術使得變頻電源能與工頻電源保持頻率與相位的一致。

變頻器的輸出電壓經分壓、隔離、放大、帶通濾波后恢復出正弦波信號,再經過過零比較器得到方波信號 ,方波信號 的頻率和相位與正弦波保持一致;工頻電壓通過和上面電路參數完全相同的電路,經分壓、隔離放大、濾波、過零比較后得到另外一路方波信號 。兩路方波信號 、 通過鑒相-鑒頻電路后,經低通濾波器濾波反饋到變頻器的模擬量輸入端,控制變頻器的輸出頻率和相位,使得它能與工頻電源達到同步,能在一定的范圍內跟隨工頻電源的變化而變化,從而為同步切換創造條件。 基于遺傳算法無源電力濾波器的優化設計彭協華, 張代潤, 朱代祥 (四川大學電氣信息學院,成都 610065)   摘要:針對現有無源電力濾波器的設計方法中過分依賴經驗和優化能力不強的情況,提出了一種基于遺傳算法的無源電力濾波器設計方法。從無源濾波器成本、無功補償和濾波效果三個目標進行全局優化。通過改變遺傳交叉和變異概率來改善早熟收斂的情況。同時開發出界面友好,多種參數自選的自動設計軟件;實際仿真和實驗結果表明,所提出的設計方法正有效,所開發的軟件實用性強?! £P鍵詞:無源濾波器;遺傳算法;全局優化Optimization Design of Passive Power Filter Based on Genetic AlgorithmsPENG Xiehua, ZANG Dairun, ZU Daixian (School of EEI, Sichuan Uviversity, Chengdu 610065, China)   Abstract:Conventional approaches for passive power filters design depend on experiences too much and they are lack of ability for optimization. A new design approach for paive power filters based on Genetic Algorithms is adopted. It macroscopically optimizes for the cost, harmonic suppression and the effect of filtering. By changing the probability of inheritance and variation, it can improve the forwardness of GA. And a new auto design software is given, which has the good interface andmany selfhelp parameters. he simulation and the experiment indicate that thisapproach is correct and efficiency and the software is worth to generalizing.  Keywords: Passive power filter;Genetic algorithms;Macroscopical optimization1 引言  近年來電網諧波污染已日益嚴重,諧波治理問題已引起人們的廣泛關注,與電網并聯的無源電力濾波器(PPF-Passive Power Filter)由于其經濟性得到了廣泛的運用。在PPF的設計中,對LC參數的優化是一個很重要的問題;即使在有源和無源相結合的混合電力濾波器(PFS)中,無源LC參數的優化選擇也是降低有源電力濾波器(APF)安裝容量的關鍵。對無源電力濾波器參數的優化,單憑一個指標難以評價其質量的優劣。在實際工程設計中應考慮多個指標。而在現有的設計方法中,假設條件較多,一般是根據各個考慮因數的目標函數通過一定的加權系數,構成單目標函數,而加權系數的確定主要取決于經驗,因此有很大的盲目性。本文提出了基于遺傳算法(GA—Genetic Algorithms)的PPF設計方法,并開發出了計算軟件包,較全面的考慮了PPF的成本、無功補償、諧振和濾波效果等問題。 2 PPF設計原則和要求  目前電網中PPF的運用中,是根據電網的諧波類型來確定濾波器的類型和組數。較常用的是幾組單調諧濾波器和一組二階高通濾波器并聯運行。一般PPF的設計應遵循以下主要原則:  (1)PPF的RLC參數必須滿足串、并聯諧振的要求。  (2)PPF的基波無功容量應滿足系統無功補償的要求。  (3)PPF運行后,電網的諧波含量應符合國家標準(GB/14549-1993)。  (4)PPF不能和電網發生串、并聯諧振。  (5)確定背景諧波的容量,不僅要包括各組濾波器所濾除的容量,還要考慮其他各次諧波的影響,一般要將各次諧波電流加大10%。  (6)確定電網頻率的最大正負偏差量以選擇較合適的調諧銳度(即Q值)。  (7)各次單調諧濾波器的Q值相等。3 遺傳算法構成  遺傳算法是1975年由密歇根大學的olland教授提出的一種模擬生物的“適者生存,優勝劣汰”進化過程的一種迭代自適應概率搜索算法。它表現出群體搜索策略和個體之間交換的特征,由于它摒棄了傳統方法的逐個求解的特點,從而使其更適合多目標的優化問題。3.1 染色體構成  遺傳算法的染色體包含了解的信息。根據PPF設計原則[1],對于單調諧濾波器有:    式中ωi、Li、Ci、Ri和Q分別為單調諧濾波器的諧振頻率、電感、電容、電阻和調諧銳度。根據經驗,Q值一般取30~60,本文選取30,既保證了濾波器對頻率的選擇性,又保證了濾波器在頻漂及參數漂移下的濾波效果;ωH、LH、CH、RH 和m分別為二階高通濾波器所對應的截止頻率、電感、電容、電阻和調諧曲線形狀參數。由于m和品質因數有關,m越小(或品質因數越大)則濾波器的損耗越小。根據經驗,一般取m=0.5。   由于交流濾波電容的規格不是連續變化的,因此在設計時應優先選擇電容使其盡量滿足現有的規格。又由于ωi、ω是固定的常數,因此只要確定了Q和m,每組濾波器的各個參數可由電容一個變量來表示。染色體可以用一組n維的向量來表示:    式中n為濾波器的組數。  根據PPF設計原則[3],為了不發生串、并聯諧振,染色體的論域應滿足以下邊界條件:    式中,Im(·)為復數的虛部;ZHS為PPF與電網的串聯阻抗;YHS為PPF與電網的并聯導納;為了保證在頻偏的情況下系統能保持穩定,在實際中應考慮上述兩式大于一個很小的正ε。3.2 適應度函數  PPF設計中考慮的因數較多,一般著重考慮成本、無功補償和濾波后的效果?! ?1)PPF的成本包括兩個部分:一個是初期投資成本,另一個是運行后每年的維護成本,即minF    式中n為PPF的組數;k1、k2、k3為PPF的電阻、電感、電容所對應的單位價格因子;T為濾波器使用的年限;Ka為濾波器的年單位容量維護費用率;Q為PPF所能提供的總的無功補償容量;Kβ為損耗價格因子;Δq為濾波器的年電能損耗。根據本文的軟件包多次實例計算的結果,一般取ka=0.2,kβ=0.04比較合適?! ?2)PPF提供的無功補償應該使系統的功率因數盡可能接近1,但是同時又不能出現無功過補償的情況,即    式中Qmin、Qmax為PPF提供的無功功率補償的上下限?! ?3)加裝無源濾波器后,電網的諧波含量應低于國家標準,為了方便,諧波電壓、諧波電流含量都以總畸變率為衡量標準,即    式中THDU、THDI分別為電壓、電流總的畸變率;V1、I1為基波電壓和電流有效值Vhi、Ihi為諧波電壓和電流有效值;THDumax、THDimax為電壓、電流總的畸變率的上限。根據國家標準規定Dumax=5%,國家標準同時規定了注入公共連接點各次諧波電流的最大值,由上式可以計算得到Dimax≈0.5%?! 「鶕鲜龅膬灮繕?,可以建立各自的適應度函數如下:    式中C2是一個較大的正數,用來保證F2(X)始終為正值,其值可以根據具體情況確定:αv和α1都是大于零的常數,用來匹配電壓、電流畸變率的權重,一般αv:α1=1:10。3.3 染色體的選擇  理論上已經證明簡單的遺傳算法不能保證解的全局收斂性,因此需要對遺傳算法進行改進,本文采用動態ε制約法。即對染色體進行比較、分類和選擇,同時選擇的概率隨著進化的進行而改變;將F2(X)和F3(X)設定閥值常數制約,可以看出:    式中C3可以由諧波最嚴重的情況下估計得到。  具體對第n代染色體進行如下操作:  (1)將fi1或fi2或fi3最小的染色體100%遺傳到下一代;  (2)保留滿足式(1)和(2)的染色體;  (3)對只滿足式(1)或(2)的染色體按照概率Pk選擇;  (4)對既不滿足式(1),也不滿足式(2)染色體按照概率Pm選擇;  (5)如果每個染色體均滿足式(1)和(2)且fi1連續三代變化很小或者達到指定的迭代次數,選出最佳染色體輸出結果?! ∩鲜霾僮鞑襟E中有:    其中,當第i個染色體滿足條件①時k=3,滿足條件②時k=2;fi1、fi2和fi3是第i個染色體對應的適應度F1(X)、F2(X)和F3(X)的值;n為染色體的數目;εkin和εkmax是對應的適應度函數Fk(X)的最小、最大值。3.4 動態交叉、變異概率  在遺傳初期,為了維持種群的優良特性,應選用較大的交叉概率和小的變異概率,而在遺傳的后期,應降低交叉作用,加大變異作用,避免得到局部收斂的解,動態調整如下:    式中Pjo和Pbo為初始的交叉和變異概率;g為當前的遺傳代數;gmax為最大遺傳代數;flavg為所有染色體的F1(X) 的平均值;λ1、λ2和λ3為調整常數。   具體遺傳算法的流程如圖1所示。4 PPF設計軟件  根據上文提出的算法,開發出無源電力濾波器自動設計軟件。軟件主要功能和特點如下:   (1) 只須輸入基波和諧波參數,直接得到各次諧波濾波器參數;   (2) 根據不同的設計需要,計算的各個參數均可自己輸入;   (3) 結果同時給出成本、無功補償和濾波效果的相對比較值;   (4) 可以在計算過程中停止計算給出當前最優結果供比較;   (5) 全體變量采用動態定義,尤其是大矩陣運算后即刻釋放內存,計算速度快,對計算機配置要求低;   (6) 設計結果電容器參數均是國產交流濾波現有的規格;   軟件主界面如圖2所示。整個軟件用Delphi編寫,采用模塊封裝進行染色體適應度值的計算和元器件大小規格的選擇。在軟件界面上只要輸入電網側的基波信息及諧波參數,軟件將給出濾波器的各個參數;同時為了適合不同的設計需要,所有的參數,例如濾波器Q值、閥值函數的參數、迭代次數、元件初始值的范圍等均是可自行定義值。這樣可以在設計中加入個人的經驗因數,同時也避免不必要的計算。在菜單欄里有文件、編輯功能,可以對結果進行保存,比較。同時有工具、幫助等便于初次使用者參考,界面的友好性較好。5 算法實例  本文以三相可控整流橋為例進行濾波器的設計。實驗中,電網短路容量為2.8MVA;整流橋負載為阻感負載,功率因數0.7;晶閘管控制角為60o。由于整流橋采用6脈沖整流,產生較大的5、7次諧波,11、13次諧波也很大。電網側功率因數達不到要求。為此,設計5、7、11、13次4組單調諧濾波器和一組高通濾波器并聯。同時考慮頻偏和系統本身參數的變化,濾波器諧振頻率比諧波源頻率低3%~5%。圖3、4是加裝濾波器前、后的電網側相電流的仿真波形。表1、4是加裝濾波器前、后的各次主要諧波電流的實際測量值。表2是根據國家標準計算得到的各次諧波的允許值。表3是濾波器的各次實際參數?! 谋碇锌梢钥闯?,注入電網的各次主要諧波電流明顯降低;電網側的電壓畸變率從15.8%降低為2.2%;功率因數從0.86提高到0.97;濾波的效果比較明顯。6 結論  利用遺傳算法全局尋優的特點,從成本、無功補償和濾波效果三個主要設計指標出發,采用動態ε制約法收索最優結果。并且開發出濾波器設計軟件包,同時對無源濾波器損耗和濾波效果的參數進行了校驗。仿真實驗證明了本文提出的模型和計算方法的正確性。同時,軟件包使用方便,給出結果盡量使用元器件現有規格,有較強的實用性。

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