摘要：无源滤波器对无功补偿和电网谐波的治理起着重要的角色，由于该装置的结构简单、可靠性高且在生产成本和维护上的费用相对较低等特点，使其在实际应用中的无功补偿及谐波治理上被广泛采用。针对上述情况，本文对无源滤波器在电网中被广泛使用进行了深入研究。
关键词：无源滤波器；谐波；最小电容容量法；遗传算法；约束条件
1 引言
针对非线性器件等所产生的谐波，避免谐波对电力系统的危害，设计了一种滤除谐波的装置——无源滤波器。针对不同谐波源所产生的主要谐波次数，设计出相应的滤波装置，并对滤波器的参数进行优化，实现谐波的有效滤除，保证电力系统的正常运行。
2 无源滤波器的基本原理
无源滤波器是谐波治理中最常用的一种滤除谐波方式，由于该装置的结构比较简单，在运行效率上也极其突出且其生产成本又为低廉等特点，因而使其的应用范围变得较为广泛。本次主要概述单调谐滤波器的基本结构和原理。
单调谐滤波器的基本结构如图2-1所示，该装置主要是由电感、电容串联组成。
n次谐波在单调谐滤波器中的阻抗为：
在实际应用中，如果单调谐滤波器是已经确定的，则和也是已知值，根据(2-4)可知，值也是已知确定值。因为n次谐波的阻抗与品质因数Q是正比例关系，所以滤波器的频率选择性也变得较好，但是，滤波器的性能指标的好坏相对参数的变化也变得敏感起来。在图2-3单调谐滤波器阻抗的频率响应中，最低点为谐振点，如果在谐振点的n次谐波滤波器的共振频率处（即=1时），滤波器呈电阻性。若滤波器对n次谐波的谐振频率在谐振点处右侧时（即>1时），滤波器阻抗呈电感性；若滤波器对n次谐波的谐振频率在谐振点处左侧时（即<1时），滤波器阻抗呈电容性。
3无源滤波器工程设计方法
无源滤波器是一种常用的滤波装置，该装置的主要部件是单调谐滤波器，装设几组单调谐滤波器需依主要谐波次数而定，高通滤波器的安装则需判断该系统中是否存在高次谐波而定。同时，还得兼顾到需采取哪种补偿方式对系统的无功功率补偿越好且越经济，其中，无功补偿主要由有下述两种方式：第一，对滤波支路加装并联电容器；第二，对滤波电容器容量进行增大。
在本文的谐波研究中，谐波源采用的是三相桥式不可控整流电路，对其进行FFT分析可检测出其主要低次谐波为 5、7和11 次，对该部分的低次谐波可采用三组单调谐滤波器进行滤除，高次谐波主要为13、17 和 19 次，对其进行滤除则需采用一组高通滤波器（本文采用的是二阶高通滤波器）。其滤波结构图见下图3-1所示。
4多目标无源滤波器优化设计方法
4.1基于并列选择法的遗传算法滤波器参数优化
并列选择法是一种常用于解决多目标问题的解法，其示意图如图4-1所示。首先对群体中的个体依据子目标函数个数均分成等同个子种群，并且给每个子种群配置一个对应的子目标函数，每个子种群对象中的功能独立于其他子种群进行选择操作，选择一些具有高适应度的个体形成一个新的子种群，然后合并所有这些新生成的子种群形成一个完整的种群，再经过交叉和突变操作，从而生成完整的下一个种群。如此不断循环操作，直到得出最优解[20,21,23]。
4.2 无源滤波器参数综合优化设计程序
本文采用的是一种改进的遗传算法(并列选择法)来对一些多目标、非线性参数进行优化。其中，无源滤波装置参数的求解流程如上图4-1所示,本文所编写的程序是在MATLAB遗传算法工具箱基础上完成的。
4.3 无源滤波器参数综合优化设计仿真
为验证优化算法的优劣性,图3-6是本文为研究谐波在MATLAB/Simulink软件环境下所搭建的仿真模型，其中谐波源为左侧的三相桥式不可控整流电路，各相滤波支路从左至右依次是5次单调谐滤波器、7次单调谐滤波器和11次单调谐滤波器和13次高通滤波器。
无源滤波器在投切入系统之前，系统功率因数为0.72，对其进行FFT分析可有如下波形。
对该波形进行FFT分析得到如下数据，其中总畸变率为22.45%。
对遗传算法程序进行编程，其中种群数为200,遗传代数为150，且种群中个体的长度为20，代沟为0.9，重组概率为0.7。综合上面的分析，得到如下结论：
无源滤波器的工程设计方法（最小电容容量法）的投资成本较遗传优化算法中的并列选择法要少，但在无功补偿方面却不如优化算法，同时，从滤波效果来看，优化算法的滤波效果较之工程设计法要来的好。通过上述优化算法和工程设计方法的对比可以看出，工程设计方法是仅从单一的目标进行分析设计，而本文中提出的并列选择法是从三个方面（即多目标）进行优化的，在优化上，由于一些尚未考虑到的因素，种群在进化过程中得到的不是很优秀个体，但相对来说还是比较好的个体。这说明了本论文中用到的遗传算法不是朝着单目标来进行分析的，而是朝着多个目标的相互协调进行分析的，因此最终得到的参数也是多方面综合因数得到的结果，其比原始的单一设计方法（工程设计方法）在滤波效果上更具优越性。
5结论与展望
无源滤波器是谐波治理中最常用的一种滤除谐波方式，由于该装置的结构比较简单，在运行效率上也极其突出且其生产成本又为低廉等特点，因而使其的应用范围变得较为广泛。
参考文献
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[2]赵贺,林海雪. 单调谐滤波电容器参数选择的工程方法[J].电网技术,2006（1）:30-36.
[3]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，2004.
论文作者:马周贵 张步勇 李巍 高强 柳志刚
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第06期
论文发表时间:2019/7/31
标签：滤波器论文; 谐波论文; 无源论文; 种群论文; 算法论文; 谐振论文; 装置论文; 《当代电力文化》2019年第06期论文;