混合滤波系统中无源滤波器的参数优化设计软件包

Du= Ik U1 I kU 1 kQ h
由式 ( 6) 、 式 ( 7) 可进一步求得单调谐滤波器的 其他参数, 以及高通滤波器参数 R h , C h , 并优化求出 L h。若有双调谐滤波器支路, 亦可仿此得出。 滤波器总体设计流程图如图 3 所示。
∑H
x Ck 1 k qk
2
k
( 1)
k ≤m
1
U
m m
2 1 k= 2
∑
I k x Ck 1 k qk
m
2
+
U1 2 Qh
2
2
n
k= m + 1
∑
2
Ik k
2
( 3)
图 3 滤波器总体设计流程框图 F ig13 Flow chart of the f ilter param eter design
设无源滤波器总容量为 Q Z , 则:
QZ =
5F 3 = 0 k = 2, 3, …, m 5x Ck 1 5F 3 = 0 5 Qh 可以得到滤波器参数为: 令
x Ck 1 = ( Κ A k ) 3 k = 2, 3, …, m Qh = b
4 1 3 1
( 6) ( 7)
Κ
式中 A k =
k U 1 qk 2 2 I k ( k 2 - 1)
摘要: 根据无源滤波器支路电压总谐波畸变率最小原则, 提出了混合电力滤波系统中无源滤波器 的数学模型和参数优化设计方法。 将谐波潮流计算、 谐波阻抗计算和滤波器参数设计 3 者紧密结合 起来, 使滤波器设计不再孤立、 片面地进行。 此外, 还开发出界面友好、 功能强大的图形编辑器, 研制 出电力系统谐波潮流分析及滤波器优化设计综合软件包。 实际算例的计算和分析表明, 所提出的方 法正确有效, 所研制的软件包实用性强。 关键词: 谐波; 电力滤波器; 混合滤波系统; 参数设计; 谐波潮流 中图分类号: TM 711
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2000 年 6 月 10 日
J un. 10, 2000
混合滤波系统中无源滤波器的参数优化设计软件包
( 11 华北电力大学电力系, 保定 071003; 21 华北电力设计院, 北京 100043; 31 保定电业局, 保定 071000)
刘观起1 , 李庚银1 , 周 明1 , 张 杰2 , 马 岗3
表 1 单调谐及高通滤波器设计结果 Table 1 D esign results of single tuned f ilters and h igh pa ss f ilters
节点 滤波 号 器
3次 5次 7次 9次
计综合软件包
a 1 根据谐波源的数学模型, 计算谐波源注入系 统的各次谐波电流值和谐波含有率。 b1 进行三相基波和谐波潮流计算, 求出各节点 的基波及各次谐波电压, 并求出各支路的基波功率 和各次谐波电流。 c1 计算任意节点的各次谐波阻抗。 d1 对含谐波源的节点, 就近安装滤波系统消除 谐波, 并对混合滤波系统中无源滤波器的参数进行 优化设计, 给出有源滤波器的设计容量。 e1 利用滤波器设计自定义功能, 用户可根据实 际情况和具体需要, 自己确定某谐波源节点处安装 滤波系统的参数, 软件包将根据这些参数进行潮流 计算, 并显示滤波效果和滤波系统接入后对整个系 统的影响。 f 1 软件包具有强大的图形建模功能, 画面形式 直观; 网络、 发电机、 变压器及谐波源等参数输入方 式灵活, 既可由文本形式输入, 也可通过鼠标双击选 择相应的元件, 在弹出的元件对话框中进行输入。 相角、 线路潮流、 g 1 输出数据包括各节点电压、 滤波器设计结果等, 其输出采用窗口式, 并可以根据 需要进行打印。 h1 整个软件采用 2 种语言混合编程。VB 语言 用来实现界面和主体计算功能, 创建进程实现对部 分 FO R TRAN 应用子程序的管理。 312 界面主菜单设计 该软件包主界面如图 4 所示。 软件主菜单包括 文件、 绘图、 参数、 滤波器设计、 显示、 计算、 帮助等菜 单 项。 主 菜 单 中 的 文 件 和 编 辑 菜 单 与 标 准 的 打开、 保存、 打 W indow s 菜单功能相似, 包括新建、 印及剪贴等功能。 参数菜单由变压器、 发电机、 节点、 系统参数、 电力机车等子菜单组成, 用于显示该菜单 项对应的参数设置情况; 滤波器设计菜单包括滤波 器设计结果和用户自定义两项功能; 显示菜单可显 示潮流 ( 基波、 谐波) 计算结果。 311 软件包主要功能及特点
・应用研究及成果・ 刘观起等 混合滤波系统中无源滤波器的参数优化设计软件包
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装点系统谐波电压, 从而滤波器支路的电压总谐波 畸变率为目标函数对 PPF 的有关参数进行优化设 计, 并遵循以下原则 ( 约束条件) : ①无源滤波器总容 量一定; ②单调谐滤波器的品质因数一定; ③有源滤 波器作为理想电压源处理。
0 引言
随着大量具有非线性特性的电力设备 ( 如电力 机车、 电弧炉、 变频、 变流设备等) 投入电网运行, 现 代电力系统中的谐波污染变得越来越严重, 谐波治 理已成为人们必须解决的重要问题之一。 无源滤波器 ( PPF ) 具有结构简单、 维护方便等 特点, 是目前普遍采用的一种滤波手段, 但其滤波效 果受系统结构变化影响较大, 不能连续消除谐波, 并 且容易和系统阻抗相作用, 产生并联或串联谐振。 有 源电力滤波器 (A PF ) 具有较好的滤波效果, 但初期 投资较高, 大容量的 A PF 难以实现。 由 PPF 和 A PF 构成的混合滤波系统 (H PFS ) 因具有成本低和滤波 效果好等优点, 日益得到人们的重视 [ 1, 2 ]。 本文从 H PFS 出发, 着重研究 H PFS 中 PPF 参数的优化设 计方法, 并为 A PF 的设计奠定基础。 已 有 文 献 提 出 了 常 规 PPF 的 参 数 选 择 方 法[ 3, 4 ] , 但多为经验设计或进行简单的技术经济比 较, 且没有和整个系统的谐波阻抗及谐波潮流计算 结合起来, 难以进行系统的谐振检验。 本文在三相不 [5] 对称谐波潮流算法 的基础上, 提出了基于谐波潮 流分析和谐波阻抗计算的 PPF 参数优化设计方法, 并开发出集谐波潮流计算、 谐波阻抗计算和滤波器 优化设计于一体的综合软件包。
电阻 8
5182 6163 11100 26140 5170 6150 24120 6126 6104 9181 23150
电感 mH
2111×102 3102×101121×102 4121 2107×102 7119×10 3185 1127×102 8152×10 1108×102 2199×10-
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3 电力系统谐波潮流分析及滤波器优化设
4 算例分析
利用作者开发的软件包, 对某实际电网进行计 算和分析。该电网包括 5 个 220 kV 节点和 20 多个 110 kV 节点, 其中节点 16、 节点 20 和节点 24 为 3 个牵引变电站, 分别由 110 kV 变电站通过单回线 供电。 计算中假设节点 16 牵引站的+ C 相牵引臂带 2 辆机车, 节点 20 牵引站的+ B 相牵引臂带 2 辆机 车, 节点 24 牵引站的- A 相和+ B 相牵引臂分别带 2 辆机车和 1 辆机车。 这种运行方式并不是谐波最 严重的情况, 但各牵引站注入系统的谐波电流均不 同程度地超标[ 7 ] , 并对整个系统造成不良影响。 因 此, 对各牵引站节点分别安装了图 1 所示的混合滤 波系统, 并利用所开发的软件包对混合滤波系统中 的 PPF 参数进行了优化设计。 部分单调谐及高通滤波器参数的设计结果如 表 1 所示。 表 2 给出了滤波器安装前后各谐波源节 点注入系统的谐波电流, 表 3 对滤波器安装前后的 谐波电压含量进行了分析比较。 可以看出, 由于滤波 装置的安装, 注入系统的谐波电流已基本消除。
F
3
=
1
U
m
2 1 k= 2
m
∑
k= 2
I k x Ck 1 k qk k k 2 2
2
+
U1 2 Qh
2
2
n
k= m + 1
∑
Ik k
2
+ ( 5)
Κ
∑
1
U1 + Qh - QZ x Ck 1
式中 Κ为拉格朗日乘数。
为检验整个滤波系统接入后的滤波效果, 首先 将滤波器支路分别进行参数折算, 并对原有系统谐 波导纳矩阵的相应元素进行修正, 建立新的谐波导 纳矩阵和新的复数因子表。 然后, 再次进行三相谐波 潮流计算。 由滤波器系统接入前后谐波潮流结果的 对比分析, 即可对该滤波器参数的设计效果进行评 价, 从而解决了滤波器设计的实际检验问题, 使谐波 潮流分析、 系统阻抗计算和滤波器设计相互结合, 成 为密不可分的统一整体。
效果, 并抑制串并联谐振。 假设负载谐波电流全部流 入 H PFS, 则 A PF 的容量主要取决于负载谐波电流 通过 PPF 时所产生的谐波电压, 所以对 PPF 的参 数进行优化设计, 可以有效地降低 A PF 的容量, 从 而降低整个滤波系统的成本。 本文以这种类型的滤 波系统为例进行分析。
图 1 HPFS 主电路图 F ig11 M a in c ircu it d iagram of HPFS
H
k
=
( 2)
k > m
式中 H k 为 k 次谐波电压畸变率; x Ck 1 , qk 分别为 k 次单调谐滤波器的电容器基波电抗及最佳品 质因数 [ 3 ]; U 1 为母线基波电压; I k 为 k 次谐波 电流; m 为截止频率对应的谐波次数; Q h 为 高通滤波器输出的基波无功功率。 由式 ( 1) 及式 ( 2) 可重构目标函数如下: F = F ( x C 21 , x C 31 , …, x Cm 1 , Q h ) =
收稿日期: 1999208231; 修回日期: 1999212206。