無源濾波器的優(yōu)化設計
2014-07-21 15:39:34黃建明任維政周瑩
科技創(chuàng)新與應用 2014年22期
黃建明+任維政+周瑩
摘 要：隨著信息技術的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中各種干擾以及設備工作異常現(xiàn)象日益突出。因此，需要采取有效措施降低以上畸變對生活產(chǎn)生的影響。無源濾波器是電力系統(tǒng)中最普遍的抑制諧波設備，為了達到最佳的濾波效果，設計了基于遺傳算法的無源濾波器。
關鍵詞：無源濾波器；抑制諧波；遺傳算法
1 無源濾波器的分類
無源濾波器，利用電感、電容和電阻的組合設計構成濾波電路，可以濾波一次或多次諧波。它的種類繁多，主要有單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器以及高通濾波器。
1.1 單調(diào)諧濾波器
吸收單一次數(shù)諧波的濾波器，RLC串聯(lián)電路，它主要針對系統(tǒng)中的某一個特定的諧波頻率而設計。
在諧振角頻率？棕0處，z出現(xiàn)最小值，此時電流I為最大值。在？棕偏離？棕0時，z的模值逐漸增大，I也逐漸減小。
工頻狀態(tài)下，定義電感和電容的工頻阻抗比為K，則K=■=？棕02LC，則在n次諧波情況下，發(fā)生諧振時n？棕0L=■，n=■=■。（見圖1）
1.2 雙調(diào)諧濾波器
同時濾除兩次數(shù)諧波的濾波器為雙調(diào)諧濾波器，主要應用在高壓直流系統(tǒng)的換流裝置產(chǎn)生諧波的問題中。（見圖2）
圖1 RLC串聯(lián)濾波電路的特性圖 圖2 雙調(diào)諧濾波電路的特性圖
1.3 高通濾波器
高通濾波器是高頻率比較容易通過而阻止低頻率通過的系統(tǒng)。它去掉信號中不必要的低頻成分或者干擾。（見圖3）
綜合分析以上幾種濾波器，單調(diào)諧濾波器對固有頻率的諧波有較好的補償效果，而高通濾波器在高于某個頻率后很高的頻率范圍內(nèi)呈低阻抗特性，用以吸收若干次高次諧波，阻抗頻率特性較好，結構簡單。
2 諧波的來源與危害
2.1 諧波的產(chǎn)生
諧波的產(chǎn)生形式主要有兩種，它們分別是諧波電壓和諧波電流。諧波電流主要是疊加在主電源上的元器件導入的非正弦電流；諧波電壓則是電力系統(tǒng)中在諧波電流基礎上產(chǎn)生的電壓降[2]。當諧波電流分量很大時，會給電網(wǎng)造成十分嚴重的污染。生產(chǎn)中由非線性元件組成的電力電子裝置是諧波的主要來源，尤其是由晶閘管或二極管組成的單相橋式或三相橋式整流電路產(chǎn)生諧波比例最大，造成功率因數(shù)很低。
2.2 諧波的主要危害
諧波會降低生產(chǎn)中產(chǎn)品的質(zhì)量，即電力電子設備在運轉(zhuǎn)時增加振動，使生產(chǎn)加工的精度大大減小，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度降低；通訊系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)，線路之間距離很近，產(chǎn)生電磁感應，形成電場與磁場的耦合產(chǎn)生諧波分量，導致信號的傳輸質(zhì)量降低，最終影響通話質(zhì)量，嚴重威脅電子設備及人身安全；使公司電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)成本變大，由電力裝置產(chǎn)生的諧波電壓與電流在電網(wǎng)中震蕩并且累加到一起增加線路的損耗，導致設備溫度過高，使電力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)成本加大，從而增加用電費用的支出[3]；供電設備的可靠性降低，諧波電壓使正弦波頂部不平滑，導致電子設備的損耗大大增加，使器件產(chǎn)生局部過熱的現(xiàn)象，大大縮短了電壓器或電動機的使用壽命，從而供電可靠性降低。
3 基于遺傳算法的無源濾波器的設計
3.1 遺傳算法
遺傳算法也稱為進化算法或隨機搜索算法。這種算法類似生物進化模型，是模仿生物進化論遺傳隨機選擇過程，從而選擇出最優(yōu)個體的方法。進化算法利用進化過程中產(chǎn)生較高存活概率的適應度值大的個體，獲得最優(yōu)并且適應環(huán)境的基因結構。算法應用的過程中不依賴其他輔助知識，只需確定適應度函數(shù)來計算經(jīng)過遺傳操作的個體適應度值。
3.2 具體設計過程
用向量來表示每個個體，其中向量中的每個元素分別表示濾波器設計電路中的元器件參數(shù)值大小；以任意取值的方式初始化濾波器中元器件參數(shù)值；根據(jù)濾波器中每一個元器件的性能值與特性值差的絕對值來表示，最后將所有結果累加；將所有的個體一起參與競爭，每次選擇出來的最佳個體參與下一次競爭；將新產(chǎn)生的個體進行交叉。Xn'=？琢Xn+（1-？琢）Xm、Xm'=？琢Xm+（1-？琢）Xn。其中，Xn'、Xm'為交叉后的個體參數(shù)變量，Xn、Xm為交叉前個體的參數(shù)變量，？琢為0到1的任意取值；根據(jù)變異率隨機選取出個體的分量。
3.3 優(yōu)化結果的分析
優(yōu)化后低通濾波器的電路模型如下圖4所示。
圖4 低通濾波器的電路模型
各元器件參數(shù)組成的向量中的各參數(shù)值為R1=50、C1=5.248、L=2.559、C2=5.248、R2=50。低通濾波器幅頻特性曲線如圖5所示。
4 結束語
遺傳算法在無源濾波器設計的過程中具有突出的優(yōu)越性，通過它可以計算出各元件的最佳參數(shù)值，最終達到濾波效果最優(yōu)的狀態(tài)。
參考文獻
[1]David M.Pozar.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社.2006.
[2]Hui Xie，Hongbing Li，Heping Liu， Qiang Chen.Harmonic Wave Analysis and Suppression Research on Three-ph- ase SPWM Inverter[J].Information Tec- hnology journal，2013，12（12）：2366-2373.
[3]Hakan Erol，Hasan G.Analyzing the harmonic wave propagation in the laye- red thick tubes[J].Applied Mathematical Modelling，2011，35（8）：4091-4102.endprint
摘 要：隨著信息技術的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中各種干擾以及設備工作異常現(xiàn)象日益突出。因此，需要采取有效措施降低以上畸變對生活產(chǎn)生的影響。無源濾波器是電力系統(tǒng)中最普遍的抑制諧波設備，為了達到最佳的濾波效果，設計了基于遺傳算法的無源濾波器。
關鍵詞：無源濾波器；抑制諧波；遺傳算法
1 無源濾波器的分類
無源濾波器，利用電感、電容和電阻的組合設計構成濾波電路，可以濾波一次或多次諧波。它的種類繁多，主要有單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器以及高通濾波器。
1.1 單調(diào)諧濾波器
吸收單一次數(shù)諧波的濾波器，RLC串聯(lián)電路，它主要針對系統(tǒng)中的某一個特定的諧波頻率而設計。
在諧振角頻率？棕0處，z出現(xiàn)最小值，此時電流I為最大值。在？棕偏離？棕0時，z的模值逐漸增大，I也逐漸減小。
工頻狀態(tài)下，定義電感和電容的工頻阻抗比為K，則K=■=？棕02LC，則在n次諧波情況下，發(fā)生諧振時n？棕0L=■，n=■=■。（見圖1）
1.2 雙調(diào)諧濾波器
同時濾除兩次數(shù)諧波的濾波器為雙調(diào)諧濾波器，主要應用在高壓直流系統(tǒng)的換流裝置產(chǎn)生諧波的問題中。（見圖2）
圖1 RLC串聯(lián)濾波電路的特性圖 圖2 雙調(diào)諧濾波電路的特性圖
1.3 高通濾波器
高通濾波器是高頻率比較容易通過而阻止低頻率通過的系統(tǒng)。它去掉信號中不必要的低頻成分或者干擾。（見圖3）
綜合分析以上幾種濾波器，單調(diào)諧濾波器對固有頻率的諧波有較好的補償效果，而高通濾波器在高于某個頻率后很高的頻率范圍內(nèi)呈低阻抗特性，用以吸收若干次高次諧波，阻抗頻率特性較好，結構簡單。
2 諧波的來源與危害
2.1 諧波的產(chǎn)生
諧波的產(chǎn)生形式主要有兩種，它們分別是諧波電壓和諧波電流。諧波電流主要是疊加在主電源上的元器件導入的非正弦電流；諧波電壓則是電力系統(tǒng)中在諧波電流基礎上產(chǎn)生的電壓降[2]。當諧波電流分量很大時，會給電網(wǎng)造成十分嚴重的污染。生產(chǎn)中由非線性元件組成的電力電子裝置是諧波的主要來源，尤其是由晶閘管或二極管組成的單相橋式或三相橋式整流電路產(chǎn)生諧波比例最大，造成功率因數(shù)很低。
2.2 諧波的主要危害
諧波會降低生產(chǎn)中產(chǎn)品的質(zhì)量，即電力電子設備在運轉(zhuǎn)時增加振動，使生產(chǎn)加工的精度大大減小，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度降低；通訊系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)，線路之間距離很近，產(chǎn)生電磁感應，形成電場與磁場的耦合產(chǎn)生諧波分量，導致信號的傳輸質(zhì)量降低，最終影響通話質(zhì)量，嚴重威脅電子設備及人身安全；使公司電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)成本變大，由電力裝置產(chǎn)生的諧波電壓與電流在電網(wǎng)中震蕩并且累加到一起增加線路的損耗，導致設備溫度過高，使電力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)成本加大，從而增加用電費用的支出[3]；供電設備的可靠性降低，諧波電壓使正弦波頂部不平滑，導致電子設備的損耗大大增加，使器件產(chǎn)生局部過熱的現(xiàn)象，大大縮短了電壓器或電動機的使用壽命，從而供電可靠性降低。
3 基于遺傳算法的無源濾波器的設計
3.1 遺傳算法
遺傳算法也稱為進化算法或隨機搜索算法。這種算法類似生物進化模型，是模仿生物進化論遺傳隨機選擇過程，從而選擇出最優(yōu)個體的方法。進化算法利用進化過程中產(chǎn)生較高存活概率的適應度值大的個體，獲得最優(yōu)并且適應環(huán)境的基因結構。算法應用的過程中不依賴其他輔助知識，只需確定適應度函數(shù)來計算經(jīng)過遺傳操作的個體適應度值。
3.2 具體設計過程
用向量來表示每個個體，其中向量中的每個元素分別表示濾波器設計電路中的元器件參數(shù)值大小；以任意取值的方式初始化濾波器中元器件參數(shù)值；根據(jù)濾波器中每一個元器件的性能值與特性值差的絕對值來表示，最后將所有結果累加；將所有的個體一起參與競爭，每次選擇出來的最佳個體參與下一次競爭；將新產(chǎn)生的個體進行交叉。Xn'=？琢Xn+（1-？琢）Xm、Xm'=？琢Xm+（1-？琢）Xn。其中，Xn'、Xm'為交叉后的個體參數(shù)變量，Xn、Xm為交叉前個體的參數(shù)變量，？琢為0到1的任意取值；根據(jù)變異率隨機選取出個體的分量。
3.3 優(yōu)化結果的分析
優(yōu)化后低通濾波器的電路模型如下圖4所示。
圖4 低通濾波器的電路模型
各元器件參數(shù)組成的向量中的各參數(shù)值為R1=50、C1=5.248、L=2.559、C2=5.248、R2=50。低通濾波器幅頻特性曲線如圖5所示。
4 結束語
遺傳算法在無源濾波器設計的過程中具有突出的優(yōu)越性，通過它可以計算出各元件的最佳參數(shù)值，最終達到濾波效果最優(yōu)的狀態(tài)。
參考文獻
[1]David M.Pozar.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社.2006.
[2]Hui Xie，Hongbing Li，Heping Liu， Qiang Chen.Harmonic Wave Analysis and Suppression Research on Three-ph- ase SPWM Inverter[J].Information Tec- hnology journal，2013，12（12）：2366-2373.
[3]Hakan Erol，Hasan G.Analyzing the harmonic wave propagation in the laye- red thick tubes[J].Applied Mathematical Modelling，2011，35（8）：4091-4102.endprint
摘 要：隨著信息技術的迅速發(fā)展，電力系統(tǒng)中各種干擾以及設備工作異常現(xiàn)象日益突出。因此，需要采取有效措施降低以上畸變對生活產(chǎn)生的影響。無源濾波器是電力系統(tǒng)中最普遍的抑制諧波設備，為了達到最佳的濾波效果，設計了基于遺傳算法的無源濾波器。
關鍵詞：無源濾波器；抑制諧波；遺傳算法
1 無源濾波器的分類
無源濾波器，利用電感、電容和電阻的組合設計構成濾波電路，可以濾波一次或多次諧波。它的種類繁多，主要有單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器以及高通濾波器。
1.1 單調(diào)諧濾波器
吸收單一次數(shù)諧波的濾波器，RLC串聯(lián)電路，它主要針對系統(tǒng)中的某一個特定的諧波頻率而設計。
在諧振角頻率？棕0處，z出現(xiàn)最小值，此時電流I為最大值。在？棕偏離？棕0時，z的模值逐漸增大，I也逐漸減小。
工頻狀態(tài)下，定義電感和電容的工頻阻抗比為K，則K=■=？棕02LC，則在n次諧波情況下，發(fā)生諧振時n？棕0L=■，n=■=■。（見圖1）
1.2 雙調(diào)諧濾波器
同時濾除兩次數(shù)諧波的濾波器為雙調(diào)諧濾波器，主要應用在高壓直流系統(tǒng)的換流裝置產(chǎn)生諧波的問題中。（見圖2）
圖1 RLC串聯(lián)濾波電路的特性圖 圖2 雙調(diào)諧濾波電路的特性圖
1.3 高通濾波器
高通濾波器是高頻率比較容易通過而阻止低頻率通過的系統(tǒng)。它去掉信號中不必要的低頻成分或者干擾。（見圖3）
綜合分析以上幾種濾波器，單調(diào)諧濾波器對固有頻率的諧波有較好的補償效果，而高通濾波器在高于某個頻率后很高的頻率范圍內(nèi)呈低阻抗特性，用以吸收若干次高次諧波，阻抗頻率特性較好，結構簡單。
2 諧波的來源與危害
2.1 諧波的產(chǎn)生
諧波的產(chǎn)生形式主要有兩種，它們分別是諧波電壓和諧波電流。諧波電流主要是疊加在主電源上的元器件導入的非正弦電流；諧波電壓則是電力系統(tǒng)中在諧波電流基礎上產(chǎn)生的電壓降[2]。當諧波電流分量很大時，會給電網(wǎng)造成十分嚴重的污染。生產(chǎn)中由非線性元件組成的電力電子裝置是諧波的主要來源，尤其是由晶閘管或二極管組成的單相橋式或三相橋式整流電路產(chǎn)生諧波比例最大，造成功率因數(shù)很低。
2.2 諧波的主要危害
諧波會降低生產(chǎn)中產(chǎn)品的質(zhì)量，即電力電子設備在運轉(zhuǎn)時增加振動，使生產(chǎn)加工的精度大大減小，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度降低；通訊系統(tǒng)不能正常運轉(zhuǎn)，線路之間距離很近，產(chǎn)生電磁感應，形成電場與磁場的耦合產(chǎn)生諧波分量，導致信號的傳輸質(zhì)量降低，最終影響通話質(zhì)量，嚴重威脅電子設備及人身安全；使公司電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)成本變大，由電力裝置產(chǎn)生的諧波電壓與電流在電網(wǎng)中震蕩并且累加到一起增加線路的損耗，導致設備溫度過高，使電力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)成本加大，從而增加用電費用的支出[3]；供電設備的可靠性降低，諧波電壓使正弦波頂部不平滑，導致電子設備的損耗大大增加，使器件產(chǎn)生局部過熱的現(xiàn)象，大大縮短了電壓器或電動機的使用壽命，從而供電可靠性降低。
3 基于遺傳算法的無源濾波器的設計
3.1 遺傳算法
遺傳算法也稱為進化算法或隨機搜索算法。這種算法類似生物進化模型，是模仿生物進化論遺傳隨機選擇過程，從而選擇出最優(yōu)個體的方法。進化算法利用進化過程中產(chǎn)生較高存活概率的適應度值大的個體，獲得最優(yōu)并且適應環(huán)境的基因結構。算法應用的過程中不依賴其他輔助知識，只需確定適應度函數(shù)來計算經(jīng)過遺傳操作的個體適應度值。
3.2 具體設計過程
用向量來表示每個個體，其中向量中的每個元素分別表示濾波器設計電路中的元器件參數(shù)值大小；以任意取值的方式初始化濾波器中元器件參數(shù)值；根據(jù)濾波器中每一個元器件的性能值與特性值差的絕對值來表示，最后將所有結果累加；將所有的個體一起參與競爭，每次選擇出來的最佳個體參與下一次競爭；將新產(chǎn)生的個體進行交叉。Xn'=？琢Xn+（1-？琢）Xm、Xm'=？琢Xm+（1-？琢）Xn。其中，Xn'、Xm'為交叉后的個體參數(shù)變量，Xn、Xm為交叉前個體的參數(shù)變量，？琢為0到1的任意取值；根據(jù)變異率隨機選取出個體的分量。
3.3 優(yōu)化結果的分析
優(yōu)化后低通濾波器的電路模型如下圖4所示。
圖4 低通濾波器的電路模型
各元器件參數(shù)組成的向量中的各參數(shù)值為R1=50、C1=5.248、L=2.559、C2=5.248、R2=50。低通濾波器幅頻特性曲線如圖5所示。
4 結束語
遺傳算法在無源濾波器設計的過程中具有突出的優(yōu)越性，通過它可以計算出各元件的最佳參數(shù)值，最終達到濾波效果最優(yōu)的狀態(tài)。
參考文獻
[1]David M.Pozar.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社.2006.
[2]Hui Xie，Hongbing Li，Heping Liu， Qiang Chen.Harmonic Wave Analysis and Suppression Research on Three-ph- ase SPWM Inverter[J].Information Tec- hnology journal，2013，12（12）：2366-2373.
[3]Hakan Erol，Hasan G.Analyzing the harmonic wave propagation in the laye- red thick tubes[J].Applied Mathematical Modelling，2011，35（8）：4091-4102.endprint
