【正文】 電源頻率通常有 ? 的波動，電源頻率為 HZ50 ，因此有 %1?的變化，即 ?? nnpn IILCfn ?2 1?%1%1 ???? ff 第 23 頁 () 另外電容器和電感線圈的參數(shù)，在運行過程中會因周圍溫度的變化、自身發(fā)熱和電容器絕緣老化等影響而發(fā)生變化，在安裝和調(diào)試過程中也會存 在誤差，從而使實際參數(shù)和相應的諧振頻率偏離設計值，導致濾波器失諧。后三種各濾波器回路補償容量具體分配如下： SIEMES： ??nI nI nn pn () BBC： () AEG： 1:1:1:2::: 4321 ?nnnn () 式中， nQ —n 次諧波濾波回路補償容量 pQ —總補償容量 kI —n 次諧波電流有效值 n ， 1n ， 2n ， 3n ， 4n —諧波次數(shù) 由此可見，各濾波器回路補償容量分配的這三種方法有較大的差別。 參數(shù)的選擇 無源濾波器的設計方法是一個多約束、非線性的混合整數(shù)規(guī)劃問題，求解比較困難。 系統(tǒng)各項參數(shù)如下： （ 1）電網(wǎng)數(shù)據(jù)：頻率： 50Hz；電壓： 6kV； 6kV 母線最小短路容量 91MVA， 18/ ?RX ；最大短路容量 MVA， 16/ ?RX 。 由圖 可知，同樣的 C、 R 及 nf ，隨著 L 的減小， R 與 L并聯(lián)的端電壓減小，因此 R 的損耗越小，即濾波器的損耗越小。對于二階高通濾波器，定義 Q 值為 nXRQ? () 在高通濾波器中定義的 Q 值和在單調(diào)諧濾波器中定義的 Q 值不同，但在用 Q 值來反映濾波器的品質(zhì)因數(shù)方面是一致的。母線電壓為 NU ， n 次諧波電流源為 ??nI 。濾波裝置無功補償?shù)哪繕耸菓M可能使系統(tǒng)功率因數(shù)接近于 1，但是要避免過補償 。 (3)總電壓正弦波形畸變率 DFU ? ? ? ? ? ?? ??????? ???? 22002211001 n nn D F UUUD F U n () (4)總電流正弦波形畸變率 DFI ? ? ? ? ? ?? ??????? ???? 22002211001 n nn D F IIID F I n () 若需要考慮對通信系統(tǒng)的干擾，則濾波性能還應滿足電話諧波波形系數(shù) THFF 或電話干擾系數(shù) TIF 指標的規(guī)定要求。而電壓型 PWM 變流器在它的直流側(cè)帶有一個大電容，因為其特性較好，所以現(xiàn)在主要使用的是這種裝置 ??17 。 （ 2）濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險。主電路目前均采用PWM 變流器，在產(chǎn)生補償電流時，主要作為逆變器工作 ??16 。高通濾波器的基波無功補償容量 1Q 占總無功補償容量 CQ 的比重較大，其無功容量利用率較高，且基波損耗不大。且對于高通濾波器，若截止頻率 0f 選得過低，有功損耗增加太大。因此有 CLRQ? () 但注意，在高通濾波器所定義的 Q 值與單調(diào)諧濾波器中定義的 Q 值不同，但是用 Q 值來反映濾波器的調(diào)諧銳度則是一致的。 3．無功補償容量對濾波器性能的影響分析 由于系統(tǒng)的諧波電壓最終將限制在很小的數(shù) 第 10 頁 值，因此可以近似的認為交流母線電壓只含基波分量 ??1U 。工程中的單調(diào)諧濾波器的 Q 值常常達到 100 及以上，以減少能量損耗。為此，令實際諧振頻率 ??n? 對理想諧振頻率 r? 偏差的相對值為 ?? (亦稱頻偏或失諧度 )： ? ? rnr???? ??? () 另外，電容器和電感線圈的參數(shù)，在運行過程中將因周圍溫度的變化、自身發(fā)熱和電容器絕緣老化的影響而發(fā)生變化，而且安裝和調(diào)試過程中可能存在誤差，從而使實際參數(shù)和相應的諧振頻率偏離其設計值，這也造成濾波器的失諧。 二階高通濾波器的工作原理是：將其電路結構等效看作是一階高通濾波器與調(diào)諧濾波器并聯(lián)。 單調(diào)諧濾波器的工作原理是：在理想情況下，如果濾波器的諧振頻率 r? 正好等于某一次諧波電流頻率，則對于該次諧波電流，濾波器所呈現(xiàn)的阻抗為極小值 RZf ? 。 2 濾波器的理論及性能研究 無源濾波器的結構型式及其特性 目前常用的無源電力濾波器電路結構有單調(diào)諧濾波器 (STF)、高通濾波器 (HPF)等；其中，常見的高通濾波器又有二階、三階和 C 型幾種，如圖 所示。 本課題主要研究內(nèi)容 本課題對交流無源濾波裝置的設計方法進行了深入的研究，并進行了仿真 ，第四章基于無源濾波器的不能跟蹤控制補償?shù)牟蛔悖謫为殞Σ⒙?lián)型有源濾波器進行了設計與仿真 。其中，200kVA 以下的占 70％左右，超過 1000kVA 的約為 7％，實際上，近幾年來 50kVA 以下的臺數(shù)增加顯著，也反映了對諧波抑制重要性的認識在提高。從原理上看， PWM 變流器是一種理想的補償電流發(fā)生電路，但是由于當時電力電子技術的發(fā)展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，因而有源電力濾波器的研制仍局限于試驗研究的階段，進展緩慢 ??5 。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響， 因而受到廣泛的重視，得到了廣泛的研究。而有源電力濾波器對各次諧波和分數(shù)次諧波都可以有效的抑制，而且在系統(tǒng)阻抗、頻率發(fā)生波動時，不會影響補償效果，不會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，并能抑制由于外電路的諧振產(chǎn)生的諧波電流；但結構 復雜，造價高，運行損耗大，且容量較小。270177。 在無源濾波器的設計中，對 LC 元件參數(shù)的優(yōu)化是關鍵，同時在有源與無源濾波器相結合的混合式濾波器中，為了降低有源濾波器的安裝容量，同樣存在著對 LC 參數(shù)的優(yōu)化問題。然后又 對單獨使用的并聯(lián)型有源濾波器進行了參數(shù)設計和仿真 ，簡單研究了諧波電流檢測方法和補償電流發(fā)生電路，對不同頻率下仿真進行了比較 。 掌握有源濾波器的諧波檢測方法和補償電流的控制方法，并進行仿真分析。 掌握無源濾波器的相關理論、設計原則和設計步驟。 詳細分析各種無源電力諧波器結構和工作原理，并在其基礎上對影響濾波器性能的有關參數(shù)進行了深入分析，重點研究了等值頻偏、品質(zhì)因數(shù)、無功補償容量特性及系統(tǒng)諧波阻抗對單調(diào)諧濾波器和高通濾波器性能的影響。其中，無源電力濾波器、有源電力濾波器對各種諧波源都是適用的，而改造諧波源的方法，只適用于本身為主要諧波源的電力電子裝置。并且隨著技術的發(fā)展和成熟，混合型電力濾波器 ——無源與有源濾波器技術的結合己經(jīng)日趨完善，進入實際應用領域。安裝在這類非線性負載側(cè) 的無源電力濾波器，電壓等級常常為幾到幾十千伏。 第 3 頁 因此在無源濾波器設計時，需結合實際中出現(xiàn)的問題，采取適當?shù)脑O計方案和檢驗措施，充分考慮諸如頻率偏移、系統(tǒng)與濾波器諧振、環(huán)境變化對濾器的影響等可能出現(xiàn)的問題，盡力完善優(yōu)化設計參數(shù)。 1971 年， 和 發(fā)表的論文中，首次完整地描述了有源濾波器的基本原理。 80 年代至今，在工業(yè)和民用設備上開始廣泛使用有源濾波器，并且單機裝置的容量逐步提高，其應用領域從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 1992 年 10 月，由華北電力試驗所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)研究的有源高次諧波抑制裝置在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運行，并同時通過能源部和冶金部組織的技術鑒定。 (3)由于無源波器 LC的參數(shù)一旦確定后，應用過程中不能再改變，不能根據(jù)系統(tǒng)中諧波情況的變化而變化，即不能實現(xiàn)動態(tài)補償。在諧振角頻率 LC1r ?? 時，電容的容抗與電感的感抗大小相 等，此時電容、電感相應的電抗值 CLCLX rr ??? ?? 10 。當 ω→∞ 時， nZR? ，濾波器的阻抗為 R所限制。 影響單調(diào)諧濾波器性能的參數(shù)研究 1． 等值頻偏對濾波器性能的影響分析 在電力系統(tǒng)運行過程中，實際頻率 f 與其額定值nf 總有一定偏差，因而使各次諧波頻率發(fā)生相應的偏移。電感值的偏差與電抗器制造誤差及電感量的調(diào)整方式（抽頭調(diào)節(jié)或是連續(xù)調(diào)節(jié)）等有關。但在頻率發(fā)生偏移時，濾波器阻抗變化比較大，在較小頻偏率下，濾波器性能會發(fā)生較大的變化。 2．調(diào)諧銳度對濾波器性能的影響分析 對于高通濾波器，調(diào)諧銳度 Q 值的定義可以效仿單調(diào)諧濾波器的定義： LnXRXRQ ??0 () 其中， 0X 為諧波頻率下，濾波器上電感的阻抗值。通常，高通濾波器的運行特性對頻率和元件參數(shù)偏差是不敏感的，所以可不考慮頻偏對其的影響。 第 13 頁 下面來分析高通濾波器所產(chǎn)生的無功補償容量。有源電力濾波器（ APF）系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路 (由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三個部分構成 )。這樣，補償電流與負載電流中的諧波及無功成分相抵消，電源電流等于負載電流的基波有功分量。 單個 PWM 變流器的主電路形式 第 15 頁 +V 1V 2V 6V 4V 5V 3abci c ai c ci c b采用單個 PWM 變流器的有源濾波器的主電路，根據(jù)其直流側(cè)貯能元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種，分別如圖 和 所示 圖 三相電壓型 PWM 變流器 圖 三相電流型 PWM 變流器 圖 和 中 V1～ V6 為各組開關器件的代號，實際應用中主電路使用的電力電子開 關器件可用 GTO、 BJT、 IGBT 和電力 MOSFET 等器件。以下簡要介紹在濾波器設計過程中，需要遵循和考慮的一些因素。其結構比較復雜，因此，從滿足技術要求的角度來說，往往有多種不同的濾波裝置方案。第一組單調(diào)諧濾波器由 1C 、 1L 、 1R ，第二組單調(diào)諧濾波器由 2C 、 2L 、 2R 組成。即有： 從而 因此 () （ 4） 確定電阻值 R () 式中 Q —濾波器的品質(zhì)因數(shù) nX —特征電抗 ， 上述 單調(diào)諧濾波器設計過程中，有兩個關鍵的問題：一是補償容量如何分配，二是如何確定最佳的品質(zhì)因數(shù)。 在高通濾波器 R、 L、 C三個參數(shù)中，首先可以根據(jù)高通濾波器所補償?shù)臒o功功率，來確定電容量 C 的值。 hC QaUX 2?CXC 11??12 2??nna 第 21 頁 系統(tǒng)參數(shù) 為了 討論 不同的濾波器設計方案的濾波效果，現(xiàn)以某礦井直流提升系統(tǒng)為例，分析其諧波特性，并根據(jù)其諧波特點，來設置 LC 濾波器進行諧波的濾除，建立系統(tǒng)的仿真模型，對其仿真結果進行比較分析。 因此，對于 6kV 系統(tǒng)，有： 短路容量 MVASCC 91? 系統(tǒng)阻抗 ? ?????? rc t a n21 jSCCUZs y s 電源電阻 ?? ，電感 ? 變壓器繞組漏感 mHLB ? 直流側(cè)串接電抗器電感實際取值 mHLd 4? 。這一組濾波電路的總補償容量，可以由系統(tǒng)參數(shù)得到。由諧振條件可知，單調(diào)諧濾波器的諧振點可由下式?jīng)Q定： () 電力系統(tǒng)在實際運行時的頻率 f ，與其額定值總是有一定的偏差，這就是使各次諧波頻率發(fā)生相應的偏移。一般最佳 Q 值約在 30~60 范圍內(nèi) ??。由于高通濾波器對頻率失諧度不敏感，而且在相當寬的頻帶范圍內(nèi)，阻抗大致相等，所以不存在選擇最佳 Q 值的問題，因此以下最佳品質(zhì)因數(shù)的確定主要是針對單調(diào)諧濾波器來講的。 第 22 頁 在 無源濾波器設計過程中， 濾波器結構確定以后，其參數(shù)確定有 兩個關鍵的問題，一是補償容量如何分配，二是如何確定最佳