【正文】 的阻抗是與它的電阻 R 同數(shù)量級(jí)的；當(dāng)高通濾波器電路中電阻很大時(shí)，其特性與單調(diào)諧濾波器相似。在上式中， Q 值和 n 有關(guān)。因而，在濾波器設(shè)計(jì)過程中，如果最大頻偏率下，某一 Q 值不能達(dá)到濾波的要求，則應(yīng)減小 0X ，來降低 Q 值，使濾波器的阻抗特性曲線平坦些，以滿足頻偏情況下的濾波要求 ,當(dāng) Q ? 0 時(shí)，0 0X? ，或 R?? ，此時(shí)，濾波器阻抗完全呈阻性，對(duì)于頻率不敏感，無法起到對(duì)于特定次諧波濾除的作用。在工程中，常取 L?? ? 、 ? ?? ,則? ?? 。這樣，當(dāng)取濾波器的諧振頻率為系統(tǒng) 第 8 頁 額定頻率下的某次諧波頻率時(shí)，一旦系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移，該次諧波的實(shí)際頻率值將不再與理想諧振角頻率 r? 相等，這時(shí)濾波器所呈現(xiàn)的阻抗將偏離其 極小值，從而使濾波器抑制諧波的效果變壞，這種情況稱為濾波器的失諧。二 階高通濾波器頻率 —阻抗特性如圖 所示。此時(shí)，濾波器的阻抗 RZf ? ,呈純阻性，且阻抗值最小。所以本文也用有源濾波器建立了仿真模型，并簡單的進(jìn)行了仿真分析。 1996 年 7 月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和黑龍江省電力局聯(lián)合開發(fā)的 100kVA廣義電力有源濾波器投入電網(wǎng)試運(yùn)行并通過電力部組織的部級(jí)鑒定。 目前，世界上有源濾波器的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機(jī)公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。但由于當(dāng)時(shí)是采用線性放大的方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，其損耗大、成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室中研究，未能在工業(yè)中實(shí)用。在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的前提下，盡可能減小投資，并將諧波公害抑制到最低程度。 再次，無源電力濾波器由于其既可兼顧無功補(bǔ)償和電網(wǎng)調(diào)壓的需要，也是較為先進(jìn)的混合有源濾波器的重要組成部分。 第 2 頁 無源濾波器的應(yīng)用現(xiàn)狀 首先，在高壓直流輸電工程中，在換流變壓器的兩側(cè)，常常安裝無源直流濾波器和無源交流濾波器，分別安裝在高壓直流輸電換流器的直流側(cè)和交流側(cè)。 無源電力濾波器既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本相對(duì)低廉，是當(dāng)前補(bǔ)償諧波的主要手段。作為濾波裝置的 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，為工程設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。以礦井變電站的諧波抑制為目標(biāo)，對(duì)濾波方案及其適應(yīng)性進(jìn)行仿真分析。對(duì)濾波系統(tǒng)主回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 本文以某礦井直流提升系統(tǒng)為研究背景，對(duì)諧波源進(jìn)行了諧波特性理論分析，并基于MATLAB，通過仿真分析其諧波特性；按照已有的文獻(xiàn)補(bǔ)償容量分配方案，設(shè)計(jì) 無源 濾波器，對(duì)在不同的頻率下仿真的結(jié)果 進(jìn)行了比較。相對(duì)于近些年出現(xiàn)的有源濾波器等新型濾波裝置而言，無源濾波器成本相對(duì)較低，容量大，功能易于實(shí)現(xiàn)，故在我國各大工礦企業(yè)仍有較多應(yīng)用，尤其是在解決大功率設(shè)備濾波時(shí)，由于有源濾波器受容量及投資限制，一般都采用無源濾波器與有源濾波器結(jié)合的混合式濾波裝置。由于直流輸電常常采用大容量遠(yuǎn)距離輸電，故換流變壓器直流側(cè)的輸電電壓等級(jí)常常達(dá)到幾百千伏，其母線短路容量常常達(dá)到幾千兆瓦，我國的葛洲壩 —南橋直流輸電工程，其運(yùn)行指標(biāo)為 177。無源電力濾波器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用也低，在吸收高次諧波方面效果明顯；但其濾波的動(dòng)態(tài)性能不好，頻率發(fā)生偏離，效果變差，而且有可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，使流入系統(tǒng)的諧波電流過大，發(fā)生過載現(xiàn)象。 有源濾波器的應(yīng)用 其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。 1976 年，美國西屋電氣公司的 等人提出了采用 PWM 控制變流器構(gòu)成的有源電力濾波器，確立了有源電力濾波器的概 念、主電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。在日本，有源濾波器技術(shù)已經(jīng)成熟，其產(chǎn)品開始進(jìn)入實(shí)用化階段，僅從 1983年到 1995 年，就有 455 套有源濾波器投入實(shí)際運(yùn)行，容量范圍約由 50kVA 到 60MVA[12]。試驗(yàn)裝置投入運(yùn)行 后，電流畸變率由 %降低為 %。 第 5 頁 本文共分 五 章 :第一章為緒論，介紹了諧波的研究現(xiàn)狀、諧波產(chǎn)生的原因以 及造成的危害等，概述了本文的研究內(nèi)容；第二章主要介紹了目前采用的幾種諧波抑制技術(shù)一一無源濾波器，有源濾波器；第三章無源濾波器的設(shè)計(jì)與仿真；第四章并聯(lián)型有源濾波器的設(shè)計(jì)與仿真；第五章結(jié)論。當(dāng) ? r? 時(shí)， fZ 成容性； 而當(dāng) ? r?時(shí)， fZ 呈感性。可以看出，高通濾波器在高于某個(gè)頻率之后很寬的頻帶范圍內(nèi)呈低阻抗特性 ( nZ ≤R)，用來吸收若干較高次的諧波， 0n 為截止頻率對(duì)應(yīng)的諧波次數(shù)。當(dāng)考慮失諧因素時(shí)，很明顯，濾波器的性能將不能像前面所說的那樣簡單地僅由諧振頻率下的阻抗來決定，而必須考慮諧振頻率附近的阻抗特性。 2．調(diào)諧銳度對(duì)濾波器性能的影響分析 定義，在諧振頻率 r? 下 L 或 C 的電抗 0X 與 R之比 0 1rrLCX LQ R R C R R? ?? ? ? ? () 其中， Q 稱為濾波器的調(diào)諧銳度，或電感線圈的品質(zhì)因數(shù)。實(shí)際上，電感線圈總是具有一定的電阻，即 Q 值為有限值。我們規(guī)定當(dāng) n 滿足 CL nXnX ? 時(shí)的 Q 值為高通濾波器的品質(zhì)因數(shù)。 由此可知，在阻抗取最小值 minZ 時(shí)，其諧波 次數(shù) mn 計(jì)作： ? ?20 21 21 mmm mmnn m ?? ??? () 可知 0n 總是小于 mn 的，而 mn 應(yīng)根據(jù)要濾除的主要諧波次數(shù)選擇， 0n 比已有的最高次單調(diào)諧濾波器次數(shù)至少大 1，以免高通濾波器過多地分流單調(diào)諧濾波器的諧波。 基波無功補(bǔ)償容量為 ? ? ? ? ? ?2111 CUQ ?? () 諧波無功補(bǔ)償容量為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?CnIXIQ mnnn nfnCnn nn 122 100 ???? ?? ?? () 濾波器的總無功補(bǔ)償容量為 ? ?? ?? ????? ?????mm nnnnfnnn nn nIQUQS00212111 () 通常，流過高通濾波器的諧波電流 nI 較小，而在截止頻率 0f 后，濾波器阻抗較小，因此，諧波無功補(bǔ)償容量也較小。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。 根據(jù)前面對(duì)有源濾波器工作原理的分析，與無源濾波器相比，可以看出有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)有： （ 1）對(duì)各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效的抑制，且可提高功率因數(shù)。 電壓型和電流型兩種主電路形式的一些主要區(qū)別在于： （ 1）電壓型 PWM 變流器的直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保持不變，可看作電壓源；電流型 PWM 變流器的直流側(cè)接有大電感，在正常工作時(shí)，其電流基本保持不變，可看作電流源； （ 2）對(duì)于電壓型 PWM 變流器，為保持直流側(cè)電壓不變，需要對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制；對(duì)于電流型 PWM 變流器，為保持直流側(cè)電流不變，需要對(duì)直流側(cè)電流進(jìn)行控制； （ 3）電壓型 PWM 變流器的交流側(cè)輸出電壓為 PWM 波，電流型 PWM 變流器的交流側(cè)輸出電流為 PWM 波 與電壓型 PWM 變流器相比較，電流型有源電力濾波器雖有較高的可靠性，不會(huì)由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障，但 在直流側(cè)需要數(shù)值較大的電感 ，有較高的損耗，因此在V 2V 6V 4V 5V 3abci c ai c ci c bV 1i d c 第 16 頁 一般場合下使用較少。 (2)單次諧波電流正弦波形畸變率 ? ?nDFI ? ? ? ?? ? 001 100?? IID F I nn () 式中 ??nI ——注入交流系統(tǒng)的基波電流有效值； ??1I ——注入交流系統(tǒng)的第 n 次諧波電流有效值。 3）．無功補(bǔ)償容量由于濾波裝置在基波下呈電容性，它可兼作無功補(bǔ)償裝置，所以濾波裝 第 18 頁 置的設(shè)計(jì)應(yīng)該與無功補(bǔ)償問題結(jié)合起來考慮。其中， bC 為無功補(bǔ)償電容器的電容量，而 NZ 為系統(tǒng)諧波等值阻抗。 高通濾波器的參數(shù)確定 高通濾波 器的特性可以由以下兩個(gè)參數(shù)來描述： CCCLCn XUnnnXX UXXUQ2222221)3/(3??????nC QaUX 2?12 2??nnaCXC 11??0111 ?? CnjLjn ??21 nXLX CL ?? ?21nXL C??QXR n?CLXXXXX CLCnLnn ???? 第 20 頁 RCfn ?2 1? () CRLm 2? () 式中 nf 為截止頻率， m 是一個(gè)與高通濾波器品質(zhì)因數(shù) Q 直接有關(guān)的參數(shù)，直接影響著濾波器調(diào)諧曲線的形狀。由式（ ）可知，當(dāng) C、 R 確定后， L與 m 成正比例關(guān)系， m 值越小， L 越小。供電方式為將從該礦變電所來的 6kV 交流電經(jīng)整流變壓器及斷路器送給整流柜。 研 究此工作狀態(tài)下的系統(tǒng)諧波情況 ??18 。武鋼 1700（比利時(shí)ACEC 公司）采用按各次諧波剩余電壓相等的原則分配；聯(lián)邦德國 AEG 公司則從低次到高次按2： 1： 1： 1 的方法分配；聯(lián)邦德國 BBC 公司和聯(lián)邦德 國 SIEMENS 公司采用諧波電流比例法來進(jìn)行分配，而且兩個(gè)公司還有所不同 [。這時(shí)濾波器阻抗偏離其極小值，使濾波效果變差，這種情況稱為濾 波器的失諧。 電容器和電感線圈的參數(shù)偏差為 0000 127 ???? CC () 0000 33 ???? LL () 設(shè)計(jì)時(shí)常 將由參數(shù)偏差 L? 和 C? 所引起的諧振頻率相對(duì)變化量，應(yīng)用諧振頻率與 LC成反比的關(guān)系，等效的處理為系統(tǒng)頻率的偏差，從而得出總的等值頻率偏差或總失諧度 ?????? ?????? CCLLffeq 21? () 由式（ 45） ~（ 48）可以計(jì)算出總失諧度的通常變化范圍 %%6 ??? eq? () 當(dāng)確定最佳 Q 值時(shí)應(yīng)考慮最大的偏頻 m? 。本文采用第三種 AEG 濾波方案。許多文獻(xiàn)對(duì)其參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)做出了大量的研究，已提出了如最佳濾波效益法，電容器安裝容量最小法，固定投資費(fèi)用最低法，基于遺傳算法的濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，等等，而這些已有的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中假設(shè)條件太多、尋優(yōu)空間較小、尋優(yōu)能力不強(qiáng)，因此應(yīng)用起來還不是很成熟。 （ 2）直流電機(jī)參數(shù)：額定功率： 1500kW；額定轉(zhuǎn)矩： ；額定電壓： 800V；額定電流： 1835A；電樞電阻： ? 。 因此式（ ）中常取 ? 。在單調(diào)諧濾波器中，串聯(lián)電阻越小，其調(diào)諧曲線越尖銳。 12211R2R HH HRbnZ 圖 濾波裝置結(jié)構(gòu)圖 在工程實(shí)踐中，常常先初選若干種濾波裝置的方案，接著確定濾波裝置參數(shù)，然后用仿真和計(jì)算的方法，計(jì)算投入濾波裝置后，從濾波特性（母線的諧波電壓含量、總畸變率和注入系統(tǒng)的諧 波電流）、經(jīng)濟(jì)性（投資、損耗）、無功補(bǔ)償、安全性（過電壓、過電流和容量平衡）等多方面對(duì)初選的各種方案進(jìn)步選拔，最終確定最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用、最合理的濾波方案。 4） .濾波器之間的相互影響濾波裝置中的各濾波器之間是相互影響的。對(duì)于高壓線路對(duì)通信的干擾，則通常采用等值干擾電流 pI 或采用TI? 作為指標(biāo) ??17 。 本文采用電壓型 PWM 變流器。對(duì)系統(tǒng)和負(fù)載參數(shù)變化有自適應(yīng)能力，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。 例如，當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流 Li的諧波分量 Lki ，將其反極性后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào) ?ci ，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流 ci ，即與負(fù)載電流中的諧波分量 Lki 大小相 等、方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源電流si 中只含基波，不含諧波。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，應(yīng)充分利用高通濾波器無功補(bǔ)償利用率高的特點(diǎn)。 4．損耗及無功補(bǔ)償對(duì)濾波器性能的影響分析當(dāng) n 次諧波電 流