【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在無(wú)功和諧波電流的時(shí)實(shí)檢測(cè)和控制策略上，還有很多不成熟、值得探討的地方。 有源濾波器的發(fā)展最早可以追溯到本世紀(jì) 60 年代末， 1969 年 和 發(fā)表的論文 [6]中，描述了通過(guò)向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流來(lái)減少電源電流中的諧波成分，從而改善電源電流波形的新方法。在該文中雖未出現(xiàn)有源濾波器一詞，但其描述的方法是有源濾波器基本思想的萌芽。 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。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。 1976 年，美國(guó)西屋電氣公司的 等人提出了采用 PWM 控制變流器構(gòu) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 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。從原理上看， PWM 變流器是一種理想的補(bǔ)償電流發(fā)生電路，但是由于當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)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(yàn)研究的階段，進(jìn)展緩慢 ??5 。 進(jìn)入 80 年代以后，隨著電力電子技術(shù)以及 PWM 控制技術(shù)的飛速發(fā)展， GTO，IGBT 等大功率可關(guān)斷器件的出現(xiàn)和不斷進(jìn)步，對(duì)有源濾波器的研究逐漸活躍起來(lái)，成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 1982 年第一臺(tái)有源濾波器在日本投入實(shí)際運(yùn)行 [5]。這一時(shí)期的一個(gè)重大突破是 1983 年赤木泰文等人提出了 “三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論 ”[6]，該理論突破了建立在平均值基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)無(wú)功功率概念，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法在有源濾波器中得到了成功的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了有源濾波器的發(fā)展，目前已成為有源濾波器的主要基礎(chǔ)理論之一。此后不久，Akagi 等人研制成功一臺(tái) 7kVA 的有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)裝置，用于補(bǔ) 償 20kVA 三相全控橋整流器產(chǎn)生的諧波和無(wú)功獲得成功，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了有源電力濾波器的可行性和實(shí)用性 [7]。 80 年代至今，在工業(yè)和民用設(shè)備上開(kāi)始廣泛使用有源濾波器，并且單機(jī)裝置的容量逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 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(guó)西屋電氣公司、德國(guó)西門子公司等。在日本，有源濾波器技術(shù)已經(jīng)成熟，其產(chǎn)品開(kāi)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]。其中， 200kVA 以下的占 70％左右，超過(guò) 1000kVA 的約為 7％，實(shí)際上，近幾年來(lái) 50kVA 以下的臺(tái)數(shù)增加顯著，也反映了對(duì)諧波抑制重要性的認(rèn)識(shí)在提高。從實(shí)際投入的設(shè)備來(lái)看，有源濾波器與負(fù)載的連接大多將并聯(lián)型作為一種標(biāo)準(zhǔn)方式，主電路多為電壓型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)出的 355 臺(tái)設(shè)備中，僅有 4 臺(tái)與負(fù)載的連接為串聯(lián)型或串聯(lián)混合型，而且大部分中小容量的有源濾波器中，主回路采用的器件基本為 IGBT，只有容量達(dá)到 MW 級(jí)的大容量裝置才使用 GTO。 我國(guó)在有源電力濾波器方面的研究起步較晚，直到 1989 年才見(jiàn)到這方面的研究文章， 1993 年才見(jiàn)到實(shí)驗(yàn)性的工業(yè)應(yīng)用報(bào)道，但其中所采用的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法陳舊，補(bǔ)償效果不理想。近幾年來(lái)進(jìn)行這方面研究的單位在逐年增加，對(duì)有源濾波器的研究給予了充分重視，取得了一些進(jìn)步。 1992 年 10 月，由華北電力試驗(yàn)所、冶金部自動(dòng)化研究院和北京供電公司聯(lián)合開(kāi)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(yùn)行，并同時(shí)通過(guò)能源部和冶金部組織的技術(shù)鑒定。 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(kāi)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(guò)電力部組織的部級(jí)鑒定。試驗(yàn)裝置投入 運(yùn)行后， 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 電流畸變率由 %降低為 %。 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本課題對(duì)交流無(wú)源濾波裝置的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究，并進(jìn)行了仿真 ，第四章基于無(wú)源濾波器的不能跟蹤控制補(bǔ)償?shù)牟蛔?，又單?dú)對(duì)并聯(lián)型有源濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真 。主要工作和研究?jī)?nèi)容如下： (1)作為工程設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本文先對(duì)無(wú)源電力濾波器進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究。首先對(duì)無(wú)源濾波器的結(jié)構(gòu)型式和工作原理進(jìn)行深入的分析，然后對(duì)濾波器的等值頻偏、品質(zhì)因數(shù)、濾波器的無(wú)功補(bǔ)償容量以及系統(tǒng)諧波阻抗等參數(shù)對(duì)濾波器性能的影響進(jìn)行總結(jié)和分析。 (2)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 仿真軟件建立了系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)仿真得到的諧波特性與經(jīng)過(guò)理論分析得到的諧波特性基本相同。 基于已有文獻(xiàn)， 根據(jù) 第三種 補(bǔ)償容量分配方法，制定了 LC 濾波方案。 (3)由于無(wú)源波器 LC的參數(shù)一旦確定后，應(yīng)用過(guò)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。所以本文也用有源濾波器建立了仿真模型，并簡(jiǎn)單的進(jìn)行了仿真分析。 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?jī)?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(wú)源濾波器，有源濾波器；第三章無(wú)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。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 2 濾波器的理論及性能研究 無(wú)源濾波器的結(jié)構(gòu)型式及其特性 目前常用的無(wú)源電力濾波器電路結(jié)構(gòu)有單調(diào)諧濾波器 (STF)、高通濾波器 (HPF)等；其中，常見(jiàn)的高通濾波器又有二階、三階和 C 型幾種，如圖 所示。工程上實(shí)用的無(wú)源濾波裝置一般由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，每組單調(diào)諧濾波器調(diào)諧于需要濾除的諧波頻率上或者諧波頻率附近，當(dāng)需要濾除更高頻率的諧波電流而幅值又較小時(shí)可以再加一組高通濾波器。 下面分別將對(duì)兩種典型的濾波器 ——單調(diào)諧濾波器與高通濾波器的阻頻特性、工作原理進(jìn)行分析 ??10 。 RCLRCLRCLC 1CLRC 1 a)單調(diào)諧濾波器 b)二階高通濾波器 c)三階高通濾波器 d)C 型高通濾波器 圖 無(wú)源濾波器分類 單調(diào)諧濾波器 單調(diào)諧濾波器的電路原理如圖 所示，由電容器 C 、電抗器 L、電阻 R 串聯(lián)而成。易知，其阻抗 fZ 與角頻率 ω之間的關(guān)系為 ?????? ??? CLjRZ f ?? 1 () 單調(diào)諧濾波器頻率 —阻抗特性如圖 所示，其中為諧振次數(shù)。在諧振角頻率LC1r ?? 時(shí)，電容的容抗與電感的感抗大 小相等，此時(shí)電容、電感相應(yīng)的電抗值CLCLX rr ??? ?? 10 。此時(shí)，濾波器的阻抗 RZf ? ,呈純阻性，且阻抗值最小。當(dāng) ? r? 時(shí)， fZ 成容 性；而當(dāng) ? r? 時(shí)， fZ 呈感性。 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(duì)于該次諧波電流，濾波器所呈現(xiàn)的阻抗為極小值 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) RZf ? 。通常 R 取值較小時(shí)，該次諧波電流將通過(guò)低值電阻 R 分流，使注入交流系統(tǒng)的諧波電流較小，從而使相應(yīng)的諧波電壓大為降低，達(dá)到對(duì)該次諧波進(jìn)行抑制的目的。在極端情況 R=0 時(shí)，濾波器對(duì)于該次諧波的阻抗為零，相應(yīng)的諧波被完全抑制。 Zn 圖 單調(diào)諧濾波器阻抗頻率特性 高通濾波器 高通濾波器也稱減幅濾波器，常見(jiàn)的有二階高通濾波器 (圖 b)、三階高通濾波器 (圖 c)、 C 型高通濾波器 (圖 d)。 二階高通濾波器，阻抗與頻率之間的關(guān)系為： ???????? ????????????? ????CLR LRjLR LRLjRCjZ f ??????? 1111 2222222221 () 從二階高通濾波器的結(jié)構(gòu)和以上的阻抗表達(dá)式均可看出，當(dāng) R→∞ 時(shí)，高通濾波器將轉(zhuǎn)化成單調(diào)諧濾器，其諧振頻率為 1r LC? ? 。當(dāng) ω→∞ 時(shí)， nZR? ，濾波器的阻抗為 R 所限制 。二階高通濾波器頻率 —阻抗特性如圖 所示?？梢钥闯觯咄V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(lái)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)。 二階高通濾波器的工作原理是：將其電路結(jié)構(gòu)等效看作是一階高通濾波器與調(diào)諧濾波器并聯(lián)。對(duì)于低次諧波電流，電容元件呈高阻抗特性，因此低次諧波電流無(wú)法通過(guò)；對(duì)于中頻諧波電流，電容元件與電感元件調(diào)諧，構(gòu)成低阻抗回路，因此次中頻諧波電流通過(guò) ；對(duì)于高次諧波電流，電容元件與電阻元件構(gòu)成一階高通濾波器，對(duì)高次諧波呈低阻抗特性，使其通過(guò)。因此，高通濾波器可使中高頻的諧波電流通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)高通濾波的功能 ??12 。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 圖 高通濾波器阻抗頻率特性 影響濾波器性能的參數(shù)研究 本節(jié)將對(duì)影響濾波性能的參數(shù)進(jìn)行探討。其中包括單調(diào)諧濾波器調(diào)諧銳度、頻偏特性、無(wú)功補(bǔ)償特性等；高通濾波器頻率響應(yīng)特性、品質(zhì)因數(shù)特性、頻偏特性等對(duì)濾波器的性能等；系統(tǒng)等效阻抗特性對(duì)濾波性能的影響。 影響單調(diào)諧濾波器性能的參數(shù)研究 1． 等值頻偏對(duì)濾波器性能的影響分析 在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)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(yīng)的偏移。這樣，當(dāng)取濾波器的諧振頻率為系統(tǒng)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。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(shuō)的那樣簡(jiǎn)單地僅由諧振頻率下的阻抗來(lái)決定，而必須考慮諧振頻率附近的阻抗特性。為此，令實(shí)際諧振頻率 ??n? 對(duì)理想諧振頻率 r? 偏差的相對(duì)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(yùn)行過(guò)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(guò)程中可能存在誤差，從 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 而使實(shí)際參數(shù)和相應(yīng)的諧振頻率偏離其設(shè)計(jì)值，這也造成濾波器的失諧。在濾波器設(shè)計(jì)中，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 乘積的平方根成反比的關(guān)系，等效地近似處理為系統(tǒng)頻率的偏差，從而得出總的等值頻率偏差或總失諧度 ? ?1122r LCr LCLC ??? ? ? ??? ????? ? ? ? ? ????? () 式中， ? ?rrn? ? ?? ? ? 通常電網(wǎng)頻率最大變化范圍為 177。1%，所以 ??? ? （即 ）。實(shí)際上對(duì)于因溫度影響使濾波器參數(shù)變化而造成的失諧，可以隨季節(jié)變化改變?cè)?shù)，使濾波器調(diào)諧在所要求的諧振頻率附近盡可能小的范圍內(nèi)。電容值的偏差與電容器制造誤差、成組的配合精度、電容的溫度系數(shù)及運(yùn)行溫度變化等因素有關(guān) ??13 。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(guān)。在工程中，常取 L?? ? 、 ? ?? ,則 ? ?? 。 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)。工程中的單調(diào)諧濾波器的 Q 值常常達(dá)到 100 及以上，以減少能量損耗。 由式 ()可以得出 1rC RQ?? () rRQL ?? () 同時(shí)，考慮頻偏 δ，由 ()、 ()， ? ?1nr? ? ???，得 21 1fZ R jQ ?? ???????????