【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 第 5 頁(yè) 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。 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 第 6 頁(yè) 圖 無(wú)源濾波器分類(lèi) 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 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(chēng)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 () 第 7 頁(yè) 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。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(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 。 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) 第 8 頁(yè) 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(chēng)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(chēng)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?chē)鷾囟鹊淖兓?、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(chēng)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?? () 第 9 頁(yè) rRQL ?? () 同時(shí)，考慮頻偏 δ，由 ()、 ()， ? ?1nr? ? ???，得 21 1fZ R jQ ?? ??????????? () 在頻率偏差不大的范圍內(nèi)， 1?? ，可以近似地認(rèn)為 ? ? 0 11 2 2fZ R j Q X jQ????? ? ? ????? () 2 2 2 201 4 4fZ R Q X Q???? ? ? ? () 圖 不同品質(zhì)因數(shù)下單調(diào)諧濾波器阻抗頻偏特性 由濾波器阻抗模的表達(dá)式 ()，可以得出不同的品質(zhì)因數(shù)下，單調(diào)諧濾波器的頻偏 —阻抗特性曲線，如圖 所示?？芍?， Q 值越大，在理想諧振點(diǎn)處，濾波器阻抗 fZ 越小 。 當(dāng) Q →∞ 時(shí)， R→0 ， fZ → 02X? 。在諧振頻率點(diǎn)，濾波器阻抗 fZ 為零。但在頻率發(fā)生偏移時(shí)，濾波器阻抗變化比較大，在較小頻偏率下，濾波器性能會(huì)發(fā)生較大的變化。因而，在濾波器設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)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(wú)法起到對(duì)于特定次諧波濾除的作用。實(shí)際上，電感線圈總是具有一定的電阻，即 Q 值為有限值。 3．無(wú)功補(bǔ)償容量對(duì)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(yè) 值，因此可以近似的認(rèn)為交流母線電壓只含基波分量 ??1U 。在 n 次調(diào)諧回路中除了通過(guò)諧波電流 ??fnI外，還通過(guò)由 ??1U 引起的基波電流 ????1nI , ????1nI 為 ? ?? ? ? ?11111nUILC ???? () 對(duì)于 n 次調(diào)諧濾波器，有 1 11nLnC? ?? () 得 1 2 11L nC? ?? () 代入 ()，得 ? ?? ? ? ?21112 1n nI C Un???? () 對(duì)于濾波電容器，因?yàn)橛???fnI 和 ????1nI 通過(guò)，它的安裝容量是基波無(wú)功容量 ??1Q 和諧波無(wú)功容量??nQ 之和，即 ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 21111n fn n nS Q Q I IC n C????? ? ? ? ??? () 對(duì)于濾波支路，輸出的基波無(wú)功容量為 ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?21221111 1 Un nCIUQ nn ???? ? () 則濾波支路的無(wú)功安裝容量為 ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?? ? ???????? ???? n nfnn nQIUQn nS12211221 () 影響高通濾波器性能的參數(shù)研究 1．截止頻率對(duì)濾波器性能的影響分析對(duì)于高通濾波器，由于電感 L 被電阻 R 旁路，其并聯(lián)合成阻抗不可能超過(guò)電阻值，因此，它不像單調(diào)諧濾波器那樣，只對(duì)某一頻率呈現(xiàn)低阻抗，而是有一個(gè)較低的阻抗頻率范圍。當(dāng)頻率 0ff? 時(shí)，濾波器阻抗明顯增加，使低次諧波電流難 第 11 頁(yè) 以通過(guò)，此頻率稱(chēng)為截止頻率 0f 。反之 0ff? 時(shí)，阻抗較小，變化也不大，稱(chēng)為通頻帶。通常截止頻率 RCf ?2 10 ? () 0f 對(duì)應(yīng)的截 止諧波次數(shù) 0n 為 ? ? ? ? RXRCfffn C 11100 2 1 ??? ? () 式中 ??1f 為基波頻率。 2．調(diào)諧銳度對(duì)濾波器性能的影響分析 對(duì)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。在上式中， Q 值和 n 有關(guān)。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)。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(lái)反映濾波器的調(diào)諧銳度則是一致的。正如前述，在單調(diào)諧濾波器電路中，串聯(lián)