【導讀】的諧波抑制為目標，對濾波方案及其適應性進行仿真分析。能質量問題，而各種敏感負載對電網的供電質量又提出了更高的求。性及系統(tǒng)諧波阻抗對單調諧濾波器和高通濾波器性能的影響。理論基礎，為工程設計和多目標優(yōu)化提供了設計準則。并基于MATLAB，通過仿真分析其諧波特性；按照已有的文獻補償容量分配方案，設計無源濾波器，對在不同的頻率下仿真的結果進行了比較。然后又對單獨使用的。無源和有源濾波器的補償效果進行了分析。

　　

【正文】 提高功率因數(shù)。 （ 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。對系統(tǒng)和負載參數(shù)變化有自適應能力，可自動跟蹤補償變化著的諧波。 （ 4）用一臺裝置就可以實現(xiàn)對各次諧波和基波無功功率的補償。 （ 5）不 存在過載問題，即當系統(tǒng)中諧波較大時，裝置仍可運行，無需斷開。 有源電力濾波器的主電路形式 有源電力濾波器在實際應用中往往要求容量較大，尤其是單獨使用有源濾波器的時候。 單個 PWM 變流器的主電路形式 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 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 16 頁 +V 1V 2V 6V 4V 5V 3abci c ai c ci c b 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。就其結構而言，這兩種電路與變頻器、靜止無功發(fā)生器（ SVG）等的主電路結構基本相同，只是因應用場合不同，要求不同，控制方法也不同。 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 變流器的直流側接有大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變，可看作電壓源；電流型 PWM 變流器的直流側接有大電感，在正常工作時，其電流基本保持不變，可看作電流源； （ 2）對于電壓型 PWM 變流器，為保持直流側電壓不變，需要對直流側電壓進行控制；對于電流型 PWM 變流器，為保持直流側電流不變，需要對直流側電流進行控制； （ 3）電壓型 PWM 變流器的交流側輸出電壓為 PWM 波，電流型 PWM 變流器的交流側輸出電流為 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，不會由于主電路開關器件的直通而發(fā)生短路故障，但 在直流側需要數(shù)值較大的電感 ，有較高的損耗，因此在一般場合下使用較少。而電壓型 PWM 變流器在它的直流側帶有一個大電容，因為其特性較好，所以現(xiàn)在主要使用的是這種裝置 ??17 。 V 2V 6V 4V 5V 3abci c ai c ci c bV 1i d c 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 17 頁 本文采用電壓型 PWM 變流器。 本章小結 本章首先詳細分析了單調諧濾波器、二階高通濾波器的結構型式和工作原理，并給出了其頻率阻抗關系；其次分析了影響單調諧濾波器、高通濾波器工作性能的參數(shù)，其中包括等值頻偏、調諧銳度、無功補償容量、截止頻率（高通濾波器）等；并對電力系統(tǒng)中諧波阻抗的確定方法，諧波阻抗對濾波器諧波抑制性能的影響進行了分析。接著又分析了有源電力濾波器的基本原理及其主電路形式。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 18 頁 3 無源濾波器的設計與仿真 濾波裝置 設計準則及結構 濾波裝置設計準則 濾波裝置設計的基本任務是：在確定的系統(tǒng)和諧波源的條件下，以最少的投資，達到注入系統(tǒng)的各次諧波電流和母線電壓畸變率的規(guī)定指標，同時還滿足無功補償容量的要求，并保證裝置安全可靠和經濟運行。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。 1）．諧波抑制指標根據(jù)諧波管理規(guī)定，濾波性能的下列指標都應滿足規(guī)定要求： (1)單次諧波電壓正弦波形畸變率 ? ?nDFU ? ? ? ?? ? 001 100?? UUD F U nn () 式中 ??nU ——交流母線基波電壓有效值； ??1U ——交流母線處諧波電流注入電網引起的第 n 次諧波 電壓有效值。 (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)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。對于高壓線路對通信的干擾，則通常采用等值干擾電流 pI 或采用 TI? 作為指標 ??17 。 2）．經濟指標 工程中，交、直流側濾波裝置所占的投資比重相當大。據(jù)某些典型工程報導，濾波裝置約占換流站總投資的 20％。由于濾波裝置由各種不向型式的濾波器組合而成。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。在工程設計中，需要對這些不同方案作經濟分析，以取 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 19 頁 得最佳方案。 3）．無功補償容量由于濾波裝置在基波下呈電容性，它可兼作無功補償裝置，所以濾波裝置的設計應該與無功補償問題結合起來考慮。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。 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。理論計算和實際經驗表明，各濾波器間的影響常比交流系統(tǒng)諧波阻抗的影響大得多，尤其是當系統(tǒng)諧波阻抗較大而各濾波器阻抗較小時，這種相互的影響更為明顯。 濾波裝置的結構 如圖 所示，為濾波裝置的典型結構圖。在此濾波裝置中，含有兩組單調諧濾波器，一組高通濾波器。第一組單調諧濾波器由 1C 、 1L 、 1R ，第二組單調諧濾波器由 2C 、 2L 、 2R 組成。高通濾波器由 HC 、 HL 、 HR 、 Hr 組成，下標 H 代表高通濾波器。其中， bC 為無功補償電容器的電容量，而 NZ 為系統(tǒng)諧波等值阻抗。母線電壓為 NU ， n 次諧波電流源為 ??nI 。 1221L1R2R HCHLHRbnZ 圖 濾波裝置結構圖 在工程實踐中，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)，然后用仿真和計算的方法，計算投入濾波裝置后，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）、經濟性（投資、損耗）、無功補償、安全性（過電壓、過電流和容量平衡）等多方面對初選的各種方案進步選拔，最終確定最經濟、最實用、最合理的濾波方案。 LC 濾波器參數(shù)的確定 通過對諧波源的諧波特性進行分析，可以確定其諧波成分，諧波含量以及總的無功補償容量，從而制定濾波方案。通過一定的補償容量分配方法，確定所設計的 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 20 頁 濾波器組中各濾波器的補償容量，根據(jù)其補償容量計算出各濾波器中元器件的參數(shù)值。 單調諧濾波器的參數(shù)確定 對調諧于 n 次諧波的單調諧濾波器，其 容量設為 nQ ，則濾波器的設計步驟為： （ 1） 確定電容器的電抗值 CX 根據(jù) 圖 21 所示單調諧 濾波器，有： () 因此 () 式中 U —母線額定線電壓， （ 2） 確定電容器容量 C () 式中 1? —基波角頻率 （ 3） 確定電感量 L 當單調諧回路發(fā)生諧振時，感抗和容抗之和為零。即有： 從而 因此 () （ 4） 確定電阻值 R () 式中 Q —濾波器的品質因數(shù) CCCLCn XUnnnXX UXXUQ2222221)3/(3??????nC QaUX 2?12 2??nnaCXC 11??0111 ?? CnjLjn ??21 nXLX CL ?? ?21nXL C??QXR n?CLXXXXX CLCnLnn ???? 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 21 頁 nX —特征電抗 ， 上述 單調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因數(shù)。將在第三章中進行介紹。 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參數(shù)來描述： RCfn ?2 1? () CRLm 2? () 式中 nf 為截止頻率， m 是一個與高通濾波器品質因數(shù) Q 直接有關的參數(shù)，直接影響著濾波器調諧曲線的形狀。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因數(shù)方面是一致的。在單調諧濾波器中，串聯(lián)電阻越小，其調諧曲線越尖銳。而在高通濾波器中，電阻是與電感并聯(lián)連接的，因此，電阻值越大，調諧曲線越尖銳。 一般 Q 值取 ～ ，相應的 m 值在 2～ 。 由于高通濾波器的運行特性對頻率失諧度不敏感，而且在 相當寬的頻帶范圍內，其阻抗大致相等，所以不存在選擇最佳 Q 值的問題。 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。 () () 式中， U —母線額定線電壓， hQ —高通濾波器所補償?shù)臒o功功率 電容量 C 確定之后，根據(jù)式（ ）和（ ）可確定濾波器的電阻值 R、電感量 L 的值。 由式（ ）可知，當 C、 R 確定后， L 與 m 成正比例關系， m 值越小， L 越 小。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。 因此式（ ）中常取 ? 。 單獨設計好各個濾波器之后，還需要進行進一步的計算和校核。 hC QaUX 2?CXC 11??12 2??nna 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 22 頁 無源濾波器的仿真 電力系統(tǒng)中最大的諧波源是整流器，而礦井配電系統(tǒng)中，主要的諧波源也是大功率整流裝置，另外還有交 交變頻裝置。本章