【導讀】以礦井變電站的諧波抑制為目標，對。對濾波系統(tǒng)主回路進行設計。非線性負載的大量應用給電網(wǎng)帶來了嚴重的諧波污染，并由此產(chǎn)生了一系列電能質(zhì)量問題，而各種敏感負載對電網(wǎng)的供電質(zhì)量又提出了更高的求。無源電力濾波器因其結構簡單、設備投。資少、運行可靠性高、運行費用低，成為電力系統(tǒng)中最普遍的諧波抑制設備。調(diào)諧濾波器和高通濾波器性能的影響?；峁┝嗽O計準則。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并聯(lián)型有源濾波器進行了參數(shù)

　　

【正文】 電容性，它可兼作無功補償裝置，所以濾波裝 第 18 頁 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(jīng)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(diào)諧濾波器，一組高通濾波器。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。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 。 12211R2R HH HRbnZ 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(jīng)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(jīng)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(diào)諧濾波器的參數(shù)確定 對調(diào)諧于 n 次諧波的單調(diào)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 第 19 頁 根據(jù) 圖 21 所示單調(diào)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(diào)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(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)。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： 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 是一個與高通濾波器品質(zhì)因數(shù) Q 直接有關的參數(shù)，直接影響著濾波器調(diào)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(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。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。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(diào)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(nèi)，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。 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。本章針對礦井配電系統(tǒng)的特點，用 MATLAB 軟件對該系統(tǒng)用不同方法所設置的無源濾波器進行仿 真研究。 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。該直流提升系統(tǒng)由 6 脈動變流電路供電，電動機采用他勵式直流電動機，調(diào)速方式為調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速。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。 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 。 （ 2）直流電機參數(shù)：額定功率： 1500kW；額定轉矩： ；額定電壓： 800V；額定電流： 1835A；電樞電阻： ? 。 （ 3）整流變壓器參數(shù)：容量： kVA2400 ；一次側電壓： kVU 61? ；二次側電壓：VU 9002 ? ；接法： Y/? 。 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，相關系統(tǒng)參數(shù)計算如下。 短路容量越大，系統(tǒng)阻抗越小，諧波畸變率越小，因此本研究方案取 6kV 母線處的短路容量為最小值。 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 ? 直流側串接電抗器電感實際取值 mHLd 4? 。 提升系統(tǒng)工作在額定負載下時，電樞電流為額定值，此時整流電路觸發(fā)控制角 ? 為 ?47 ，此時電機的反電動勢為 VE 745? 。 研 究此工作狀態(tài)下的系統(tǒng)諧波情況 ??18 。 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。許多文獻對其參數(shù)的優(yōu)化設計做出了大量的研究，已提出了如最佳濾波效益法，電容器安裝容量最小法，固定投資費用最低法，基于遺傳算法的濾波器參數(shù)設計方法，等等，而這些已有的優(yōu)化設計方法中假設條件太多、尋優(yōu)空間較小、尋優(yōu)能力不強，因此應用起來還不是很成熟。常用的設計方法一般還是根據(jù)工程經(jīng)驗或簡單的技術經(jīng) 濟指標來選擇參數(shù)， LC 參數(shù)的選取通過反復計算和比較來實現(xiàn)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，二是如何確定最佳的品質(zhì)因數(shù)。 (1) 補償容量的確定 根據(jù)諧波源的諧波特性，可以確定一組濾波電路。這一組濾波電路的總補償容量，可以由系統(tǒng)參數(shù)得到。但各次濾波回路的補償容量分配，目前還沒有統(tǒng)一的方法。武鋼 1700（比利時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行分配，而且兩個公司還有所不同 [。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。本文采用第三種 AEG 濾波方案。 (2) 最佳品質(zhì)因數(shù)的確定 濾波器的濾波效果會受到系統(tǒng)阻抗的影響，為了獲得最優(yōu)的濾波效果，需要選擇最佳品質(zhì)因數(shù) Q 值。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。 討論 最佳品質(zhì)因數(shù)的確定首先需考慮濾波器的失諧問題。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。這樣，當取濾波器的諧振頻率與系統(tǒng)額定頻率下的某次諧波頻率相等時，在系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時二者就不再相等。這時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。 電容器和電感線圈的參數(shù)偏差為 0000 127 ???? CC () 0000 33 ???? LL () 設計時常 將由參數(shù)偏差 L? 和 C? 所引起的諧振頻率相對變化量，應用諧振頻率與 LC成反比的關系，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）可以計算出總失諧度的通常變化范圍 %%6 ??? eq? () 當確定最佳 Q 值時應考慮最大的偏頻 m? 。最佳 Q 值的確定過程十分復雜，這里不再詳述，具體由（ ）式來描述 ? ?mmopt ctgQ ??2 2? () 式， m? —系統(tǒng)最大阻抗角。一般最佳 Q 值約在 30~60 范圍內(nèi)