【正文】 hC QaUX 2?CXC 11??12 2??nna 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)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。 因此式（ ）中常取 ? 。 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。 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。 一般 Q 值取 ～ ，相應(yīng)的 m 值在 2～ 。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。 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(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。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) 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(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 nX —特征電抗 ， 上述 單調(diào)諧濾波器設(shè)計過程中，有兩個關(guān)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)。通過一定的補償容量分配方法，確定所設(shè)計的 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)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。 1221L1R2R HCHLHRbnZ 圖 濾波裝置結(jié)構(gòu)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。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。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。 濾波裝置的結(jié)構(gòu) 如圖 所示，為濾波裝置的典型結(jié)構(gòu)圖。 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。 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(shè)計應(yīng)該與無功補償問題結(jié)合起來考慮。其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此，從滿足技術(shù)要求的角度來說，往往有多種不同的濾波裝置方案。據(jù)某些典型工程報導(dǎo)，濾波裝置約占換流站總投資的 20％。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(biāo) ??17 。 (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。以下簡要介紹在濾波器設(shè)計過程中，需要遵循和考慮的一些因素。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。 V 2V 6V 4V 5V 3abci c ai c ci c bV 1i d c 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 本文采用電壓型 PWM 變流器。 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，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，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(cè)電壓不變，需要對直流側(cè)電壓進行控制；對于電流型 PWM 變流器，為保持直流側(cè)電流不變，需要對直流側(cè)電流進行控制； （ 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，因此在一般場合下使用較少。 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(cè)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(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)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(guān)器件的代號，實際應(yīng)用中主電路使用的電力電 子開關(guān)器件可用 GTO、 BJT、 IGBT 和電力 MOSFET 等器件。 （ 5）不 存在過載問題，即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時，裝置仍可運行，無需斷開。對系統(tǒng)和負載參數(shù)變化有自適應(yīng)能力，可自動跟蹤補償變化著的諧波。 根據(jù)前面對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)點有： （ 1）對各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效的抑制，且可提高功率因數(shù)。這樣，補償電流與負載電流中的諧波及無功成分相抵消，電源電流等于負載電流的基波有功分量。上述原理可用如下的一組公式描述： CLs iii ?? () LkLfL iii ?? () Lkc ii ?? () LfcLs iiii ??? () 式中 , Lfi —負載電流的基波分量。 例如，當(dāng)需要補償負載所產(chǎn)生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負載電流 Li 的諧波分量 Lki ，將其反極性后作為補償電流的指令信號 ?ci ，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流 ci ，即與負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。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。有源電力濾波器（ APF）系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路 (由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三個部分構(gòu)成 )。有源電力濾波器系統(tǒng)原理圖如圖 所示，其基本工作原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中諧波及無功等電流相抵消，最終得到期望的電源電流。在設(shè)計濾波器時，應(yīng)充分利用高通濾波器 無功補償利用率高的特點。 基波無功補償容量為 ?? ?? ??2111 CUQ ?? () 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 諧波無功補償容量為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?CnIXIQ mnnn nfnCnn nn 122 100 ???? ?? ?? () 濾波器的總無功補償容量為 ? ?? ?? ????? ?????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，諧波無功補償容量也較小。 下面來分析高通濾波器所產(chǎn)生的無功補償容量。增加 C 值，有利于降低 RnP 值。 4．損耗及無功補償對濾波器性能的影響分析當(dāng) n 次諧 波電流 ??nI 通過高通濾波器時，電阻中分流電流 RnI 有： ? ?nRn Imnn nmI 2220 ?? () 電阻中功率損耗為 ? ?CnIRIP RnRnR 1022 1?? ??? () 由 ()代入上式，得 ? ?? ?? ?CmnnnImnP nRn122200222 1?? ?? () 可見， m 值將會影響損耗， m 值越小， Q 值越大，則損耗越小，但阻抗頻率特性在通頻帶內(nèi)變化較大，影響對高次諧波濾波的效果。 由此可知，在阻抗取最小值 minZ 時，其 諧波次數(shù) mn 計作： ? ?20 21 21 mmm mmnnm ?? ??? () 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。通常，高通濾波器的運行特性對頻率和元件參數(shù)偏差是不敏感的，所以可不考慮頻偏對其的影響。 圖 不同品質(zhì)因數(shù)下高通濾波器的頻率阻抗特性 通常記 CRLQm221 ?? () 參數(shù) m 的值一般在 ～ 2 范圍內(nèi)，故 Q 值大約為 ～ 。正如前述，在單調(diào)諧濾波器電路中，串聯(lián)電阻越小，則其調(diào)諧曲線越尖銳，而在高通濾波器中，由于電阻是與電感并聯(lián)連接的，因此電阻越大，曲線就越尖銳。我們規(guī)定當(dāng) n 滿足 CL nXnX ? 時的 Q 值為高通濾波器的品質(zhì)因數(shù)。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 2．調(diào)諧銳度對濾波器性能的影響分析 對于高通濾波器，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。反之 0ff? 時，阻抗較小，變化也不大，稱為通頻帶。在 n 次調(diào)諧回路中除了通過諧波電流 ??fnI 外，還通過由 ??1U 引起的基波電流 ????1nI , ????1nI 為 ? ?? ? ? ?11111nUILC ???? () 對于 n 次調(diào)諧濾波器，有 1 11nLnC? ?? () 中國礦業(yè)