【正文】 大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 11 頁 得 1 2 11L nC? ?? () 代入 ()，得 ? ?? ? ? ?21112 1n nI C Un???? () 對于濾波電容器，因為有 ??fnI 和 ????1nI 通過，它的安裝容量是基波無功容量 ??1Q 和諧波無功容量 ??nQ 之和，即 ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 21111n fn n nS Q Q I IC n C????? ? ? ? ??? () 對于濾波支路，輸出的基波無功容量為 ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?21221111 1 Un nCIUQ nn ???? ? () 則濾波支路的無功安裝容量為 ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ?? ? ???????? ???? n nfnn nQIUQn nS12211221 () 影響高通濾波器性能的參數研究 1．截止頻率對濾波器性能的影響分析對于高通濾波器，由于電感 L 被電阻 R旁路，其并聯合成阻抗不可能超過電阻值，因此，它不像單調諧濾波器那樣，只對某一頻率呈現低阻抗，而是有一個較低的阻抗頻率范圍。實際上，電感線圈總是具有一定的電阻，即 Q 值為有限值。但在頻率發(fā)生偏移時，濾波器阻抗變化比較大，在較小頻偏率下，濾波器性能會發(fā)生較大的變化。 當 Q →∞ 時， R→0 ， fZ → 02X? 。 由式 ()可以得出 1rC RQ?? () rRQL ?? () 同時，考慮頻偏 δ，由 ()、 ()， ? ?1nr? ? ???，得 21 1fZ R jQ ?? ??????????? () 在頻率偏差不大的范圍內， 1?? ，可以近似地認為 ? ? 0 11 2 2fZ R j Q X jQ????? ? ? ????? () 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 10 頁 2 2 2 201 4 4fZ R Q X Q???? ? ? ? () 圖 不同品質因數下單調諧濾波器阻抗頻偏特性 由濾波器阻抗模的表達式 ()，可以得出不同的品質因數下，單調諧濾波器的頻偏 —阻抗特性曲線，如圖 所示。 2．調諧銳度對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 稱為濾波器的調諧銳度，或電感線圈的品質因數。電感值的偏差與電抗器制造誤差及電感量的調整方式（抽頭調節(jié)或是連續(xù)調節(jié)）等有關。實際上對于因溫度影響使濾波器參數變化而造成的失諧，可以隨季節(jié)變化改變元件參數，使濾波器調諧在所要求的諧振頻率附近盡可能小的范圍內。在濾波器設計中，常將由參數偏差 L? 和 C? 所引起的諧振頻率相對變化量， 應用諧振頻率與LC 乘積的平方根成反比的關系，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? ? ?? ? ? 通常電網頻率最大變化范圍為 177。當考慮失諧因素時，很明顯，濾波器的性能將不能像前面所說的那樣簡單地僅由諧振頻率下的阻抗來決定，而必須考慮諧振頻率附近的阻抗特性。 影響單調諧濾波器性能的參數研究 1． 等值頻偏對濾波器性能的影響分析 在電力系統(tǒng)運行過程中，實際頻率 f與其額定值 nf 總有一定偏差，因而使各次諧波頻率發(fā)生相應的偏移。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 圖 高通濾波器阻抗頻率特性 影響濾波器性能的參數研究 本節(jié)將對影響濾波性能的參數進行探討。對于低次諧波電流，電容元件呈高阻抗特性，因此低次諧波電流無法通過；對于中頻諧波電流，電容元件與電感元件調諧，構成低阻抗回路，因此次中頻諧波電流通過 ；對于高次諧波電流，電容元件與電阻元件構成一階高通濾波器，對高次諧波呈低阻抗特性，使其通過?？梢钥闯?，高通濾波器在高于某個頻率之后很寬的頻帶范圍內呈低阻抗特性 ( nZ ≤R)，用來吸收若干較高次的諧波， 0n 為截止頻率對應的諧波次數。當 ω→∞ 時， nZR? ，濾波器的阻抗為 R 所限制 。 Zn 圖 單調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)。通常 R 取值較小時，該次諧波電流將通過低值電阻 R 分流，使注入交流系統(tǒng)的諧波電流較小，從而使相應的諧波電壓大為降低，達到對該次諧波進行抑制的目的。當 ? r? 時， fZ 成容 性；而當 ? r? 時， fZ 呈感性。在諧振角頻率LC1r ?? 時，電容的容抗與電感的感抗大 小相等，此時電容、電感相應的電抗值CLCLX rr ??? ?? 10 。 RCLRCLRCLC 1CLRC 1 a)單調諧濾波器 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 無源濾波器分類 單調諧濾波器 單調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 串聯而成。工程上實用的無源濾波裝置一般由一組或數組單調諧濾波器組成，每組單調諧濾波器調諧于需要濾除的諧波頻率上或者諧波頻率附近，當需要濾除更高頻率的諧波電流而幅值又較小時可以再加一組高通濾波器。 本文共分 五 章 :第一章為緒論，介紹了諧波的研究現狀、諧波產生的原 因以及造成的危害等，概述了本文的研究內容；第二章主要介紹了目前采用的幾種諧波抑制技術一一無源濾波器，有源濾波器；第三章無源濾波器的設計與仿真；第四章并聯型有源濾波器的設計與仿真；第五章結論。 (3)由于無源波器 LC的參數一旦確定后，應用過程中不能再改變，不能根據系統(tǒng)中諧波情況的變化而變化，即不能實現動態(tài)補償。 (2)以某礦井直流提升系統(tǒng)為研究背景，對諧波源進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，通過仿真得到的諧波特性與經過理論分析得到的諧波特性基本相同。主要工作和研究內容如下： (1)作為工程設計和多目標優(yōu)化的設計準則，本文先對無源電力濾波器進行基礎理論研究。試驗裝置投入 運行后， 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 電流畸變率由 %降低為 %。 1992 年 10 月，由華北電力試驗所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯合開發(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)運行，并同時通過能源部和冶金部組織的技術鑒定。 我國在有源電力濾波器方面的研究起步較晚，直到 1989 年才見到這方面的研究文章， 1993 年才見到實驗性的工業(yè)應用報道，但其中所采用的諧波和無功電流檢測方法陳舊，補償效果不理想。從實際投入的設備來看，有源濾波器與負載的連接大多將并聯型作為一種標準方式，主電路多為電壓型。在日本，有源濾波器技術已經成熟，其產品開始進入實用化階段，僅從 1983 年到 1995 年，就有 455 套有源濾波器投入實際運行，容量范圍約由 50kVA 到 60MVA[12]。 80 年代至今，在工業(yè)和民用設備上開始廣泛使用有源濾波器，并且單機裝置的容量逐步提高，其應用領域從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質量的方向發(fā)展。這一時期的一個重大突破是 1983 年赤木泰文等人提出了 “三相電路瞬時無功功率理論 ”[6]，該理論突破了建立在平均值基礎上的傳統(tǒng)無功功率概念，以該理論為基礎的諧波和無功電流檢測方法在有源濾波器中得到了成功的應用，極大地促進了有源濾波器的發(fā)展，目前已成為有源濾波器的主要基礎理論之一。 進入 80 年代以后，隨著電力電子技術以及 PWM 控制技術的飛速發(fā)展， GTO，IGBT 等大功率可關斷器件的出現和不斷進步，對有源濾波器的研究逐漸活躍起來，成為電力電子技術領域的研究熱點之一。 1976 年，美國西屋電氣公司的 等人提出了采用 PWM 控制變流器構 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 4 頁 成的有源電力濾波器，確立了有源電力濾波器 的概念、主電路的基本拓撲結構和控制方法，即利用可控的功率半導體器件向電網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，達到實時補償諧波電流的目的。 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。 有源濾波器的發(fā)展最早可以追溯到本世紀 60 年代末， 1969 年 和 發(fā)表的論文 [6]中，描述了通過向交流電網注入三次諧波電流來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。從原理上講，與無源濾波器相比，有源濾波器濾波特性不受系統(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)和負載的參數變化有自適應能力，可自動跟蹤并補償變化的諧波，而且反應速度快，具有高度可控性。 有源濾波器的應用 其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等方向相反的補償電流，從而使電網電流只含有基波分量。 因此在無源濾波器設計時，需結合實際中出現的問題，采取適當的設計方案和檢驗措施，充分考慮諸如頻率偏移、系統(tǒng)與濾波器諧振、環(huán)境變化對濾器的影響等可能出現的問題，盡力完善優(yōu)化設計參數。特別是在一個復雜的電力系統(tǒng)中，這兩個參數的變化規(guī)律很難精確預知，因此一個實際的濾波器要滿足要求的諧波衰減是困難的； (4)當系統(tǒng)阻抗參數和頻率變化時，濾波器可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯諧振 (從負載側看 )或串聯諧振 (從電源側看 )。因此，通過有源與無源電力濾波器的組合 ——混合濾波器，使其發(fā)揮各自的優(yōu)點，有著廣泛的應用前景 ??4 。無源電力濾波器結構簡單、造價低，運行費用也低，在吸收高次諧波方面效果明顯；但其濾波的動態(tài)性能不好，頻率發(fā)生偏離，效果變差，而且有可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，使流入系統(tǒng)的諧波電流過大，發(fā)生過載現象。安裝在這類非線性負 載側的無源電力濾波器，電壓等級常常為幾到幾十千伏。除濾波作用外，無源直流濾波器與無源交流濾波器在具體技術要求 稍有不同：交流側濾波裝置在基波下呈電容性，因而可兼作無功補償裝置，設計時應與無功補償裝置結合考慮；而直流側濾波裝置主要限于抑制對鄰近通信線路的干擾，因此，所考慮的頻率范圍通常從基波到 100 次諧波 ??3 。500 千伏， 1200 安培， 1200 兆瓦。由于直流輸電常常采用大容量遠距離輸電，故換流變壓器直流側的輸電電壓等級常常達到幾百千伏，其母線短路容量常常達到幾千兆瓦，我國的葛洲壩 —南橋直流輸電工程，其運行指標為 177。并且隨著技術的發(fā)展和 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 成熟，混合型電力濾波器 ——無源與有源濾波器技術的結合己經日趨完善，進入實際應用領域。 無源濾波器 無源濾波器是目前廣泛應用的電力濾波裝置。無源濾波器設計通常并不復雜，但其設計卻需要考慮多種經濟技術和安全因素，單憑一個指標難以評價設計質量的優(yōu)劣，在實際工程設計中應綜合考慮各個指標，是典型的多目標、非線性優(yōu)化問題；若處理不當，極易造成濾波效果不佳、初期投資增加、系統(tǒng)無功功率過補償等不良后果，甚至導致無源濾波器與電網阻抗發(fā)生串、并聯諧振而造成損壞，加之電網電抗及頻率攝動以及濾波裝置投切瞬 間浪涌電流的作用，極可能使電網中諧波放大，可能造成某次濾波通道燒毀、甚至整個濾波裝置自身難以投切的嚴重后果。相對于近些年出現的有源濾波器等新型濾波裝置而言，無源濾波器成本相對較低，容量大，功能易于實現，故在我國各大工礦企業(yè)仍有較多應用，尤其是在解決大功率設備濾波時，由于有源濾波器受容量及投資限制