【正文】 nIRIP 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 mmnn m ?? ??? () 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 第 12 頁 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)。 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? ?? () 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(shù)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(lián)合成阻抗不可能超過電阻值，因此，它不像單調(diào)諧濾波器那樣，只對某一頻率呈現(xiàn)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(dāng) Q →∞ 時， R→0 ， fZ → 02X? 。 由式 ()可以得出 1rC RQ?? () 第 9 頁 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(nèi)， 1?? ，可以近似地認為 ? ? 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。 2．調(diào)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(diào)諧銳度，或電感線圈的品質(zhì)因數(shù)。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)。實際上對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)變化改變元件參數(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)。在濾波器設(shè)計中，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(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。當(dāng)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(diào)諧濾波器性能的參數(shù)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(yīng)的偏移。 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)將對影響濾波性能的參數(shù)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(diào)諧，構(gòu)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(gòu)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(nèi)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(yīng)的諧波次數(shù)。當(dāng) ω→∞ 時， nZR? ，濾波器的阻抗為 R所限制。 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(yīng)的諧波電壓大為降低，達到對該次諧波進行抑制的目的。當(dāng) ? r? 時， fZ 成容性； 而當(dāng) ? 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(yīng)的電抗值 CLCLX rr ??? ?? 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 圖 無源濾波器分類 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。工程上實用的無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可以再加一組高通濾波器。 第 5 頁 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，概述了本文的研究內(nèi)容；第二章主要介紹了目前采用的幾種諧波抑制技術(shù)一一無源濾波器，有源濾波器；第三章無源濾波器的設(shè)計與仿真；第四章并聯(lián)型有源濾波器的設(shè)計與仿真；第五章結(jié)論。 (3)由于無源波器 LC的參數(shù)一旦確定后，應(yīng)用過程中不能再改變，不能根據(jù)系統(tǒng)中諧波情況的變化而變化，即不能實現(xiàn)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(jīng)過理論分析得到的諧波特性基本相同。主要工作和研究內(nèi)容如下： (1)作為工程設(shè)計和多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計準(zhǔn)則，本文先對無源電力濾波器進行基礎(chǔ)理論研究。試驗裝置投入運行 后，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(lián)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(shù)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(yīng)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(shè)備來看，有源濾波器與負載的連接大多將并聯(lián)型作為一種標(biāo)準(zhǔn)方式，主電路多為電壓型。在日本，有源濾波器技術(shù)已經(jīng)成熟，其產(chǎn)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(shè)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(yīng)用領(lǐng)域從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)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(chǔ)上的傳統(tǒng)無功功率概念，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無功電流檢測方法在有源濾波器中得到 第 4 頁 了成功的應(yīng)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(chǔ)理論之一。 進入 80 年代以后，隨著電力電子技術(shù)以及 PWM 控制技術(shù)的飛速發(fā)展， GTO， IGBT 等 大功率可關(guān)斷器件的出現(xiàn)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(shù)領(lǐng)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(gòu)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(jié)構(gòu)和控制方法，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)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(jì) 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(wǎng)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(shù)變化有自適應(yīng)能力，可自動跟蹤并補償變化的諧波，而且反應(yīng)速度快，具有高度可控性。 有源濾波器的應(yīng)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(chǎn)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(wǎng)電流只含有基波分量。 第 3 頁 因此在無源濾波器設(shè)計時，需結(jié)合實際中出現(xiàn)的問題，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)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(xiàn)的問題，盡力完善優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。特別是在一個復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，這兩個參數(shù)的變化規(guī)律很難精確預(yù)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(dāng)系統(tǒng)阻抗參數(shù)和頻率變化時，濾波器可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振 (從負載側(cè)看 )或串聯(lián)諧振 (從電源側(cè)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