【正文】 影響高通濾波器性能的參數(shù)研究 ........................................................... 11 有源電力濾波器 ..................................................................................................14 有源電力濾波器的基本原理 ....................................................................14 有源電力濾波器的主電路形式 ...............................................................15 本章小結 .............................................................................................................17 3 無源濾波器的設計與仿真 .........................................................................................18 濾波裝置設計準則及結構 .................................................................................18 濾波裝置設計準則 ....................................................................................18 濾波裝置的結構 ........................................................................................19 LC 濾波器參數(shù)的確定 ........................................................................................19 無源濾波器的仿真 ..............................................................................................22 系統(tǒng)參數(shù) ....................................................................................................22 參數(shù)的選擇 ................................................................................................22 仿真及分析 ................................................................................................24 本章小結 ..............................................................................................................34 4 并聯(lián)型有源濾波器的設計與仿真 ................................................................................35 諧波電流的檢測方法 ..........................................................................................35 補償電流發(fā)生電路 ..............................................................................................37 并聯(lián)型有源濾波器的仿真 ..................................................................................41 本章小結 ..............................................................................................................46 5 結論 ...............................................................................................................................47 參考文獻 ...........................................................................................................................48 翻譯部分 ...........................................................................................................................50 中文譯文 ....................................................................................................................50 英文原文 ....................................................................................................................60 致 謝 ...............................................................................................................................71 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 1 緒論 課題背景及研究目的 電力系統(tǒng)的諧波問題早在 20 世紀 20 年代和 30 年代就引起了人們的注意，隨著電網(wǎng)中整流器、變頻調速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設備用量不斷增加，這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，對供電質量造成嚴重污染。 目前，解決諧波問題的措施可分為三類，其一是采用無源電力濾波器 (Passive Power Filter，簡稱為 PPF)的低阻特性對畸變源進行濾波；其二是采用有源電力濾波器（ Active Power Filter，簡稱為 APF），有源濾波器作為一種理想的諧波電流發(fā)生源，產生與畸變源大小相等方向相反的諧波電流以抵消其畸變分量，從而使電源電流波形成為正弦波；最后，是通過改造電 力電子裝置本身去治理諧波畸變。 無源電力濾波器既可以補償諧波，又可以補償無功功率，而且結構簡單，成本相對低廉，是當前補償諧波的主要手段。 在無源濾波器的設計中，對 LC 元件參數(shù)的優(yōu)化是關鍵，同時在有源與無源濾波器相結合的混合式濾波器中，為了降低有源濾波器的安裝容量，同樣存在著對 LC參數(shù)的優(yōu)化問題。因此，研究無源濾波器，并對其參數(shù)進行優(yōu)化設計具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義 ??2 。根據(jù)目前投入使用的無源濾波器運行的電壓等級，可大致分為大型濾波器及中小型濾波器。 無源濾波器的應用現(xiàn)狀 首先，在高壓直流輸電工程中，在換流變壓器的兩側，常常安裝無源直流濾波器和無源交流濾波器，分別安裝在高壓直流輸電換流器的直流側和交流側。270177。同時，應用于高壓直流輸電工程的無源電力濾波器，常常屬于大型濾波器。 其次，對于工業(yè)領域的非線性負載，如電弧爐、電氣化鐵路、變頻調速裝置等，常常采用就近諧波補償?shù)脑瓌t，安裝無源交流電力濾波器，對其產生的諧波進行補償，以確保這些非線性負荷的正常工作，并同時盡可能減小對外界電網(wǎng)的污染。 再次，無源電力濾波器由于其既可兼顧無功補償和電網(wǎng)調壓的需要，也是較為先進的混合有源濾波器的重要組成部分。而有源電力濾波器對各次諧波和分數(shù)次諧波都可以有效的抑制，而且在系統(tǒng)阻抗、頻率發(fā)生波動時，不會影響補償效果，不會產生諧振現(xiàn)象，并能抑制由于外電路的諧振產生的諧波電流；但 結構復雜，造價高，運行損耗大，且容量較小。 無源濾波器存在的問題 盡管無源濾波器有著廣泛的應用，但隨著諧波網(wǎng)絡的復雜化和諧波源的多變性，實際運行中暴露出如下的一些問題： (1)如果電源系統(tǒng)中諧波電流超量時，濾波器將過載； (2)由于高次諧波的范圍較大，需設置多個無源濾波支路，當有基波電流流過濾波器各支路時，使整個裝置容量大， 損耗增加，致使裝置體積龐大； (3)無源濾波器的濾波效果將隨系統(tǒng)運行情況而變化，特別是對交流電源的阻抗 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 和頻率的變化極其敏感，在這種情況下難以保證濾波效果。使濾波裝置無法正常運行，嚴重時將導致局部電網(wǎng)的崩潰； (5)當濾波器元件參數(shù)隨外界環(huán)境變化而發(fā)生變化時，將影響濾波器 的正常工作，甚至導致元件損壞。在滿足設計指標要求的前提下，盡可能減小投資，并將諧波公害抑制到最低程度。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影 響，因而受到廣泛的重視，得到了廣泛的研究。但就目前的情況看，有源濾波器還存在很多不足，主要表現(xiàn)為設備的初期投資大、所需容量大、開關損耗和運行成本高，在無功和諧波電流的時實檢測和控制策略上，還有很多不成熟、值得探討的地方。在該文中雖未出現(xiàn)有源濾波器一詞，但其描述的方法是有源濾波器基本思想的萌芽。但由于當時是采用線性放大的方法產生補償電流，其損耗大、成本高，因而僅在實驗室中研究，未能在工業(yè)中實用。從原理上看， PWM 變流器是一種理想的補償電流發(fā)生電路，但是由于當時電力電子技術的發(fā)展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，因而有源電力濾波器的研制仍局限于試驗研究的階段，進展緩慢 ??5 。 1982 年第一臺有源濾波器在日本投入實際運行 [5]。此后不久，Akagi 等人研制成功一臺 7kVA 的有源電力濾波器實驗裝置，用于補 償 20kVA 三相全控橋整流器產生的諧波和無功獲得成功，其實驗結果證明了有源電力濾波器的可行性和實用性 [7]。 目前，世界上有源濾波器的主要生產廠家有日本三菱電機公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。其中， 200kVA 以下的占 70％左右，超過 1000kVA 的約為 7％，實際上，近幾年來 50kVA 以下的臺數(shù)增加顯著，也反映了對諧波抑制重要性的認識在提高。據(jù)統(tǒng)計，在生產出的 355 臺設備中，僅有 4 臺與負載的連接為串聯(lián)型或串聯(lián)混合型，而且大部分中小容量的有源濾波器中，主回路采用的器件基本為 IGBT，只有容量達到 MW 級的大容量裝置才使用 GTO。近幾年來進行這方面研究的單位在逐年增加，對有源濾波器的研究給予了充分重視，取得了一些進步。 1996 年 7 月，哈爾濱工業(yè)大學和黑龍江省電力局聯(lián)合開發(fā)的 100kVA 廣義電力有源濾波器投入電網(wǎng)試運行并通過電力部組織的部級鑒定。 本課題主要研究內容 本課題對交流無源濾波裝置的設計方法進行了深入的研究，并進行了仿真 ，第四章基于無源濾波器的不能跟蹤控制補償?shù)牟蛔悖謫为殞Σ⒙?lián)型有源濾波器進行了設計與仿真 。首先對無源濾波器的結構型式和工作原理進行深入的分析，然后對濾波器的等值頻偏、品質因數(shù)、濾波器的無功補償容量以及系統(tǒng)諧波阻抗等參數(shù)對濾波器性能的影響進行總結和分析。 基于已有文獻， 根據(jù) 第三種 補償容量分配方法，制定了 LC 濾波方案。所以本文也用有源濾波器建立了仿真模型，并簡單的進行了仿真分析。 中國礦業(yè)大學 2020 屆本科生畢業(yè)設計 第 6 頁 2 濾波器的理論及性能研究 無源濾波器的結構型式及其特性 目前常用的無源電力濾波器電路結構有單調諧濾波器 (STF)、高通濾波器 (HPF)等；其中，常見的高通濾波器又有二階、三階和 C 型幾種，如圖 所示。 下面分別將對兩種典型的濾波器 ——單調諧濾波器與高通濾波器的阻頻特性、工作原理進行分析 ??10 。易知，其阻抗 fZ 與角頻率 ω之間的關系為 ?????? ??? CLjRZ f ?? 1 () 單調