【正文】 () 在頻率偏差不大的范圍內(nèi)， 1?? ，可以近似地認(rèn)為 ? ? 0 11 2 2fZ R j Q X jQ????? ? ? ????? () 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 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(dá)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。可知， Q 值越大，在理想諧振點(diǎn)處，濾波器阻抗 fZ 越小 。 當(dāng) Q →∞ 時(shí)， R→0 ， fZ → 02X? 。在諧振頻率點(diǎn)，濾波器阻抗 fZ 為零。但在頻率發(fā)生偏移時(shí)，濾波器阻抗變化比較大，在較小頻偏率下，濾波器性能會(huì)發(fā)生較大的變化。因而，在濾波器設(shè)計(jì)過程中，如果最大頻偏率下，某一 Q 值不能達(dá)到濾波的要求，則應(yīng)減小 0X ，來降低 Q 值，使濾波器的阻抗特性曲線平坦些，以滿足頻偏情況下的濾波要求 ,當(dāng) Q ? 0 時(shí)， 0 0X ? ，或 R?? ，此時(shí)，濾波器阻抗完全呈阻性，對(duì)于頻率不敏感，無法起到對(duì)于特定次諧波濾除的作用。實(shí)際上，電感線圈總是具有一定的電阻，即 Q 值為有限值。 3．無功補(bǔ)償容量對(duì)濾波器性能的影響分析 由于系統(tǒng)的諧波電壓最終將限制在很小的數(shù)值，因此可以近似的認(rèn)為交流母線電壓只含基波分量 ??1U 。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(duì)于 n 次調(diào)諧濾波器，有 1 11nLnC? ?? () 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 得 1 2 11L nC? ?? () 代入 ()，得 ? ?? ? ? ?21112 1n nI C Un???? () 對(duì)于濾波電容器，因?yàn)橛???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(duì)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(duì)濾波器性能的影響分析對(duì)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(duì)某一頻率呈現(xiàn)低阻抗，而是有一個(gè)較低的阻抗頻率范圍。當(dāng)頻率 0ff? 時(shí)，濾波器阻抗明顯增加，使低次諧波電流難以通過，此頻率稱為截止頻 率 0f 。反之 0ff? 時(shí)，阻抗較小，變化也不大，稱為通頻帶。通常截止頻率 RCf ?2 10 ? () 0f 對(duì)應(yīng) 的截止諧波次數(shù) 0n 為 ? ? ? ? RXRCfffn C 11100 2 1 ??? ? () 式中 ??1f 為基波頻率。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 2．調(diào)諧銳度對(duì)濾波器性能的影響分析 對(duì)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。在上式中， Q 值和 n 有關(guān)。我們規(guī)定當(dāng) n 滿足 CL nXnX ? 時(shí)的 Q 值為高通濾波器的品質(zhì)因數(shù)。因此有 CLRQ? () 但注意，在高通濾波器所定義的 Q 值與單調(diào)諧濾波器中定義的 Q 值不同，但是用 Q值來反映濾波器的調(diào)諧銳度則是一致的。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。所以這樣定義的高通濾波器的 Q 值，也是用來表示濾波器的調(diào)諧銳度 ??15 。 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 ～ 。不同的 m 值，影響高通濾波器的阻抗頻率特性，如圖 所示。通常，高通濾波器的運(yùn)行特性對(duì)頻率和元件參數(shù)偏差是不敏感的，所以可不考慮頻偏對(duì)其的影響。 3．阻抗對(duì)濾波器性能的影響分析 由諧波次數(shù) n 、截止諧波次數(shù) 0n 、 m 得 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 高通濾波器的阻抗表達(dá)式，得： ? ??????? ?????? ?????3220220202222 1nm nnnmmnnjnnm RnmZ f () 可知當(dāng) ??n 時(shí) ， RZf ? ，即可說明，高通濾波器在 0f 至無限大的頻率范圍內(nèi)，它的阻抗是與它的電阻 R 同數(shù)量級(jí)的；當(dāng)高通濾波器電路中電阻很大時(shí)，其特性與單調(diào)諧濾波器相似。 由此可知，在阻抗取最小值 minZ 時(shí)，其 諧波次數(shù) mn 計(jì)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。且對(duì)于高通濾波器，若截止頻率 0f 選得過低，有功損耗增加太大。 4．損耗及無功補(bǔ)償對(duì)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(shí)，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(huì)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(duì)高次諧波濾波的效果。與此同時(shí)，我們還可以看出，對(duì)于一定的 nI 值，若取低了，將使 RnP 大大增加。增加 C 值，有利于降低 RnP 值。必須指出，高通濾波器電阻中工頻 (基波 )損耗往往不占主要地位，因?yàn)楣ゎl電流大部分被電抗器所分流。 下面來分析高通濾波器所產(chǎn)生的無功補(bǔ)償容量。高通濾波器電容器的無功補(bǔ)償容量包括基波無功補(bǔ)償容量 ??1Q 及諧波無功容量 ??nQ 。 基波無功補(bǔ)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(jì) 第 14 頁 諧波無功補(bǔ)償容量為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?CnIXIQ mnnn nfnCnn nn 122 100 ???? ?? ?? () 濾波器的總無功補(bǔ)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(bǔ)償容量也較小。高通濾波器的基波無功補(bǔ)償容量 1Q 占總無功補(bǔ)償容量 CQ 的比重較大，其無功容量利用率較高，且基波損耗不大。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，應(yīng)充分利用高通濾波器 無功補(bǔ)償利用率高的特點(diǎn)。 有源電力濾波器 有源電力濾波器的基本原理 有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。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(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)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。 圖 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成 圖 中， se 表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器（ APF）系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路 (由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三個(gè)部分構(gòu)成 )。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時(shí)也稱之為諧波和~ 負(fù) 載指 令 電 流運(yùn) 算 電 路電 流 跟 蹤控 制 電 路驅(qū) 動(dòng)電 路主 電 路i si Li cA P Fe s 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 無功電流檢測(cè)電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路目前均采用 PWM 變流器，在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，主要作為逆變器工 作 ??16 。 例如，當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流 Li 的諧波分量 Lki ，將其反極性后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào) ?ci ，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流 ci ，即與負(fù)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。這樣就達(dá)到了抑制電源電流中諧波的目的。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(fù)載電流的基波分量。 如果要求有源電力濾波器在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，則只要在補(bǔ)償電流的指令信號(hào)中增加與負(fù)載電流的基波無功分量反極性的成 分即可。這樣，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波及無功成分相抵消，電源電流等于負(fù)載電流的基波有功分量。根據(jù)同樣的原理，有源濾波器還可對(duì)不對(duì)稱三相電路的負(fù)序電流等進(jìn)行補(bǔ)償。 根據(jù)前面對(duì)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(diǎn)有： （ 1）對(duì)各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效的抑制，且可