（电路与系统专业论文）基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士论文基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计 摘要 随着大量具有非线性特征的电力设备如电力机车、电弧炉、变频设备等投入电网 运行，谐波污染变得越来越严重。传统的无源滤波器即l c 滤波器具有结构简单，运 行可靠性较高，运行费用较低等优点，而且它既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率， 在国内一直被广泛使用。但是无源滤波器的滤波效果依赖于系统阻抗特性，并且容易 受到网络上谐波污染程度、温度漂移、滤波电容老化以及非线性负荷变化等因素的影 响，甚至造成谐波电流放大，这些存在的问题严重影响了无源滤波器的性能。 本文研究并设计了一种基于可控电抗器的单调谐滤波器，可用于对单次谐波如3 次、5 次或7 次谐波的滤除。该滤波器弥补了传统无源滤波器的不足，能够跟踪谐波 并抑制谐波放大。其核心思想是利用可控电抗器连续调节电感量从而保持滤波器在谐 振点附近工作。本文利用d s p 处理器1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 实现可控电抗器的连续可调。 该设计分为强电、弱电两部分。强电部分包括大电压大电流的隔离变换部分以及 调谐滤波器的设计部分；弱电部分采用d s p 为主控元件实现，它主要由数据采集模 块、分析处理模块和对外控制模块构成。本文通过整流电路，对所设计的可控单调谐 滤波器的滤波效果进行验证。 关键词：谐波，单调谐滤波器，可控电抗器，d s p 摘要 硕士论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r en o n f i n e a re l e c t r i cp o w e rl o a d ss u c ha se l e c t r i cp o w e re n g i n e ，e l e c t r i c a r cf u m a c ea n de q u i p m e n to ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na r ec o n n e c t e di n t oe l e c t r i cp o w e r n e t w o r k ，w h i c hc a u s eh e a v yh a r m o n i cp o l l u t i o ni np o w e rs y s t e m t h et r a d i t i o n a lp a s s i v e f i l t e ra l s on a m e da sl cf i l t e rh a si t sa d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g ho p e r a t i o n r e l i a b i l i t y ，l o wo p e r a t i o nc o s ta n ds oo n ，a n di tc a nc o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n dv a r ，s oi t s w i d e l yu s e d b u tt h ee f f e c to ft h ep a s s i v ef i l t e rd e p e n d so n t h es y s t e mi m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa n di t i s e a s i l y a f f e c t e d b y t h en e t w o r k sh a r m o n i c p o l l u t i o n d e g r e e ，t e m p e r a t u r ee x c u r s i o n ，f a l t e rc a p a c i t a n c ea g i n g ，a n d t h ei n f l u e n c eo fn o n l i n e a r l o a d s c h a n g i n g ，a n dm o r ei tc a u s e sm a g n i f yo fh a r m o n i cc u r r e n t t h e s ep r o b l e m si n f l u e n c e t h ep a s s i v ef i l t e r sp e r f o r m a n c eh e a v i l y t h i sp a p e rs t u d i e sa n dd e s i g n sas i n g l et u n e df i l t e rb a s e do nac o n t r o l l a b l er e a c t o r , i t c o u l df i l t e ro d dh a r m o n i c ss u c ha s3 r do r5 t ho r7 t ha n ds oo n t h i sf i l t e rc o n q u e r st h e t r a d i t i o n a lp a s s i v ef i l t e r sd e f i c i e n c y ，i ti sc a p a b l eo ft r a c k i n gh a r m o n i ca n dc o n q u e r i n g m a g n i f yo fh a r m o n i c i t sm a i ni d e a i st ou s ec o n t r o l l a b l er e a c t o rt oa d j u s ti n d u c t a n c e c o n t i f l u o u s l y ，s ot ok e e pf i l t e rw o r k i n ga r o u n dr e s o n a n c ep o i n t t h i sd e s i g nb a s e so nd s p p r o c e a s o rt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2t or e a l i z ec o n t r o l l a b l er e a c t o r sc o n t i n u o u sa d j u s t m e n t t h ed e s i g nc o n s i s t so ft w op a r t s o n ep a r ti n c l u d e st h ei n s u l a t i o na n dc o n v e r s a t i o no f h i g hv o l t a g ea n dc u r r e n t ，t h eo t h e rp a r tu s e sd s p a sc o n t r o l l e r ，i tc o n s i s t so fd a t ac o l l e c t i o n m o d u l e ，t h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nm o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l ee t c t h ed e s i g nm a k e s u s e o ft h er e c t i f i e rc i r c u i tt oc h e c ko u tt h eu s e dm e t h o da n dt h ed e s i g n e dc o n 仃o l l a b l es i n g l e t u n e df j l t e r k e y w o r d s ：h a r m o n i c s ，s i n g l et u n e df i l t e r , c o n t r o l l a b l er e a c t o r , d s p 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 茸釜6 年了月圭日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存木学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理： 研究生签名： 犀立盘】6 年了月；日 硕士论文基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计 第1 章绪论 1 1 本文选题背景与研究意义 随着电力电子技术的发展，大量的电力电子装置投入电网运行，如整流电路、交 流变频传动和高压直流输电系统等。传统的电力电子装置属典型的非线性设备，这些 设备的挂网运行将在电力系统中产生严重的谐波污染，不仅在输配电和用电系统中引 起额外的电能损耗，降低输配电设备的运行效率，使电能质量下降，还影响用电设备 的安全经济运行，增加对通讯等系统的干扰。所以，高次谐波被视为电力系统的“污 染”和“公害”。总之，谐波问题以及谐波的治理问题随着电力系统的发展愈来愈引 起广泛的关注。 通常的谐波源可分为： ( 1 ) 电力电子装置，包括变速传动装置、整流器、开关电源和晶闸管控制系统等。 ( 2 ) 电弧装置，包括电弧炉、荧光灯和水银灯等。 ( 3 ) 饱和设备，包括变压器、电动机和发电机等。 对电力系统来说，电力谐波的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 增加输、供和用电设备的额外损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率 和经济效益。 ( 2 ) 影响继电保护和自动装置的工作可靠性。特别对于电磁式继电器来说，电力 谐波常会引起继电保护及自动装置误动或者拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低， 由此容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。 ( 3 ) 对通讯系统工作产生干扰。电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流 通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作， 影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安 全。 ( 4 ) 对用电设备产生影响。电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度 发生波动变化，并使机内的元件温度出现过高，使计算机及数据处理系统出现错误， 严重时甚至损害机器。 此外，电力谐波还会使测量和计量仪器的指示不准确，并对整流装置等产生不良 影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的一大公害。 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装 设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的：另一条是对电力电子装置 本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 ，这只适用于作为主要谐波 源的电力电子装置。 绪论硕士论文 装设谐波补偿装置的传统方法就是l c 调谐滤波器。这种方法既可以补偿谐波， 又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的缺点是补偿特性 受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波 器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如 此，l c 滤波器仍是补偿谐波的最主要的手段 1 】。 一方面，以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备启停等 造成电能质量问题的因素不断增加；另一方面，随着各种复杂的、精密的、对电能质 量敏感的用电设备不断普及，人们对电能质量的要求越来越高；另外，电能质量问题 对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大， 使得电能质量直接关系到国民经济的总体效益。而在供电可靠性和电网电压幅度的稳 定水平等指标上，我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量，已成为国内外电 工领域迫切需要解决的重要课题之一【2 4 】。 1 2 国内外研究动态及发展趋势 谐波治理的方案有多种，目前广泛采用的方法是装设滤波器。滤波器包括有源滤 波器和无源滤波器，在无源滤波器中，电力系统中常见的是单调谐滤波器、双调谐滤 波器与高通滤波器。单调谐滤波器是一种有效的并且得到广泛应用的谐波抑制装置， 它具有结构简单、安全可靠、经济实用等特点。尽管近年来滤波性能更加优良的有源 电力滤波器得到快速发展和应用，但在超高压大容量系统中，单调谐滤波器还处于非 常重要的地位。然而，l c 调谐滤波器具有许多固有的缺点和限制，如存在与系统电 抗发生谐振的可能、滤波效果对电网和滤波器元件参数的变化比较敏感等。因此，研 究新型调谐滤波器的结构，改善调谐滤波器的滤波性能，提高调谐滤波器的适用范围 和参数变化自适应能力一直是调谐滤波器的研究方向【6 】。 ( 1 ) 自调谐滤波器 鉴于固定参数l c 调谐滤波器的上述缺点，国内外很早就开展了自调谐滤波器的 研究。自调谐实现的方法有r 7 】： 由于在滤波器元件中，电容器的电容量对温度较为敏感，若能维持电容器恒 温，则可减小电容量的变化幅度，所以可采用自动恒温控制的电容器。 利用机械开关自动投切位于地电位的电容器单元，根据需要自动改变滤波电 容值。 利用机械开关自动调整电抗器的分接头，根据需要自动改变滤波电感值。 利用晶闸管静止开关自动调整电抗器的分接头，根据需要自动改变滤波电感 值。 自调谐滤波器的特点是滤波器参数的调节是有级的，不能调整到最佳状态。 硕士论文基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计 ( 2 ) 自动连续调谐滤波器 由于自调谐滤波器仍有自身的缺点，如何使滤波器参数连续可调成为一个研究的 方向。a b b 公司在1 9 9 3 年试运行一种基于正交磁化电抗器的新型交流滤波器交流 连续调谐滤波器【9 】，并试用于瑞典某3 0 0 m w 高压直流输电系统中。交流连续调谐滤波 器的核心部件是一种基于铁心正交磁化原理的可调电抗器。 交流连续调谐滤波器具有一系列优点，它具有良好的失谐自动补偿性能，使其品 质因数高达2 0 0 ，而一般调谐滤波器的品质因数通常在3 0 - - 6 0 ，因而具有更好的滤波性 能和更小的运行功耗；其次，由于采用铁心结构，体积小，减小了滤波器的占地面积， 而且响应速度快，可靠性高。 ( 3 ) 有源调谐滤波器 利用计算机测控技术，控制电压源逆变器的端口电压和电流关系，使其呈感性或 容性，从而可以构成一个参数可以连续调节的虚拟电抗器或电容器。虚拟电抗器的概 念主要由日本学者h f u n a t o 等人在1 9 9 2 年提出 10 1 ，并在其后相继进行了理论试验研究 1 1 , 1 2 。 将虚拟电抗器概念引入到交流调谐滤波器中，用虚拟电抗器实现电抗器的连续调 节，形成无源与有源的混合型滤波器拓扑结构l c 与虚拟电抗器串联调谐滤波器。 有源调谐滤波器与一般的混合滤波器具有基本相同的电路拓扑，只是控制策略不同， 因此也可称为混合滤波器或有源滤波器。 文u 3 提出了另一种磁通可控的可调电抗器结构，通过在带气隙变压器的二次侧 采取有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流，改变二次侧电流 的大小便可实现变压器一次侧连续可调。如果从变压器一次侧电流中提取出某次谐波 电流并注入到二次侧，则可调节变压器一次侧的谐波电抗，从而构成一种新型有源滤 波器。 目前，谐波抑制的另一个重要趋势是采用有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e r f i l t e r ) 。早在7 0 年代初期，日本学者提出了有源滤波器概念【l ”，1 9 7 6 年美国西屋电 气公司l g y u g i 提出了利用大功率p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 逆变器构成a p f 消除电网谐波1 。进入8 0 年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，以及 基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出 16 l 1 ，有源滤波器才得以迅 速发展。 电能质量己成为供用电双方共同关注的问题，谐波是电能质量的一个主要方面， 作为谐波抑制装置的滤波器必将得到广泛应用，常规l c 调谐滤波器和新型有源滤波 器各有其优缺点和应用范围，但将有源技术和调谐滤波器相结合而形成的自动连续调 谐滤波器会成为谐波抑制装置的一个重要发展方向。另外由无源滤波器p p f ( p a s s i v e p o w e rf i l t e r ) 和有源滤波器构成的混合滤波系统h p f s ( h y b r i dp o w e rf i l t e rs y s t e m ) 因 3 绪论 硕士论文 具有成本低和滤波效果好等优点，日益得到人们的重视，也是将来一个重要的发展方 甸 6 , 1 8 , 1 9 1 。 1 3 公用电网谐波电压和谐波电流限值 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的 危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波 的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网 谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备免受谐波干扰能正常工作。 随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污 染的设备提出明确的限制。i e e e 一5 1 9 1 9 9 2 就是应这样的需要而制定的。这个标准最 初是由用户和供电部门联合发起制定的，旨在限制过电压和配电系统中的电流畸变。 谐波畸变的测试点被称为耦合点，该点通常位于计量电表处。标准规定在耦合点处， 单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的3 。该标准一方面可以满足计量电表的精 度，另一方面能保证用户系统中负载引起的谐波问题对公用供电系统的影响在可接受 的范围内。1 9 9 3 年我国颁布实施了g b f r l 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波【2 u 】。 这个标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，这些标准的发布无疑为 提高我国的电能质量水平起到了促进作用。该标准从1 9 9 4 年3 月1 日起开始实施。 对于现有供电网络或待建电网中的电力污染情况，解决的方法有两个：一是局部重组 电网结构，分离或隔离产生电力污染的设备；二是使用电源净化滤波设备进行治理， 有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围。 对于不同等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越高，谐波 限制越严。另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。表1 3 1 给出了公 用电网谐波电压限值，表1 3 2 给出了注入公共连接点的谐波电流允许值。 表1 3 1 公用电翻谐波电压( 相电压) 限值 4 电网标称电压总谐波各次谐波电压含有率( ) 电压 畸变率奇次偶次 ( k v ) ( ) o 3 85 o4 02 0 6 4 0 3 21 6 1 0 3 53 02 4 1 2 6 6 1 1 02 o1 60 8 堡主笙苎垩! 旦堡里苎塑塑兰塑堂望望墅竺! 茎兰望生 表1 3 2 注入公共连接点的诣波电流允许值 标准电压o 3 861 03 56 61 1 0 ( k v ) 基准短路容l o 1 0 0 1 0 02 5 05 0 07 5 0 量( m v a ) 27 84 32 61 51 61 2 36 23 42 01 21 3 9 6 4 3 9 2 l 1 3778 1 5 6 0 56 23 42 01 21 3 ， 9 6 62 61 4855 15 4 4 0 谐 74 42 4 1 58 8 93 6 8 波 81 9l l643 _ 84 13 0 次 92 11 16 84l4 332 数 l o1 68 55 13l332 4 及 1 l 2 8 1 6 9 35 6 594 3 谐 1 2 1 37l432 6272 0 波 1 32 41 37 94 75 o37 电 1 41 l6 1 3 7 2 22 317 流 1 5 ， 1 26 8 4l252 61 9 允 1 6975332192 o1 5 许 1 7】81 06 o3 638 28 值 1 88 64 72 - 81 71 8l _ 3 a 1 91 69o 5 4 3 23 4 2 5 2 0784 32 61 5161 2 2 l894 92918l91 4 2 27 139231 41 51 1 2 31 4744 52 72 82 1 2 465362 11 31 41 0 2 51 26 84l2 52 61 9 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表1 3 2 中规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，按式( 1 3 1 ) 修正表1 3 2 中的谐波电流允许值。 ，r ：f s x l ， ( 1 3 1 ) o k 2 式中：s 。，公共连接点的最小短路容量，m v a ； s x 2 基准短路容量，m v a ； ，。附表1 3 2 中第n 次谐波电流允许值，a ； ，。短路容量为s 。时的第t 次谐波电流允许值，a 。 5 绪论硕士论文 1 4 本文研究的主要内容及主要工作 传统的单调谐滤波器具有结构简单、安全可靠、经济实用等特点。尽管近年来滤 波性能更加优良的有源电力滤波器得到快速发展和应用，但在超高压大容量系统，单 调谐滤波器还处于非常重要的地位。但是因某些原因，如制造误差、元件老化、环境 温度变化等因素使l c 实际值偏离理论设计值，或电源频率因负荷变化波动而导致滤 波器失谐，从而使滤波器效果变差，而且单调谐滤波器不能实时跟踪谐波的变化对谐 波进行滤除。 减小失谐的基本途径有：用高性能滤波元件或某种措施以减小元件参数的变 化，如对电容器室恒温控制等；用一种自动调谐元件以补偿l 、c 和万的变化，如 通过适时适量地调节滤波电容器或电抗器的参数补偿失谐。方法只能解决单个元件 的参数变化，不能全面解决失谐且成本较高；方法需一种能在线自动调节的电容器 或电抗器，最好连续可调【2 1 。2 】。本文主要是设计基于可控电抗器的单调谐滤波器，以 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为控制器，实现实时可调。 论文主要工作： ( 1 ) 在实验室通过实测数据对可控电抗器的特性进行分析和研究； ( 2 ) 基于可控电抗器的单调谐滤波器的建模与仿真。以整流电路和直流输电工 程为背景在p s c a d 中建立模型，对谐波进行分析。 。 ( 3 ) 对整流电路产生的谐波进行实测，分析各次谐波含量及电压电流畸变情况。 ( 4 ) 基于可控电抗器的单调谐滤波器的软硬件设计与调试。 ( 5 ) 利用整流电路，对基于可控电抗器的单调谐滤波器的控制方法进行验证。 6 堡圭笙兰 垄王里垫皇垫兰堕璺塑! 壁望鎏墅塑婴至皇堡生 第2 章谐波抑制及可控单调谐滤波器主电路设计 2 1 谐波基本概念 在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示 为 其中 “( f ) = 而s i n ( c a + 日) 山：2 开：堡 。 丁 ( 2 1 1 ) ( 2 1 - 2 ) 式中( 卜电压的有效值： 口初相角： 倒、f 和t _ 一角频率、频率和周期。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感或者电容上，其电流和电压分别成比例、 积分和微分的关系，仍然为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时， 电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正 弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为t ：2 z _ x 删 的非正弦电压u ( c a ) ，一般满足狄利赫利条件，可以分解为如下形式的傅立叶级数 式中 或者 u ( c a ) = d 。+ ( n 。c o s n c a + b 。s i n n c a ) ( 2 1 3 ) n = t 铲舒c 删c 刎 铲净础删c 硼 坑= 承蛐删 u ( e a ) = + 厶s i n ( n c a + p ) = l 谐波抑制及可控单调谐滤波嚣主电路设计硕士论文 式中 c 。= 厢 纯= a r c t g ( a 。b 。) a 。= c 。s i n 纯 玩= c 。c o s 纯 在式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 的傅立叶级数中，频率为1 ，r 的分量称为基波，频率 为大于1 的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数 比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流也完全适用“1 。 对于非正弦周期电压和电流的瞬时值，可以用三角级数表示，即 “( f ) = + z , f i v 。s i n ( n c o t + a ! ) ( 2 1 5 ) n = l m ) = ，。+ 扬。s i n ( n r o t + f t ) ( 2 1 6 ) n = 1 电j 盘和电流的硐效值分别为： u = u 0 2 + u n 2 仁护+ 善“2 电压畸变因数v d f 也称为电压总谐波畸变率强渺。，被定义为： 弛= 击j 弘 同样，电流畸变因数c d f 也称为电流总谐波畸变率t h d ，被定义为 t h d t = 1 ，。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) f 2 1 1 0 ) 为了说明某次谐波分量n ；k 4 , ，常以该次谐波的有效值与基波有效值的百分比表 示，称为该次谐波的含有率舰。( h a r m o n i c r a t i o ) ，如第n 次谐波电压含有率瑚u 。为： h r 卟鲁1 0 。( 2 1 1 1 ) 硕士论文基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计 2 2 谐波电流放大， 为了滤除谐波，在系统中装设由电容器和电抗器组成的单调谐滤波器，在工频频 率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率而言， 系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振使谐 波电流放大几倍甚至数十倍，对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的 威胁，常常使电容器和电抗器烧毁川。 图2 2 1 ( a ) 为并联谐振的供电电网简化电路图，图2 2 1 c o ) 为其等效电路，图中谐 波源，。为恒流源，系统基波阻抗为z 。= r 。+ 腰。，n 次谐波阻抗为 z “= r “+ 血x s ( 月“= r s ，) ，通常r h n x s ，为简化分析，可忽略尺“。电容器的 基波电抗为x ，n 次谐波电抗为x ，n 。 ( a ) 供电系统简化电路 图2 2 1 系统总阻抗为 z = ( b ) 等效电路 并联谐振示意图 生、 n ，x c n j r 乇 ( 2 2 1 ) 设n 。为，0 对应的谐波次数，为基波频率，则当n = i l 。时发生谐振 x s = ( x c ) 一x l ( 2 2 2 ) 谐振频率为 、 f o = f 4 x c ( x s + x 。) ( 2 2 3 ) 设谐波源电流为，。时，流入系统的谐波电流，。和流入电容器的谐波电流，。分 别为 一：些兰生旦一(2“2s)n 2 r t x s + ( n x l - x c r t ) 1 u 。叫 9 “ o 阪 泓 塑垫塑型墨里塑兰塑堕塑垫塑圭皇堕塑苎堡主堡苎 ，二= 面南t ( 2 2 5 ) 定义变量= ( n xl - - x 。n ) r 。，将式( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 改写为 ls ，一8 i 。 、+ p j “一i i 1 + 自 由此得出_ i s 和阜随卢变化的曲线，如图2 2 2 所示。 l 、i ， ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 图2 2 2 i _ s 和阜随变化的曲线 ln l ， 电容器与系统并联谐振发生在1 十= o u p ：一1 处，谐波点谐振次数为 n = n 。= 扛砑瓦i 巧。 除谐振点处谐波被极度放大外，随谐波次数的不同，滤波支路和系统分流的情况 也不同。 当卢= _ 2 时，n = n 。= 0 万i 面时，i s l 。= 2 ，i c i 。- - 1 ；当= - 0 5 ， n = ，l 。= j 五j 匿i 了疆j 时，b 1 。= 1 ，j 。i 。= 2 。当n 。s n 时，同时有，“j 。 1 0 硕士论文基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计 和，。，。，这种情况称为谐波电流被严重放大。因此，应避免有谐波源的谐波次数 处于该区域。n 。、n 。为谐波严重放大区的临界点，串联电抗x 。值越大，n 。和n 。越 接近，则严重放大区越小。而未串电抗器时，谐波被严重放大的区域为 x c 2 x 。n 2 x 。x 。，可见串入电抗器后谐波严重放大区也缩小了，串联电 抗器电感越大，谐波严重放大区缩小越多。 当n n 。时，滤波支路呈容性，流入系统的谐波电流虽比谐波源电流大，但却放 大不多。 当= 0 即n = n ：= x 。x 。时，电容器与串联龟抗器发生串联谐振，为谐振 的谐波次数，此时谐波电流完全流入滤波支路，即滤波支路处于次谐波完全滤波 状态。 n 。 r l n 。时，滤波支路仍呈容性，谐波源的谐波电流仅有部分流入系统，大部 分流入滤波支路，故滤波支路仍起到滤波作用。 = 1 ，即n = n 。= x c ( x l x 。) 时，。= k = i j 2 。在n j n r t ，时，滤波支路呈感性，但随着1 1 的增大，其 分流作用逐渐减弱，r t 较大时，基本不起分流作用。 在进行单调谐滤波器设计时，要考虑以上分析结果，避免引起谐波电流放大。 2 3 谐波抑制 抑制谐波可以从治理谐波源本身入手，但由于谐波源的多样性，一般在电网中采 用装设滤波器的方法抑制高次谐波。目前仍在广泛采用的是无源滤波器，即由电抗器 和电容器组成的l c 滤波器。 2 3 1 滤波原理 在谐波源附近采用交流滤波装置吸收谐波电流以降低连接点的谐波电压，是抑制 谐波“污染”的一种有效措施。目前所采用的无源滤波装置由电力电容器、电抗器和 电阻器组合而成。运行中它和谐波源并联，其滤波原理是对某些谐波频率形成低阻抗 的通路，使相应的谐波电流经无源滤波器短路而避免流入输电系统，无源滤波器除了 滤除谐波以外还在基波电压的作用下向负载提供容性无功功率，同时兼顾谐波源无功 补偿的需要。 谐波抑制及可控单调谐滤波器主电路设计硕士论文 2 3 2 滤波器的种类 滤波器大致分为以下六种类型m ，2 3 】，如图2 - 3 1 所示。 c 2 “) 单调谐滤波器 ( b ) l r ( d ) = 阶高通滤波器 l 量 t i t c l ，l 三口r i i 一 ( e ) 三阶高通滤波器( f ) 。c 式高通滤波器 图2 3 1 滤波器的类型 无源滤波装置通常包括数组单调谐滤波器和一组高通滤波器。常用于实际工程的 滤波器种类有：单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器等。 ( 1 ) 单调谐滤波器：单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单，投资少，维 护经验成熟，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种滤波器。 ( 2 ) 双调谐滤波器：具有两个谐振频率点，能吸收两种频率的谐波电流，经过等 效变换，一个双调谐滤波器相当于两个并联的单调谐滤波器，与两个单调谐滤波器相 比，减少了回路，基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压。双调谐滤波器 结构比较复杂，调谐相对较为困难，但在高压大容量滤波装置中采用具有一定的技术 经济优越性。 ( 3 ) 高通滤波器：一般用于某次及其以上次的谐波抑制。当在电弧炉系统中采用 对5 次以上谐波起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5 次及以上次谐 波形成低阻抗通路。在理想条件下乙= r 。，即，1 次谐波电流通过低值电阻r 分流。 ( 4 ) c 型滤波器：是一种新型的高通型式，当r 增大时，c 型滤波器越来越接近于 单调谐滤波器，当刷直适当减小则趋近于高通滤波器。c 型滤波器对温度、频率偏差 及元件参数偏差变化不敏感，基本不需要现场调谐，缺点是c 型滤波器一般只适用于 滤除较低次数的谐波，高次谐波的场合并不能完全代替高通滤波器。 由于下述原因将会引起滤波器的失谐：电网工频角频率的误差；组成滤波装置的 元件，如电容器和电抗器本身在制造、测量上的误差；滤波器成组的配合精度；环境 亘掣甲 c l r 工t 墨n 工 硕士论文基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计 温度的变化等。所以无源滤波装置的参数选择涉及到技术指标( 谐波电压、谐波电流、 无功补偿) ，安全指标( 电容器的过电压、过电流) 以及经济指标( 投资、损耗) 等，因此， 往往需要多个方案比较才能确定。 2 3 3 无源滤波器特点 无源滤波器的特点： ( 1 ) 结构简单，运行维护经验成熟，一次性投资和运行维护费用低廉。 ( 2 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤除，l c 参数的漂移 将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。 ( 3 ) 电网参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下 降。 ( 4 ) 电网中的某次谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流。 随着电力电子技术的发展，“有源”交流滤波装置( 即谐波抵消装置) 得到迅速发 展。与无源滤波器相比，有源滤波器有以下特点6 1 2 , 1 3 】： ( 1 ) 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点。 ( 2 ) 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。 ( 3 ) 具有自适应能力，可自动跟踪变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应 性等特点。 ( 4 ) 投资大，技术含量高，控制复杂，而且寿命有限。 虽然有源滤波器与无源滤波器相比具有自身的优点，但是从经济条件和技术条件 综合来考虑，目前无源滤波器仍是一种广泛采用的滤波器。 在本文中设计的基于可控电抗器的单调谐滤波器能够弥补无源滤波器的不足，可 以补偿谐波，抑制闪变，克服谐波放大，具有自适应能力，能够自动跟踪谐波变化， 使滤波器处于调谐状态，而且结构简单，控制也相对简单，投资少。因此该可控单调 谐滤波器具有很大的发展前景。 2 3 4 滤波器设置原则 滤波器设置原则如下： ( 1 ) 滤波器的设置必须满足国家颁布的谐波管理规定。 ( 2 ) 一般设计要求系统谐波阻抗为感性，故滤波器宜设置在总降压变电所主变 压器二次侧，这样可实现集中滤波和无功补偿的原则，以提高滤波和补偿效果，减少 投资，方便管理。 ( 3 ) 电弧炉与变流装置并存，且容量较大时，宜分别接在不同主变压器的二次 母线上，并各自设置相应的滤波器，这样设计比较合理，运行经济。 1 3 谐波抑制及可控单调谐滤波器主电路设计硕士论文 ( 4 ) 滤波器设计应考虑背景谐波以及近期发展的非线性负荷。 2 3 5 单调谐滤波器 单调谐滤波器的特点2 3 】： ( 1 ) 单调谐滤波器对单个谐波来说，滤波效果最好。与高通滤波器相比，其损 耗小，这是单调谐滤波器的主要优点。 ( 2 ) 因电力系统频率变化、环境温度变化和调谐频差，有可能在失谐状态下进 行，使滤波效果下降。 ( 3 ) 单调谐滤波器通常设计成中性点不接地的星形接线，其优点是： 便于分相调谐； 可实现两台滤波器中性点之间电压或电流不平衡保护； 一相中任意一个电容器击穿时，短路电流较小，约为额定电流的3 4 倍( 2 次滤波器除外) ； 星形接线可选择额定电压较低的电容器，是三角形接线电容器额定电压的 1 万。 2 3 6 可控单调谐滤波器 图2 3 2 为装设单调谐滤波器的谐波源负荷供电系统的谐波分析等值电路， b + 弘。为电网等值阻抗，与电网短路容量有关，啄l ，、c ，分别为单调谐滤波器的 元件参数，谐波电流源，。为谐波源负荷发生的，1 次谐波电流。 只血 、l ，： 圈2 3 2 配电系统谐波分析等值电路 无滤波器时，。全部流入供电系统，会在系统中引起谐波污染，安装滤波器后为j 提供了一条旁路支路，分流并减小了注入电网的，1 次谐波电流，。滤波效果用谐波 电流分流比置。表示 1 4 硕士论文基于可控电抗器的单调谐滤波器的研究与设计 昏等北从z 巾圾) l ( 2 3 1 ) 其中 z 庸= r ，+ j ( n ( o a l 一1 n 6 0 a c ，) ( 2 3 2 ) 磊为滤波器阻抗，合理选择r r 、白、c ，值使滤波支路调谐于，1 次谐波频率上，即 ： n q l ，一1 n c o l c ，= 0 ( 2 3 3 ) n ：!( 2 3 4 ) n = = = = 一 l z 斗j c o l4 l c 此时k 。最小，滤波器对n 次谐波的滤波效果最好。实际的工频角频率倒对q 有一定 的偏差，其差值为a c o = 0 9 一鳓，设其相对偏差为5 ，则 万：竺旦 ( 2 3 5 ) 0 4 或 卯= ( 1 + 回m ( 2 3 6 ) 于是 z 巾2r ，+ ， n ( 1 + 回0 9 , l ：一赤 ( 2 3 7 ) 设滤波器的品质因数为q ，则 jl ， q ：竺生：! ：竖 ( 2 3 8 ) = - = = 二一 l z j o j r ，眦 c ，r ， r ， 通常占 3 0 0 0 v 相移，( 补偿后) 5 5 输入范围o 1 0 0 0 v 0 5 a 3 2 4 模拟滤波器设计 本设计中，通过电压电流互感器变换后得到的信号，通过分析可知其中含有基波 和奇次谐波，其中以3 次、5 次、7 次谐波为主，可以通过设计模拟滤波器来进行滤 波，若设计的滤波器为2 阶带通滤波器，中心频率为1 5 0 h z ，通带为3 0 h z ，该模拟 滤波器输出的电压电流波形中基本上只含有3 次谐波，然后输入信号采集模块，同理 来设计5 次、7 次谐波带通滤波器。另一种方法是首先采集信号，然后在d s p 中设计 数字滤波器来进行滤波，在实验中对比模拟滤波器和数字滤波器滤波效果。 要实现模拟滤波器的设计，可以使用f i l r e j fs o l u t i o n 软件，它是一个全面的基于 p c 机的分析和综合软件包。滤波器解决方案通过参数功能提供无源和有源电路分析， 而且用c 代码设计l j r ( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 和f i r ( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ) 滤波 器，还能够进行最终精度的分析。下面使用该软件分别设计3 次、5 次、7 次带通滤 波器。 首先使用该软件设计一个2 阶带通滤波器，中心频率为1 5