第頁湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)摘要隨著工業(yè)非線性負(fù)載使用的增多，電網(wǎng)的諧波和無功污染日益嚴(yán)重，對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來了極大影響，諧波被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害，諧波治理問題己引起專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。在目前應(yīng)用中的各種諧波抑制技術(shù)中，大功率無源濾波器被廣泛應(yīng)用于減少負(fù)荷連接處的電壓畸變、電流畸變及基本的諧波功率因數(shù)矯正。而在配電網(wǎng)中裝設(shè)無源濾波器抑制諧波和進(jìn)行基波無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)中，以無源濾波器的初期投資、無功功率補(bǔ)償容量、濾波后電網(wǎng)諧波含量作為三大前提目標(biāo)。單調(diào)諧濾波器作為結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用最廣泛的一種無源濾波器，作為本文分析濾波器設(shè)計(jì)過程的主要目標(biāo)。分析單個(gè)單調(diào)諧濾波器較容易，但將不同頻率的濾波器組合后，其電容和電感會(huì)相互影響，從而導(dǎo)致合成頻率特性畸變。針對(duì)該問題，本文提出了一種基于矩陣法的單調(diào)諧濾波器組的設(shè)計(jì)方法，使合成頻率特性符合包括合成頻率最大情況下的要求。本文提出了一種基于矩陣法的單調(diào)諧濾波器組的設(shè)計(jì)方法，使合成頻率特性符合包括合成頻率最大情況下的要求。關(guān)鍵詞：電力無源濾波器，優(yōu)化設(shè)計(jì)，矩陣法OptimizationDesignofPassivePowerFilterBasedonMatrixMethodAbstractWiththeextensiveuseofpowerelectronicdevicesandnon-linearload,electricitygridharmonicsandreactivepowercauseincreasinglyseriouspollution,poseapotentialthreattosecurity,stability,economicoperationofpowersystem,havegreatimpactontheelectricalenvironmentaround.Harmonicisconsideredtobeoneofthemajorpowergridpollution.Governingharmonicissuehascausedscholars’wideconcern.Passivepowerfilterwithparalleloperationofpowergrids,whichisoneofthecurrentapplyingtechniquesofharmonicsuppression,hasbeenwidelyusedduetoitslowcost,goodfilteringeffectandmanyotheradvantages.Whendesigningpassivepowerfilterinstalledondistributionnetworkforharmonicsuppressionandfundamentalreactivecompensationpurposes,itsinitialinvestment,reactivepowercompensationcapacity,filteringharmoniccontentarethethreeprincipleobjectives.Analysisofasingle-branchfilterisarelativelysimpletask.Althoughindividualfilterstunedtospecificharmonicscanbeeasilydesigned,afterconnectingthemintoagroupitturnsoutthatthecapacitanceandinductancemutuallyinfluenceeachother,distortingtheresultingfrequencycharacteristics.Thebasicstructureselectedforfurtheranalysiswasasingle-frequencysingle-branchfilter,Single-branchfiltersarestillpopularandarecommonlyusedforpowerqualityimprovementpurposes.Thisarticlepresentsamethodfordesignagroupofsingle-branchfilters,sothattheresultantfrequencycharacteristicsatisfiesthedesignrequirementsincludingtherequirementsforlocationofthefrequencycharacteristicmaxima.Keywords：Passivepowerfilters,Optimizationdesign,Matrixmethod.目錄TOC\o"1-3"\h\u5394第1章緒論 1271821.1論文的選題背景和意義 1323801.1.1諧波產(chǎn)生的原因 1184621.1.2諧波的危害 2213201.1.3諧波的抑制措施 4180611.2論文研究的主要內(nèi)容 61952第2章無源濾波器的工作原理及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 7102892.1無源濾波器 7158272.1.1無源濾波器的類別 7283812.1.2無源濾波器的接線方式 10159032.1.3單調(diào)諧濾波器 10165542.2無源濾波器的設(shè)計(jì)思路 12250262.2.1無源濾波器設(shè)計(jì)的一般性原則 12223372.2.2國家規(guī)定的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn) 13132142.2.3無源濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1521103第3章單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì) 16232833.1單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式 16205953.2單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)中的矩陣法應(yīng)用 1818687第4章工程實(shí)例中的應(yīng)用與分析 244214.1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定 24103714.2無功的分配與濾波器參數(shù)計(jì)算 25231424.3濾波效果分析 2718042第5章結(jié)論 2823927致謝 299608參考文獻(xiàn) 30第1章緒論1.1論文的選題背景和意義1.1.1諧波產(chǎn)生的原因電力，是現(xiàn)代人類社會(huì)生產(chǎn)與生活不可或缺的一種主要能源形式。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及居民生活電氣化程度的不斷提高，電力在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比重也在逐步上升。根據(jù)預(yù)測，2020年我國發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到10億千瓦，全社會(huì)用電量將超過6萬億千瓦時(shí)。為了滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長對(duì)電力發(fā)展的需求，各地電網(wǎng)都在加快建設(shè)步伐。隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設(shè)備用量不斷增加，電能的應(yīng)用更加多樣化。然而，電力電子裝置的大量使用造成的諧波現(xiàn)象使得電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性受到威脅，對(duì)于電氣設(shè)備的運(yùn)行也有極大的危害，因此諧波己是電網(wǎng)內(nèi)公認(rèn)的一大危害了，研究電力系統(tǒng)諧波問題也開始逐漸被學(xué)者們所重視。另外，目前用電設(shè)備在工業(yè)、商業(yè)及居民用電的應(yīng)用上時(shí)，對(duì)電能質(zhì)量的敏感度很高，相應(yīng)地對(duì)供電質(zhì)量的要求也就更高。因此，深入探討、研究以及開發(fā)對(duì)諧波的抑制以及無功功率的補(bǔ)償手段是目前電力工業(yè)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。電網(wǎng)諧波來自于3個(gè)方面：(1)發(fā)電源質(zhì)量不高導(dǎo)致諧波產(chǎn)生：發(fā)電機(jī)由于鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致，三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱和其他一些原因，發(fā)電源也多少會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。(2)輸配電系統(tǒng)導(dǎo)致諧波產(chǎn)生：電力變壓器是輸配電系統(tǒng)中諧波的主要來源，當(dāng)變壓器鐵心出現(xiàn)飽和情況，就會(huì)導(dǎo)致磁化曲線的非線性，再加上變壓器設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性考慮，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。(3)用電設(shè)備導(dǎo)致諧波產(chǎn)生：晶閘管整流設(shè)備，在鋁電解槽、開關(guān)電源、電力機(jī)車、充電裝置等許多方面，晶閘管整流設(shè)備得到了越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波。由于晶閘管整流裝置采用了移相控制，其在電網(wǎng)中吸收了一部分缺角的正弦波，給電網(wǎng)留下了另一部分缺角的正弦波，在留下的缺角的正弦波中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。電弧爐、電石爐。由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2至7次的諧波，平均可達(dá)基波的8%到20%，最大可達(dá)45%。氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，其中還含一些負(fù)的伏安特性，這會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生奇次諧波電流。家用電器。人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常使用的電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、錄像機(jī)、調(diào)溫炊具、調(diào)光燈具等家用電器，其構(gòu)造中往往有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生奇次諧波。在洗衣機(jī)、空調(diào)、電風(fēng)扇等電器中由繞組，其波形會(huì)隨不平衡的電流改變。這些家用電器雖然功率并不大，但由于使用廣泛，數(shù)量極多，也是諧波的主要來源之一。1.1.2諧波的危害理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓的頻率應(yīng)該是單一而固定的，電壓的幅值也應(yīng)該是一個(gè)確定的值。由于諧波電流和諧波電壓的在電網(wǎng)中產(chǎn)生，公用電網(wǎng)中用電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境受到了污染，也對(duì)周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。在電力電子設(shè)備被廣泛使用之前，人們對(duì)電網(wǎng)中的諧波及其危害曾有過一些研究，并有相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)，但那時(shí)諧波污染還不像現(xiàn)在這樣嚴(yán)重，所以諧波問題并沒有得到足夠的重視。而近幾十年來，各種電力電子裝置的迅速普及使得公網(wǎng)電網(wǎng)的諧波污染狀況日趨嚴(yán)重，很多故障和事故的發(fā)生是由諧波引起，人們才對(duì)電網(wǎng)中的諧波問題重視起來。諧波對(duì)供電系統(tǒng)、用電設(shè)備的影響具體來說，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)破壞供電質(zhì)量:諧波使得電動(dòng)機(jī)輸出功率變低，轉(zhuǎn)矩降低;使得變壓器本體溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，使用壽命縮短;使得繼電保護(hù)、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性降低等;(2)降低系統(tǒng)的功率因數(shù)值:諧波電流的注入使得電網(wǎng)的無功功率增大，功率因數(shù)也隨之降低，同時(shí)還有造成串聯(lián)或者是并聯(lián)諧振的風(fēng)險(xiǎn)，造成電氣設(shè)備的損壞也使得通信線路受到其干擾而無法正常工作;(3)使得輸電線路的線損進(jìn)一步增大，降低輸電線路的使用年限:諧波電流的存在既使得輸電線路的電流有效值提高，也會(huì)在輸電線路上形成諧波壓降一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，從而引起輸電線路的額外損耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，諧波的存在使得電纜的使用年限僅為設(shè)計(jì)值的百分之四十;(4)增加了電力變壓器的損耗值:變壓器導(dǎo)體中的渦流損耗、導(dǎo)體外部因漏磁造成的雜散損耗以及電阻損耗由于諧波的存在進(jìn)一步增加，即變壓器銅耗增大，變壓器的鐵耗也會(huì)增大;(5)對(duì)電容器運(yùn)行的危害:諧波對(duì)電容器運(yùn)行影響體現(xiàn)在熱效應(yīng)、電效應(yīng)以及由于諧振造成的諧波電流被放大。據(jù)對(duì)國內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):諧波問題導(dǎo)致的電容器損壞占其導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞例子中的最大百分值;(6)造成保護(hù)裝置、自動(dòng)化裝置工作失穩(wěn):由于繼電器的工作原理以及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，諧波會(huì)使得繼電器的工作特性變化。當(dāng)模擬量采樣值發(fā)生畸變時(shí)，依賴于實(shí)際采樣數(shù)據(jù)或是過零工作的數(shù)字繼電器可能出現(xiàn)偏差。無論是電流型、電壓型或者距離繼電器等等，受到諧波的影響下都有誤動(dòng)、拒動(dòng)或者動(dòng)作不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn);(7)對(duì)通信質(zhì)量形成干擾:諧波可能導(dǎo)致通信系統(tǒng)的清晰度降低或?qū)е掠形：Φ倪^電壓等等。1.1.3諧波的抑制措施由諧波對(duì)電網(wǎng)的上述危害，深入研究與發(fā)展諧波抑制技術(shù)就顯得格外重要。消除或減少電力系統(tǒng)中諧波的注入，將諧波電壓控制住限制范圍內(nèi)，是目前電力系統(tǒng)對(duì)諧波抑制的主要目標(biāo)。具體技術(shù)上的措施有一下幾種：(1)增加換流裝置的脈動(dòng)數(shù)換流裝置是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為，則可知脈沖數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，導(dǎo)致諧波電流減少。所以，提高整流器的脈動(dòng)數(shù)將有助于波形平順、諧波值降低。多脈沖的變流技術(shù)應(yīng)用中，6脈波的變流器經(jīng)通過電力電子裝置改成12脈波甚至于24脈波的變流器，這樣做會(huì)減少交流側(cè)的諧波含量。脈波一增多，對(duì)諧波的抑制的效果就更加明顯，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往不易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槊}波數(shù)的增加總是使整流變壓器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、體積更加龐大，導(dǎo)致變流器控制以及保護(hù)的運(yùn)行成本增加。(2)加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，增強(qiáng)供電系統(tǒng)對(duì)諧波的耐受能力在充分考慮技術(shù)可行性以及經(jīng)濟(jì)性的前提下，可以考慮在諧波源附近安裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置:安裝靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置甚至于技術(shù)更為先進(jìn)靜止同步補(bǔ)償裝置，好處是由負(fù)荷變化較大時(shí)引起的無功需求可以及時(shí)得到補(bǔ)償，有助于功率因數(shù)改善，消除部分諧波以降低注入系統(tǒng)的諧波電流，母線電壓穩(wěn)定性提高、三相電壓運(yùn)行的平衡度提高，系統(tǒng)對(duì)諧波的耐受能力也相應(yīng)提高。(3)裝設(shè)隔離變壓器在重要的配電系統(tǒng)中，從線路流回電源的3n次諧波電流可以由裝設(shè)隔離變壓器有效地防止，有時(shí)把隔離變壓器就地裝設(shè)在每個(gè)配電盤上，使配電系統(tǒng)與諧波電流相隔離。此外，在三相四線式供電系統(tǒng)中，應(yīng)適當(dāng)增大中性線導(dǎo)線的截面積，使其至少與相線的截面積相等，這樣可以有效地防止諧波電流對(duì)中性線的危害。要適當(dāng)提高隔離變壓器的額定值，否則也可能產(chǎn)生電壓波形畸變及過熱等問題。(4)安裝無源濾波、有源濾波或者混合濾波裝置等為了降低電力系統(tǒng)由于諧波而引起的諸多風(fēng)險(xiǎn)，最根本也是最行之有效的方法是從源頭處抑制諧波的產(chǎn)生，達(dá)到減少甚至于消除諧波出現(xiàn)的目的。法:第一種稱之為被動(dòng)防御式，在明確系統(tǒng)存在的諧波狀況前提下，可以有兩種做安裝一組由電阻、電容器、電抗器串并接而成的無源濾波器裝置，濾除部分諧波，降低諧波對(duì)系統(tǒng)及其設(shè)備的危害;第二種則是主動(dòng)預(yù)防，也就是有源濾波手段。其根本原理是利用大功率的電力電子器件產(chǎn)生與系統(tǒng)電流中的諧波分量的頻率一致、大小相等且相位相反的電流來抵消諧波，達(dá)到消減諧波的目的。就目前的諧波抑制方法的實(shí)際應(yīng)用來說，無源濾波器以其濾波效果良好以及成本相對(duì)低廉的優(yōu)點(diǎn)，仍然是應(yīng)用最廣的，對(duì)于無源濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是本文主要的研究方向。串聯(lián)濾波器、并聯(lián)濾波器以及高通濾波器是無源濾波器的三種常見形式。串聯(lián)濾波器主要應(yīng)用在3次諧波的治理當(dāng)中，并聯(lián)濾波器既可以濾除多次諧波還可以滿足系統(tǒng)的無功需求，應(yīng)用最為廣泛，而高通濾波器則對(duì)高次諧波的治理更有優(yōu)勢。有源濾波器的應(yīng)用也是抑制諧波的重要手段。有源濾波器本身是一種電力電子設(shè)備，它首先從系統(tǒng)中檢測諧波電流的具體情況，然后由補(bǔ)償裝置相應(yīng)地產(chǎn)生與該諧波分量的頻率一致、大小相等且相位相反的補(bǔ)償電路作為抵消，而不會(huì)有損系統(tǒng)內(nèi)的基波分量。其好處是補(bǔ)償特性與電網(wǎng)阻抗無關(guān)，并且可以跟蹤諧波的頻率以及幅值的變化情況而相應(yīng)地作出補(bǔ)償。有源濾波器的產(chǎn)生源自于二十世紀(jì)六、七十年代。隨著大中功率的電力電子元器件應(yīng)用的進(jìn)一步成熟、諧波電流瞬時(shí)檢測手段的提出以及脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù)的發(fā)展都使得有源濾波器得到迅猛的發(fā)展。與LC濾波器結(jié)合使用是有源濾波器長期發(fā)展后的新形勢，其根本原理是通過LC濾波器與有源濾波器來共同承擔(dān)諧波的補(bǔ)償任務(wù)。與有源濾波器對(duì)比，LC濾波器的結(jié)構(gòu)更簡單，經(jīng)濟(jì)性更好，而有源濾波器的補(bǔ)償性能則更優(yōu)，兩者的混合使用既有助于提升整個(gè)系統(tǒng)的性能，又能補(bǔ)償有源濾波器容量大、價(jià)格高的不足。無源濾波器與有源濾波器的組合稱之為混合型電力濾波器。其工作原理是:有源濾波器不需要承受系統(tǒng)的電壓和系統(tǒng)的基波電流值，它的作用是隔離系統(tǒng)電壓和基波電流與諧波分量，所以它的容量不需要太大。串聯(lián)的有源濾波器對(duì)高次諧波有較大阻抗而不影響基波的特點(diǎn)，有助于提高無源濾波器的濾波能力，又能防止其與系統(tǒng)發(fā)生諧振。這種應(yīng)用的弊端在于有源濾波器的工作性能基本取決于電流互感器的性能。于是，一種新形式的混合有源濾波器應(yīng)運(yùn)而生。無功補(bǔ)償任務(wù)由開關(guān)頻率較低的絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)成的逆變器來完成，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)充的任務(wù)則由由耐壓值低、開合頻率高的金氧半場效晶體管構(gòu)成的逆變器完成，利用變壓器在高頻逆變器的輸出側(cè)進(jìn)行隔離，基本可消除干擾。1.2論文研究的主要內(nèi)容本文由以上研究目標(biāo)，以無源濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的一般原則為前提，并以在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的單調(diào)諧濾波作為范例，通過矩陣法這種新的參數(shù)設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，通過對(duì)工程的實(shí)例設(shè)計(jì)及效果仿真來進(jìn)行有效性檢驗(yàn)并與之前廣泛使用的簡單分配無功設(shè)定參數(shù)的方法作比較。第2章無源濾波器的工作原理及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則無源濾波器由電容器、電感器、電抗器適當(dāng)組合而成，利用R、C、L組成濾波電路在特定頻率發(fā)生諧振，此時(shí)濾波電路阻抗最小，形成低阻抗通路讓諧波電流流入大地，避免諧波電路流入電網(wǎng)，達(dá)到諧波抑制的目的。目前常用的無源濾波器有單調(diào)諧濾波器、高通濾波器等。工程上一般由一組或多組單調(diào)諧濾波器組成，每組負(fù)責(zé)在需要濾除的諧波頻率或附近諧振，也可加一組高通濾波器來濾除高頻率小幅值的諧波電流。2.1無源濾波器2.1.1無源濾波器的類別無源濾波器是利用諧振原理，將電容器、電感器、電阻器適當(dāng)組合而成的。由電容、電感、電抗組成的濾波器電路在特定的高次諧波下調(diào)諧，使得濾波器在特定的諧波下出現(xiàn)諧振，此時(shí)濾波電路阻抗很小，形成了低阻態(tài)通路，從而使特定諧次的諧波電流通過濾波電路流入大地而不流入系統(tǒng)，達(dá)到諧波抑制的目的。無源濾波器的主要類別有一下四種：(1)單調(diào)諧濾波器單調(diào)諧濾波器是實(shí)際生產(chǎn)中使用最多的一種濾波器，它由C、R、L串聯(lián)而成，結(jié)構(gòu)如圖（2.1）所示。單調(diào)諧濾波器只能濾除特定的某一次諧波，其阻抗特性是一個(gè)關(guān)于頻率的函數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)中含有這一次諧波時(shí)濾波電路就會(huì)發(fā)生諧振，使得諧波電路的感抗與容抗相抵消，濾波器阻抗達(dá)到最小值，這樣就形成了低阻態(tài)通路使諧波不流入系統(tǒng)。圖（2.1）單調(diào)諧濾波器(2)雙調(diào)諧濾波器雙調(diào)諧濾波器也在實(shí)際生產(chǎn)中有所使用，他的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于是兩個(gè)單調(diào)諧濾波器并聯(lián)在一起，如圖（1.2）所示。由于這種結(jié)構(gòu)，雙調(diào)諧濾波器可以同時(shí)濾除兩種不同頻率的諧波。雙調(diào)諧濾波器有著設(shè)備成本相對(duì)較低、基波損耗相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)。但它也有結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不易調(diào)諧的缺點(diǎn)。因此，其常常應(yīng)用于高壓、大容量的濾波裝置中。圖（2.2）雙調(diào)諧濾波器(3)高通濾波器高通濾波器也可以叫做二階減幅型濾波器，它是由電感與電阻先并聯(lián)后再與電容串聯(lián)成的，如圖（2.3）。由于其結(jié)構(gòu)特性，高通濾波器可以在頻率大于特定值的很寬的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出低阻抗，因此可以濾除數(shù)個(gè)頻率的高次諧波，且不會(huì)對(duì)基波有過大影響。其結(jié)構(gòu)簡單，阻抗頻率特性也很好，在實(shí)際工程應(yīng)用中常常與單調(diào)諧濾波器配合使用。圖（2.3）高通濾波器(4)C型濾波器C型濾波器是一種新型的高通濾波器，其在電感器上多串聯(lián)了一個(gè)電容器，如圖（2.4）所示。C型濾波器的的濾波性能處于二階與三階之間，且有著極小的基波損耗；但它易受到系統(tǒng)頻率及元件參數(shù)的影響發(fā)生發(fā)生較大偏差。圖（2.4）C型濾波器2.1.2無源濾波器的接線方式在實(shí)際的工程應(yīng)用中，無源濾波裝置一般為一組或多組單調(diào)諧濾波器構(gòu)成，有時(shí)增加一組高通濾波器來濾除高次諧波。其接線方式要根據(jù)現(xiàn)場具體情況確定，并不是唯一的。比如，電抗器可以安裝在電容器和母線之間、電容器的接線形式可以是三角形或者星形接線等等。常用的接線方式是將電阻器和電抗器安裝在電容器的低壓側(cè)，整個(gè)濾波回路使用星形接線，原因是：(1)有利于分相調(diào)諧；(2)當(dāng)某相中的電容器被擊穿時(shí)，短路電流不會(huì)很大了；(3)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地情況下，電抗器中性點(diǎn)的對(duì)地電壓只有相電壓，電抗器并沒有受到短路電流的沖擊，因此可以不用“全絕緣”。由于經(jīng)濟(jì)性考慮，濾波裝置一般應(yīng)用于6KV及更高電壓等級(jí)，很少用于低壓。但隨著日常電力設(shè)備使用的日益增多，低壓諧波源也越來越多，低壓濾波裝置的應(yīng)用也就多了起來。實(shí)際的工程應(yīng)用中多采用單調(diào)諧濾波器及高通濾波器，而本文所用的矩陣法是用于計(jì)算單調(diào)諧濾波器參數(shù)的，因此下文將著重討論單調(diào)諧濾波器的工作原理。2.1.3單調(diào)諧濾波器單調(diào)諧濾波器的等效電路可見于下圖。圖2.5為單調(diào)諧濾波器的等效電路單調(diào)諧濾波器的阻抗可由以下式(2.1)計(jì)算：(2.1)式中，ω為基波角頻率。濾波器諧振角頻率在(2.2)式中：(2.2)其中：為諧振角頻率為諧振頻率的諧次為諧振頻率的諧次在理想調(diào)諧情況下，單調(diào)諧電路中發(fā)生諧振時(shí)，該次諧波電流主要通過低值電阻流入大地，而沒有流入系統(tǒng)，使得該次諧波電壓降低。為了簡化分析，我們?cè)O(shè)濾波器中的電阻器阻值為零(=0)。由（2.3）式求出電感的值：(2.3)再將(2.3)式代入到(2.2)式中，可得：(2.4)選擇電容的值，使由非線性負(fù)載產(chǎn)生的無功功率減至最?。?2.5)將(2.4)式代入到(2.5)式中，得：(2.6)單調(diào)諧濾波器的參數(shù)可由(2.3)至(2.6)式確定。(2.7)其中，為第i個(gè)濾波器基波下的無功功率。2.2無源濾波器的設(shè)計(jì)思路2.2.1無源濾波器設(shè)計(jì)的一般性原則濾波器設(shè)計(jì)的理想目標(biāo)是將波形畸變完全消除。但是由于整個(gè)電網(wǎng)的諧波分布難以預(yù)估，實(shí)際中濾波器的設(shè)計(jì)的任務(wù)是在確定的系統(tǒng)和諧波源的條件下，用最少的投資成本，使母線電壓畸變率和注入系統(tǒng)的各次諧波電流符合規(guī)定指標(biāo)，并保證裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和安全可靠。其參數(shù)設(shè)計(jì)的一般性原則有如下幾點(diǎn)：(1)無源濾波器不能與電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)諧振；(2)無源濾波器不能與電網(wǎng)發(fā)生并聯(lián)諧振；(3)無源濾波器內(nèi)的各元件之間的關(guān)系滿足無源濾波器的濾波要求；(4)無源濾波器組要提供正常的系統(tǒng)無功補(bǔ)償容量；(5)電網(wǎng)的諧波含量在裝設(shè)無源濾波器后應(yīng)低于國家標(biāo)準(zhǔn)：我國規(guī)定了電網(wǎng)中諧波電壓總畸變率、各次諧波電壓含有率、各次諧波電流含有率這三個(gè)指標(biāo)，其中電流諧波指標(biāo)還要受不同電壓等級(jí)下的系統(tǒng)短路容量的影響，而電壓諧波指標(biāo)還要受電壓等級(jí)的影響。(6)無源濾波器應(yīng)該在一定范圍的正常失諧情況下能可以滿足各項(xiàng)技術(shù)要求。一定范圍的正常失諧指的是由于無源濾波器參數(shù)的溫度漂移、允許范圍內(nèi)的制造誤差以及正常的頻率漂移。溫度變化時(shí)電容值可能會(huì)變化正負(fù)百分之二，制造誤差為負(fù)百分之五到正百分之十，電感制造誤差約為正負(fù)百分之三。電力系統(tǒng)的正常頻率偏差范圍是。在進(jìn)行濾波裝置設(shè)計(jì)前，應(yīng)獲得的數(shù)據(jù)如下：(1)諧波源的參數(shù)：由測量或由濾波器技術(shù)規(guī)范所得出的非線性負(fù)荷下的幅頻特性、基波的無功功率補(bǔ)償?shù)龋?2)公共電網(wǎng)的參數(shù)：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處阻抗的頻率特性?；虍?dāng)此數(shù)據(jù)不可得時(shí)，其短路容量、最近相鄰點(diǎn)的參數(shù)、電壓畸變頻譜、電壓總諧波失真和特定諧波的占有率等；(3)濾波器數(shù)據(jù)：安裝位置、無源元件的技術(shù)參數(shù)。2.2.2國家規(guī)定的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)國家技術(shù)監(jiān)督局在1993年頒發(fā)了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14595-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（以下簡稱諧波國標(biāo)），以促使用戶和電力企業(yè)共同采取措施，把電網(wǎng)的諧波水平控制在允許的范圍內(nèi)，維護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行，提高供電質(zhì)量。如下表所示，這套標(biāo)準(zhǔn)給出了我國各電壓等級(jí)下的最大諧波電壓和諧波電流限值。諧波限值隨電壓等級(jí)的升高而變得更加嚴(yán)格，且對(duì)偶次諧波比對(duì)奇次諧波要求更嚴(yán)。表2.1公用電網(wǎng)諧波電壓限值電壓（kv）諧波總畸變率各次諧波電壓含有率（%）奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8公用電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量的總值，不應(yīng)超過上表給出的允許值。該諧波電流允許值是按上表中所示的基準(zhǔn)短路容量計(jì)算得出的，即:(2.8)其中，為第h次的諧波電壓含有率。為電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的三相短路容量。表2.2注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值電壓（KV）基準(zhǔn)短路容量（MVA）諧波次數(shù)及諧波電流允許值（A）234567890.381078623962264419216100433421341424111110100262013208.5156.46.83525012127.74.1665001613.08.113.04.3110750129.66.09.64.06.83.03.0如果最小短路容量與基準(zhǔn)短路容量不相同，則需要通過修改諧波電流允許值：(2.9)為短路容量為時(shí)第h次諧波電流允許值，為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，為2基準(zhǔn)短路容量，為表2-2中的第h次諧波電流允許值。當(dāng)兩個(gè)諧波源之間的相位角為已知量時(shí)，其同次諧波電流按以下式子進(jìn)行疊加：(2.10)實(shí)際運(yùn)行的電網(wǎng)中，在不同因素影響下同次諧波電流的相位關(guān)系是有一定隨機(jī)性的，所以如果從國標(biāo)無法得到明確的相位角時(shí)，可以依據(jù)以下式子進(jìn)行合成計(jì)算：(2.11)相位角合成系數(shù)可按表2.3取值：表2.3相位角的合成系數(shù)h3571113>13及偶次α1.81.922.2.3無源濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢如何對(duì)LC參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是無源濾波器設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵步驟。無源濾波器的設(shè)計(jì)并非一個(gè)復(fù)雜的過程，但通常不能以一個(gè)指標(biāo)的優(yōu)劣來對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，而是要綜合考慮關(guān)于經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)要求以及安全因素等多個(gè)指標(biāo)，是一個(gè)多目標(biāo)、多參數(shù)的非線性優(yōu)化問題。不合理的設(shè)計(jì)容易導(dǎo)致初期投資較大、濾波效果不理想、電網(wǎng)無功過補(bǔ)償?shù)膯栴}，嚴(yán)重時(shí)可能造成濾波裝置與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振而使得設(shè)備損壞。另外，在濾波器投切瞬間產(chǎn)生的浪涌電流、系統(tǒng)阻抗和頻率的漂移都很有可能使得系統(tǒng)中的諧波放大，從而損壞了某次濾波通道，甚至整個(gè)濾波裝置都難以進(jìn)行投切操作，后果極為嚴(yán)重。因此，建立一個(gè)完整、合理的綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)，求解同時(shí)滿足各項(xiàng)要求的濾波器參數(shù)，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于無源濾波器的設(shè)計(jì)方法國內(nèi)外均做了大量的研究工作，但由于眾多模糊相關(guān)的不確定因素，使得至今國內(nèi)外均未有標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一計(jì)算公式或設(shè)計(jì)程序。早期的無源濾波器設(shè)計(jì)方法一般時(shí)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或簡單的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來選擇參數(shù)，沒有進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括國外傳統(tǒng)的“無源濾波試湊設(shè)計(jì)法”，這種設(shè)計(jì)方法需要反復(fù)試湊，效率低下、精度有限，加之個(gè)別濾波器特性疊加后，其綜合效果往往是非最優(yōu)的。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)及優(yōu)化算法發(fā)展起來后，通過對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的各種條件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而應(yīng)用軟件仿真、優(yōu)化算法等手段來進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，然而優(yōu)化算法應(yīng)用的初期階段假設(shè)條件較多，一般是根據(jù)各個(gè)考慮因數(shù)的目標(biāo)函數(shù)通過一定的加權(quán)系數(shù)，構(gòu)成單目標(biāo)函數(shù)，而加權(quán)系數(shù)的確定仍主要取決于經(jīng)驗(yàn)，因此有很大的盲目性，且尋優(yōu)能力不強(qiáng)。第3章單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)3.1單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方式在實(shí)際的應(yīng)用中，無源濾波器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于將電壓總諧波失真降低到允許范圍內(nèi)。也就是說，對(duì)諧波的濾除可能并不充分（關(guān)鍵的電壓總諧波失真可能仍超出允許范圍）。在這種情況下，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)額外的濾波器以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)中仍存在的諧波。我們將設(shè)計(jì)一組單調(diào)諧濾波器，每一個(gè)濾波器對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中不同次的諧波。設(shè)計(jì)單調(diào)諧濾波器的主要任務(wù)是將基波的總無功功率在不同的濾波器中分配。分配無功功率的最優(yōu)方式為測量系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)參數(shù)尋找濾波器參數(shù)的最優(yōu)值。在由于種種原因無法測量時(shí)，可由一下對(duì)各濾波器無功功率的假設(shè)代替：(1)無功功率相等，見式(3.1)(2)與對(duì)應(yīng)次諧波的次序成反比，見式(3.2)(3)與對(duì)應(yīng)次諧波的次序的平方成反比，見式(3.3)(3.1)(3.2)(3.3)其中，為由濾波器負(fù)責(zé)濾除的諧波的序號(hào)為濾波器的個(gè)數(shù)范例1對(duì)應(yīng)電壓為6KV，容量500MVA的非線性負(fù)載，需要濾波器組補(bǔ)償?shù)臒o功功率為-1Mvar，且在滿足對(duì)電壓總諧波失真的限制的條件下，需要4個(gè)單調(diào)諧濾波器以分別濾除第5、7、11和13次諧波。運(yùn)用式(2.3)、(2.6)、(2.7)并分別在式(3.1)、(3.2)、(3.3)條件下建立濾波器的參數(shù)（如表3.1、3.2、3.3中所示）。由以上方法所設(shè)計(jì)出的4個(gè)濾波器組成的濾波器組的合成參數(shù)在圖3-1中。在圖中我們可以看出，在要濾除的5、7、11、13次諧波下阻抗都達(dá)到了最小值，而在6、9、12次諧波下，阻抗達(dá)到了最大值。表3.1四個(gè)單調(diào)諧濾波器的參數(shù)（平均分配無功方式）571113(kvar)-250-250-250-250(μF)21.2221.6521.9221.97(mH)2.7表3.2四個(gè)單調(diào)諧濾波器的參數(shù)（諧次反比分配無功方式）571113(kvar)-391.63-279.73-178.01-150.63(μF)33.2424.2315.6113.24(mH)4.5表3.3四個(gè)單調(diào)諧濾波器的參數(shù)（諧次平方反比分配無功方式）571113(kvar)-536.3-273.6-110.8-79.33(μF)45.5223.709.726.97(mH)8.6平均分配方式-藍(lán)，諧次反比分配方式-深綠，諧次平方反比分配方式-紅圖3.1三種傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的濾波器阻抗頻率曲線3.2單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)中的矩陣法應(yīng)用單個(gè)單調(diào)諧濾波器的阻抗在式(2.4)中已給出，下面為濾波器組的合成導(dǎo)納：(3.4)對(duì)要濾除的諧波：(3.5)對(duì)于阻抗應(yīng)達(dá)到最大值的諧波：(3.6)其中，為當(dāng)阻抗達(dá)到最大時(shí)的角頻率(3.7)由式(2.5)式和(2.7)并且考慮的情況，可得：(3.8)再由(3.6)式和(2.5)式可推出下式：(3.9)將(3.9)式與(3.4)式結(jié)合可得：(3.10)變換矩陣(3.10)可得等式：(3.11)由矩陣等式(3.11)，我們可以由下式求得各個(gè)濾波器的電容值：(3.12)其中,(3.13)求解(3.11)式，我們得到：(3.14)每個(gè)濾波器的電容值為：(3.15)分析(3.15)式，我們發(fā)現(xiàn)：(3.16)且(3.17)則此方法算出的電容值始終為正。范例2接下來我們代入式(3.13)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，我們沿用范例1中的數(shù)據(jù)，用矩陣法做一次參數(shù)設(shè)計(jì)。在諧波頻率為300Hz、450Hz和600Hz時(shí)濾波器的阻抗應(yīng)該達(dá)到最大值，此時(shí)：將以上參數(shù)代入到(3.11)式中，得：用Matlab求解上式，可得表四如下：表3.4基于矩陣法設(shè)計(jì)的四個(gè)濾波器的參數(shù)571113(kvar)-533.9-230.3-113.9-121.3(μF)45.3319.951010.7(mH)8.9圖3.2展示了用矩陣法設(shè)計(jì)出的濾波器的合成特性。阻抗特性曲線符合假設(shè)一和其他設(shè)計(jì)要求。圖3.2矩陣法設(shè)計(jì)的濾波器的阻抗頻率特性將用矩陣法與傳統(tǒng)三種方式所設(shè)計(jì)的單調(diào)諧濾波器組的阻抗頻率特性做比較，如圖3.3。平均分配無功方式-藍(lán)，諧次反比分配無功方式-深綠諧次平方反比分配無功方式-紅色矩陣法-淺綠圖3.3四種方式下濾波器的總阻抗總阻抗頻率特性從圖3.3可以看出，使用矩陣法設(shè)計(jì)參數(shù)的濾波器的阻抗特性曲線能夠在設(shè)計(jì)的6、9、12次諧波時(shí)阻抗能達(dá)到最大值，在5、7、11和13次諧波時(shí)阻抗比較小。矩陣法相比傳統(tǒng)方式，不僅可以設(shè)定濾波器阻抗在特定諧波下達(dá)到最小值，還可以設(shè)定濾波器阻抗在特定諧波下達(dá)到最大值。濾波器阻抗在所需要達(dá)到最小值的兩次諧波中間位置達(dá)到最大值，因而在所要濾除的兩次諧波之間的曲線相對(duì)平滑，對(duì)濾波器因交流系統(tǒng)頻率便宜以及濾波器元件老化、溫度升高后導(dǎo)致的失諧狀況適應(yīng)性更好。第4章工程實(shí)例中的應(yīng)用與分析4.1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定本文把基于矩陣法的濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于整流變壓器中濾波器的設(shè)計(jì)，并與傳統(tǒng)方式比較濾波效果，驗(yàn)證基于矩陣法的參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。整流變壓器的參數(shù)設(shè)定網(wǎng)側(cè)繞組的繞組容量為10855.523KVA，繞組電壓為20207V（星形連接），繞組電流為179.8A。閥側(cè)繞組的繞組電容為10885.523KVA，繞組電壓為350V（三角形），繞組電流為10370.8A。濾波側(cè)繞組的繞組容量為3900KVA，繞組電壓為10000V，繞組電流為130A，需濾波器補(bǔ)償?shù)膯蜗酂o功為595Kvar。濾波器的選擇先測未投入濾波器時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流并做傅里葉分析（如下圖4.1），發(fā)現(xiàn)未投入濾波器時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流主要包含5、7、11和13次諧波。圖4.1未投入濾波器前網(wǎng)側(cè)電流諧波含量其中，5次諧波含量為基波含量的16.81%，7次諧波含量為基波含量的10.07%,11次諧波為基波含量的3.71%，13次諧波含量為基波含量的2.21%。由諧波含量分析，選擇4個(gè)單調(diào)諧濾波器分別濾除5、7、11和13次諧波。4.2無功的分配與濾波器參數(shù)計(jì)算濾波器補(bǔ)償?shù)膯蜗嗫偀o功已知，為595kvar，要在四個(gè)單調(diào)諧濾波器中分配。我們分別使用式(3.1)至式(3.3)中的三種傳統(tǒng)方式進(jìn)行無功分配，如下表4.1。表4.1四種方式下的無功分配(kvar)5次單調(diào)7次單調(diào)11次單調(diào)13次單調(diào)平均分配148.75148.75148.75148.75按諧次反比分配233.02166.44105.9289.62按諧次平方反比分配319.08162.8065.9347