电气工程及其自动化毕业论文-基于matlab的电网谐波动态抑制的仿真与分析

i 目录目录 Abstract I Abstract . II 引言 . 1 山东农业大学 毕 业 论 文 基于matlab的电网谐波动态抑制的仿真与分析 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化二班 届 次 2013 届 学 二O 一三年六月十日 ii 1 谐波的产生 . 2 2 谐波检测仿真分析 . 5 2.1 MATLAB简介 . 5 2.2 MATLAB应用优点 . 6 2.3 基于FFT的数字分析 . 7 3 谐波的危害 . 9 3.1 对供配电线路的危害 . 9 3.2 对电力设备的危害 . 10 3.3 对用电设备的危害 . 10 4 谐波的防护和治理 . 10 4.1 设置谐波监测点. 11 4.2 就地加装谐波补偿装置 . 11 4.3 谐波抑制措施及滤波器的选择 . 11 4.4我国谐波的标准和规定 . 15 4.5谐波电压标准 . 16 4.6谐波电流的限制 . 17 5 谐波治理后带来的好处 . 18 6 动态谐波抑制仿真 . 21 6.1并联型有源电力滤波器的基本原理 . 21 总结 . 24 参考文献 . 25 致谢 . 26 附录 . 27 N Contents Abstract.I Abstract . II Introduction . 1 1 Harmonic generation . 2 iii 2 Harmonic simulation analysis . 5 2.1 MATLAB introduction . 5 2.2 MATLAB advantages . 6 2.3 FFT Analysis . 7 3 The harm of harmonic . 9 3.1 The harm to power supply line . 9 3.2 The harm of power equipment . 10 3.3 The harm of electric equipment . 10 4 Harmonic protection . 10 4.1 Harmonic monitoring . 11 4.2 Harmonic monitoring . 11 4.3 Harmonic suppression measures . 11 4.4 Standards and regulations . 15 4.5 The harmonic voltage standard . 16 4.6 Harmonic current limits . 17 5 Benefits of harmonic governance . 18 6 Dynamic simulation of harmonic . 21 6.1 Simulation of APF . 21 Summary . 24 References . 25 Acknowledgement . 26 Appendix . 27 I 基于matlab的电网动态谐波抑制的仿真与分析 作者：王玉良，指导教师：闫银发 （山东农业大学 机电学院 讲师) 【摘要】随着 电力网供、配、用电规模的日益扩大，特别是 近年来各生产区域用电设备类型的多样化、复杂化等 因素存在， 电力网中的谐波分量也较严重， 电网的电能质量已得不到较好保证。因电网系统中谐波的存在，已对 电力网的安全和稳定运行构成了威胁。电能作为现代社会的重要能源之一，广泛应用于工农业生产、人民生活、国 防科技等各个领域。随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业，使电 网谐波含量大大增加，电能质量下降。所以，抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。本文还利用 MATLAB/SIMULINK进行有源单相电源滤波器的仿真，结果表明，该滤波器能够对谐波电流起到了较好的补偿作用， 具有较好的动态补偿特性。 关键词：谐波 MATLAB 动态抑制 防护 II Powersystem Dynamic Simulation and Analysis of Harmonic Suppression Based on Matlab Author： yuliang wang，Supervisor： yinfa yan. (CMEE , Shandong Agricultural University Lecturer ) Abstract: With the power grid for electricity, distribution, scale expanding, especially in recent years, each production area using a variety of electric equipment, types of complicated factors, the harmonic component in power network is more serious, the power quality has not better guarantee the grid. Because of the harmonic wave in the power grid system in existence, has for the power grid safe and stable operation of a threat. Therefore, analysis of the current problems of harmonics in power network, and with the staff to explore, for seeking ways and means about the harmonics in power network management andimprovement. Electric energy as one of the most important energy in modern society, widely used in industrial and agricultural production, peoples life, national defense science and technology etc. With the development of power electronic technology, a number of the nonlinear loads and various rectifier devices are widely used in all walks of life, the harmonic content increased, the decline in the quality of electric energy. Therefore, the problem needs to be solved urgently to suppress the harmonic pollution, improve the quality of power supply to be. Simulation based on MATLABSIMULINK active single-phase power filter, the simulation results show that, the filter can be a good compensation effect on harmonic current, compensation has good dynamic characteristics. Key words: harmonic detecting ; reactive compensation; harmonic restriction; matlab . 1 引言引言 随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大 量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网 的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。 国际上公认的谐波含义为： “谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数 倍” 。它明确了谐波次数n必须是一个正整数。由于谐波是其基波的整数倍，故也常称为高次谐波。 高次谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压和产生的电流 不成线性关系而造成的波形畸变。造成系统正弦波形崎变、产生高次谐波的设备和负荷称为高次谐 波源或谐波源。一切非线性的设备和负荷都是谐波源。 当电力系统向非线性设备及负荷供电时， 这些设备或负荷在传递(如变压器)、 变换(如交直流换 流器)、吸收(如电弧炉)系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量， 向系统倒送大量的谐波能量， 使系统正弦波形畸变， 产生谐波。 谐波源产生的谐波与其非线性有关。 当前，电力系统的谐波源按其非线性特性分主要有三类： (1)电磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其磁饱和特性呈现非线性。 (2)电子开关型： 主要为各种交直流换流设备装置(整流器、 逆变器)以及双向晶闸管可控开关设 备等，在化工、冶金、电气轨道等大量工矿企业及家用电器中广泛使用；在系统内部，则如直流输 电中的整流阀和逆变阀等，其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。 (3)电弧型： 各种炼钢电弧炉在熔化钢铁期间以及交流电弧焊接机在焊接期间， 其电弧的点燃和 剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动，其非线性呈现电弧电压与电弧电流不规则的、 随机变化的伏安特性。 由于电力系统施加于负荷的电压基本不变，谐波源负荷通过从电力系统取得一定的电流作功， 该电流不因系统外界条件和运行方式而改变，同时谐波源固有的非线性伏安特性决定了电流波形的 2 畸变，使其产生的谐波电流具有一定的比例，因此非线性负荷一般都为谐波电流源向系统注入一定 的谐波电流。另外，谐波电流源的谐波内阻抗远大于系统的谐波阻抗故谐波电流源在电力系统中一 般可按恒流源对待。谐波电流源注入电力系统的谐波电流，在系统的阻抗上产生相应的谐波压降， 便形成系统内部的谐波电压，使原有的正弦波电压产生畸变。 1 1 谐波的产生谐波的产生 当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时， 即说明其中含有频率高于50Hz的电压或电流成 分，我们将频率高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。 当谐波频率为工频频率的整数倍时，我 们将其称之为整数次谐波，这类谐波通常用次数来表示。例如：将频率为工频频率5倍（250Hz）的 谐波称之为5次谐波，将频率为工频频率7倍（350Hz）的谐波称之为7次谐波，依此类推。当谐波 频率不是工频频率的整数倍时， 我们将其称之为分数谐波。 这类谐波通常直接使用谐波频率来表示。 从目前供、 配电网络构成及用电设备情况分析， 电力网内的谐波分量的产生主要是由大容量电 力设备和用电整流或换流设备以及其它非线性负荷造成的。谐波产生的根本原因是由于非线性负载 所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。系统 中的主要谐波源可分为两大类： 含半导体非线性元件的电力电子设备谐波源。如各种整流设备、交流调压装置、变流设备、直 流拖动设备、整流器、PWM 变频器、相控调制变频器以及现代工业设施为节能和控制用的电力电子 设备等；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯、发电机、变压 器及铁磁谐振设备等。 具体来讲，主要来自于以下几个方面： 第一类是由于非线性负荷而产生谐波，例如可控硅整流器、开关电源等，这一类负荷产生的谐 波频率均为工频频率的整数倍。例如三相六脉波整流器所产生的主要是5次和7次谐波，而三相12 脉波整流器所产生的主要是11次和13次谐波。 3 第二类是由于逆变负荷而产生谐波，例如中频炉、变频器，这一类负荷不仅产生整数次谐波， 还产生频率为逆变频率2倍的分数谐波。 例如：使用三相六脉波整流器而工作频率为820Hz的中频炉则不仅产生5次和7次谐波，还产 生频率为1640Hz的分数谐波。 谐波在电网诞生的同时就是存在的，因为发电机和变压器都会产生 少量的谐波。但是由于产生大量谐波的用电设备不断增加，并且电网中大量使用的并联电容器所造 成的谐波放大，使得谐波的影响越来越严重，从而逐渐引起人们的重视。 当电网中的谐波电流较大， 以至于电压波形也产生畸变时， 我们将其称之为电网被污染。 电网的 污染程度用电压波形畸变率来表示， 简称THDu。 按照国家标准GB/T14549-93电能质量公用电网谐 波的规定：10KV电网的THDu应小于4%，400V电网的THDu应小于5%。谐波与无功电流不同。无 功电流只影响电网的电压，并增加供电系统的铜损，通常不会影响用户，也不会影响计量精度。而 谐波的影响可以用“无孔不入”来形容。在电网被污染的情况下，所有电网中的设备与负荷均会受 到影响。谐波与无功还有一点不同：无功电流在没有补偿的情况下会一直传送到发电机，而谐波电 流通常全部被电网中的设备与负荷吸收掉。 电力网中共有大小容量发电机组9台 （不包括离子膜等生产线配置的应急柴油发电机等） 。 由于 发电机组的三相绕组在制作上很难做到绝对对称， 铁芯也很难做到绝对均匀一致， 加上其它的原因， 发电电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。 拥有复杂但较完善的输、配电系统，其中包括两座 35KV 级变电站，大小容量近 40 座独立配 电站以及数量宠大的输、配电电力线路。输、配电系统中产生谐波的设备尤以变压器最为突出。由 于变压器铁芯饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁通密度选择在磁 化曲线的近饱和段上， 这样就使得磁化电流呈尖顶波形， 因而含有奇次谐波。 铁芯的饱和程度越高， 变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也越大。有资料表明，变压器产生的3次谐波电流可达到变 压器额定电流的0.5左右。其次， 电网内的其他配电设备，如高压补偿电容器、电抗器等，均是 产生谐波的主要电力设备。 4 各种类型的用电设备产生的谐波。下面一些用电设备都能产生谐波： 晶闸管等电子整流设备:由于晶闸管整流设备如电解槽、充电装置、开关电源等在 内使用越来 越广泛，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置主要采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正 弦波，而馈送给电网的却含有大量的谐波。例如 离子膜（烧碱）的整流装置、变电站内的高频开关 电源装置等， 它们大都是用晶闸管、 小功率的整流装置等电力电子元件， 其励磁电流所占比例较大， 虽然其单个容量小，但数量较多且分布很广，它们产生的高次谐波也会对电力系统造成影响，加重 电力网的谐波污染。有资料表明：由电子整流装置产生的谐波占所有谐波的近 40 %，这是最大的 谐波源。 变频调速装置:变频调速装置，简称变频器常用于水泵、风机以及需要进行速度调节的工艺设备 中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整次谐波外，还含有分数次谐波。随着 内各生 产区域变频器的大量使用， 变频装置的谐波含量与分布更大， 对 电网产生的谐波也越来越多。 气体 放电类电光源:如荧光灯、 高压汞灯、 高压钠灯与金属卤化物灯等均属于气体放电类电光源。 随着 “绿 色照明”工程的进行， 内各种荧光灯、节能灯、高压钠灯、高压汞灯、金卤灯的使用量较多，同样 给电力网注入了谐波分量。其谐波特征是主要产生3、5、7次谐波，其谐波量随灯具的容量增大而 幅度增大。 生活用电器: 生活区电力网中所挂的大量家用电器，如电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、 空调、微波炉、电磁炉、计算机、充电器、调光灯具等，这些家用电器均含有非线性元件，会产生 谐波电流，其中的调压整流装置，则会产生较深的奇次谐波。在电力系统中谐波产生的根本原因是 由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电 路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(MFourier)分析原理证 明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是 正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以 I 区分为偶次与奇次性，第 3、5、7 次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐 5 波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中， 由于 对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载， 出现的谐波电流是 6n1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。 2 2 谐波检测仿真分析谐波检测仿真分析 在MATLAB中进行电力系统谐波分析， 通过建立电力系统产生谐波谐波后建立谐波信号模型。 谐 波分析必须要有研究对象， 而实际的电网信号采样需要精密的仪器设备和在特定的电力环境下进行， 要求比较高。算法研究通常采用计算机仿真的方法，需要对研究对象进行建模，因此好的模型的建 立是研究的前提。怎样合理的建立谐波信号模型是一个很关键的问题，也是研究的一个难点之一。 MATLAB是工程应用和科学计算领域的强大的武器，它不仅仅可以用在谐波的仿真上，也可以用来建 立各种信号模型，为理论和算法的研究提供好的研究对象。 2.1 MATLAB2.1 MATLAB简介简介 在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算和一些复杂的数学 运算。一般来说，这些运算难以用手工精确、快捷地进行，要借助计算机编程采用数值方法来近似 计算.用BASIC和FORTRAN语言编制计算程序， 既需要对有关算法有深刻的了解， 还需要熟练掌握所 用语言的语法及编程技巧。对大多数科研工作者而言，同时具备这两方面的技能有一定的困难。通 常编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力，而且影响工作效率和进程。为了克服上述困难，美 国Math Works 于1967年推出了矩阵实验室Matrix Laboratory(缩写为MATLAB)软件包，并不断更 新和扩充。早期的MATLAB只是非常简单的For DOS版本，到1993年才发行了For Windows 3.1版 本。随着Windows 9x操作系统的出现，MATLAB的用户界面功能更加强大，并且具有鲜明的特点。 MATLAB的典型应用包括： （1）科学计算； 6 （2）数据采集及信号处理； （3）算法的开发研究； （4）数据分析和数据可视化； （5）建模及原型仿真； （6）科学与工程绘图； （7）应用程序开发(包括建立图形化用户界面)。 MATLAB 己经发展了很多年，己有许多用户使用它。在大学里，MATLAB 已成为用于介绍性 和更高级的数学、工程和科学课程中的标准的教学工具。在工业领域，MATLAB已经成为用于高效 率研究、开发和分析的首选工具。在同类软件中，MATLAB 首屈一指，己经成为科学工程计算(矩 阵计算)领域中的事实上的软件标准。 2.2 MATLAB2.2 MATLAB应用优点应用优点 MATLAB应用于算法仿真和分析具有以下一些优点： （1）编程效率高； （2）扩展能力强； （3）使用方便； （4）语句简单，内涵丰富； （5）方便的绘图及其图形界面功能； （6）高效、方便的矩阵和数组运算。 由于MATLAB所具有的上述优点，本文主要将运用MATLAB工具对谐波进行分析，分析过程中主 要用到了MATLAB的信号处理工具箱和小波工具箱的一些函数，同时结合MATLAB强大的绘图和数据 处理功能，给算法的分析和仿真带来了很大的便利，使得我们可以将主要精力放在算法的分析比较 和实现上，而不必拘泥于编程的细节。 7 2.3 2.3 基于基于FFTFFT的数字分析的数字分析 快速傅立叶变换是计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT。快速傅里叶变换是1965年 由J.W.库利和T.W.图基提出的。 采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大 为减少，特别是被变换的抽样点数 N 越多，FFT 算法计算量的节省就越显著。在光谱、大气波谱分 析、数字信号处理等方面有广泛应用。 基于FFT的数字分析法原理比较简单，其原理为将检测到的一个周期的谐波信号用FFT分解， 即可得到各次谐波的幅值和相位，从而也得到了各次谐波的表达式。采用FFT快速算法可以很快检 测到测量波形中的各次谐波， 但这种方法的缺点是需要一个周期的采样数据， 所以具有较大的延时， 不能称为快速检测法。 目前通用的方法是采用移动窗口方法，即每采样得到一个新的数据，则剔除一个时间最早的数 据，将新数据与其它数据一起构成新的数据窗，进行FFT分析得到各次谐波。这样，每个采样点即 可计算得到各次谐波。由于新的采样点是逐步加入进来的，当系统谐波含量发生突变时，必须经过 一个周期的测量，FFT 分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化。所以，基于 FFT 的数 字分析方法存在一周期的延时。 FFT方法思路比较简明，原理和工作过程十分清晰，对所补偿的谐波可以进行有目的的选择， 适用于各种状况。但缺点是由于需要对误差信号进行重构，运算较为发杂，故具有一定的延时，实 时性较差；而且该方法是建立在Fourier分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期性变化的， 否则会带来较大的误差，所以限定了其使用范围。 下图2-1、2-2为三次谐波和五次谐波抑制后FFT分解。 8 图图2 2- -1 1 三次谐波三次谐波FFT分解分解 注意到抑制后,基波电压频率符合THD=0.17%符合要求。 图图2 2- -2 2 五五次谐波次谐波FFT分解分解 注意到抑制后,基波电压频率符合THD=0.23%符合要求。 9 3 3 谐波的危害谐波的危害 分析了上述 电网中谐波产生的原因， 我们再认识一下电网中存在谐波的危害。 电力网中谐波的 危害主要表现在 由于谐波的频率较高， 使导线的集肤效应加重， 因此铜损急剧增加。 同时变压器铁心由于不 能适应急剧变化 的磁通而导致铁损急剧增加。 谐波会影响表计的计量精度。 从原理上进行分析： 谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为 谐波发送到电网 中去， 因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算， 从而导致计量误差。 对于机 械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。因为在高次谐波严重的情况下（例 如中频炉）会严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。 精密电子设备会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁。 所有接于电网中的设备的损耗都会增加， 温升增加。 含有电容器的设备受影响最为严重， 甚 至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。 电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。 继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。 当电网的谐波污染程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成影响。随着污染程度的增 加，谐波的影响就逐渐显现出来。在谐波严重超标的情况下，如果不进行谐波治理，往往会产生很 严重的后果。谐波源的特性非常复杂，因为谐波的产生不仅仅取决于产生谐波的负荷本身，还与电 网的短路容量、 电网的组成形势以及电网中的其他负荷的性质有关。 因此滤波器无法做成定型产品， 必须通过我司技术人员对谐波源现场情况的测试，然后根据现场测试结果进行专门设计。 3.1 3.1 对供配电线路的危害对供配电线路的危害 影响电网的质量。电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。另外，相同频率的 谐波电压与电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 10 影响线路正常的稳定运行。供配电系统中的电力线路、电力变压器以及高压电动机一般采用电 磁式继电器、感应式继电器或微机电子式继电器予以检测和保护，由于电磁式继电器与感应式继电 器对 10%以下含量的谐波不敏感，当谐波含量高达 40%时，导致继电保护误动作。而晶体管继电 器虽然有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响产生误动或拒动。这样，谐波将 严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 3.2 3.2 对电力设备的危害对电力设备的危害 对电力变压器的危害。主要体现在谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡 流损耗以及导体外部因漏磁通引起的杂散损耗，谐波还导致变压器噪声增大。 对电力补偿电容器的危害。谐波的存在往往使电网电压呈现尖顶波形，电容器承受较高脉冲电 压，使其绝缘介质加速老化，当谐波严重时，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。另外，电容器运行 在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧。 3.3 3.3 对用电设备的危害对用电设备的危害 对异步电动机的危害：主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热，加速 绝缘介质老化，产生机械震动和噪音等。对低压开关设备的危害：由于谐波泄漏电流的作用，可能 使断路器异常发热，出现误动作。 4 4 谐波的防护和治理谐波的防护和治理 电网中存在谐波已被认为是电网公害，必须加强防护，加大对电网谐波的治理。现结合 电力网 实际情况，提出以下谐波防护和治理的主要可行方法。 11 4.1 4.1 设置谐波监测点设置谐波监测点 在电力网内的适当地点设置谐波监测点，对谐波电压和谐波源注入电网的谐波电流，根据不同 情况进行24小时的连续或定时监测，对谐波源接入电网进行审定，以保证供给电能的质量。 4.2 4.2 就就地加装谐波补偿装置地加装谐波补偿装置 在离子膜生产整流变处、总降压站大容量补偿电容器处以及热电站等谐波源处装设无源调谐滤 波装蹬，吸收谐波电流，有效地减少谐波量。加装有源滤波装置，采用补偿原理，向电网注入与谐 波电流相位相反、幅值相同的电流，来抵消电网中的谐波，从而达到抑制谐波的目的。加装静止无 功补偿装置，对系统、负荷无功功率进行快速动态补偿，改善功率因素，抑制不平衡电流产生，并 滤除谐波源发出的谐波。 4.3 4.3 谐波抑制措施及滤波器的选择谐波抑制措施及滤波器的选择 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， 这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。装设谐波补偿装置的 传统方法就是采用LC 调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一 直被广泛使用。 这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响， 易和系统发生并联谐振， 导致谐波放大，使LC 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，LC滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。 根据滤波器滤波原理的不同，可以将电力滤波器分为无源电力滤波器和有源电力滤波器两种。 并且各自由于连接方式的不同， 又分为很多种， 如串联型， 并联型， 混合型等。 无源电力滤波器 （PPF） 是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段， 是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构， 通常是根 据所要实现的功能由电力电容器、电抗器和电阻组合而成。一个简单的串联LC 电路与谐波源并联， 12 应用其谐振原理， 使某一次谐波在这个支路发生谐振， 呈现低阻状态， 使该次谐波电流不再流入电网， 达到抑制该次谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐LC 滤波器并联接到电网。无 源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除 某一次以上的谐波。无源滤波器谐波治理的工作原理。 无源滤波器主要由滤波电容器,滤波电抗器等适当组合成LC滤波装置,滤波器除起滤波作用外,还 兼作无功补偿作用.LC滤波器主要有调谐和滤波器,双调谐和滤波器,高通滤波器,C型滤波器等.实际 运用中根据谐波电流的分布及大小以及无功需求情况设计成几组滤波器,每一组滤波器对应某一次谐 波呈低阻抗,高通滤波器对截止频率以上的谐波均呈现低阻抗,C型滤波具有调谐频带宽,损耗低的特 点.。 滤波器的分组需进行精密计算,既要滤除主要的谐波电流,也要满足无功补偿要求,同时还要防止 在某一词整数次频率下由于滤波器与系统阻抗发生并联谐振而产生的谐波电流放大.本 研发成功的 无源滤波消谐无功补偿装置可根据每一用户的具体特点快速合理地提供精确的滤波器设计。 无源电力 滤波器的优点:因其结构简单，电压和容量可以做得很大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改 善功率因数；维护方便，造价低，运行费用也低；对某一次高次谐波吸收效果明显；设计和制造经验 成熟。因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。本论文选用无源滤波器中的单调谐滤波器。 单调谐滤波器通常以调谐频率为出发点进行设计。 令基波频率为f1,对应角频率为w1,对应于谐振频率 有： /hLCXhXXh （4-1） 发生的谐振频率为: 01 1 2 fhf LC （4-2） 所要消除掉的谐波次数为: 0 1 1 1f h fwLC （4-3） 13 对于任意h次谐波,滤波器的阻抗为:( )() C L X Z hRj hX h 。 （4-4） 根据所要去除的谐波次数选择合适的LC 参数。 用3个正弦信号的叠加来构造一个谐波， 3 个正弦 信号的频率分别为50Hz、150Hz、250Hz，幅值为1A、0.2A、0.2A。未加滤波器的谐波产生的仿真与波 形图如图4-1、图4-2。 图图4 4- -1 1 谐波产生谐波产生matlab仿真仿真 14 图图4 4- -2 2 示波器示波器SCOPE显示的波形图显示的波形图 在仿真电路中加入单调谐滤波器进行滤波。 对谐波进行滤波的Simulink 仿真图示波器显示的波形 图如图4-3，图4-4是滤波后波形图。 ： 图图4 4- -3 3 Matlab Matlab 谐波仿真电路图谐波仿真电路图 图图4 4- -4 4 滤除滤除5 5次谐波次谐波仿真图仿真图 15 表表4 4- -1 1谐波次数和对应的电容取值谐波次数和对应的电容取值 谐波次数 2 3 4 5 6 7 电容 12.665 5.628 3.16 2.026 1.407 1.033 图4-3中加入的RLC即是单调谐滤波器，用它来滤除5次谐波，它的元件参数值为：R=0.2，L=0.2， C=2.026F。为了滤除不同次数的谐波，采用的单调谐滤波器的参数值，可应用表4-1给出的参数值 示波器显示的是经过5次谐波滤波器滤波后的波形。 从仿真的结果可以看出， 无源滤波器的滤波效果还是比较明显的。 无源滤波器应用已经比较成熟， 但它也有些难以克服的缺点，如： (1)只能抑制按设计要求规定的谐波成分。 (2) 滤波要求和无功补偿、调压要求