諧波濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

1、,,諧波濾波器參數(shù)設(shè)計(jì),答辯人：胡 飛 導(dǎo) 師：楊 峰 專 業(yè)：水利水電工程,,1、選題原因： 1）興趣使然---對(duì)電力電子學(xué)的整流和逆變一直很好奇 2）實(shí)際意義---電網(wǎng)諧波污染大、破壞力大、諧波危害愈演愈烈。,,2、諧波危害： 1）引發(fā)畸變 2）危害通信 3）誘發(fā)諧振 4）導(dǎo)致過熱，引起火災(zāi)、爆炸

2、 5）降低了功率因數(shù)，增加了功耗 ······,3、研究意義：抑制和消除諧波的危害,,,4、如何解決？ ——預(yù)防、補(bǔ)救,補(bǔ)救性措施——濾波,濾波,利用電力電子技術(shù)，雖然造價(jià)偏高，但可以實(shí)現(xiàn)高效率、小型化、智能化、模塊化。,利用電路理論中諧振原理，容量大、技術(shù)純熟、應(yīng)用廣泛。,,國內(nèi)外主流方案,1、傳統(tǒng)的無源濾波技術(shù)較為

3、成熟，傳統(tǒng)無源濾波器方案應(yīng)用廣泛。,2、電力電子技術(shù)快速發(fā)展，無源濾波技術(shù)優(yōu)勢(shì)凸顯。,,5、濾波實(shí)例 ——為一家鋁制廠設(shè)計(jì)無源濾波器,眾所周知，對(duì)于鋁廠，必須有電解池，電解需要直流，從交流電網(wǎng)中獲取電能就必須有交直流轉(zhuǎn)換，即整流環(huán)節(jié)，由此便會(huì)有大量諧波產(chǎn)生。每個(gè)國家，對(duì)電網(wǎng)諧波值都有一個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，超過諧波的上限值就需要上繳罰款，為了避免罰款，當(dāng)然需要對(duì)系統(tǒng)濾波。 我在這里采用無源濾波方案。,,無源濾波

4、器：可以濾波和補(bǔ)償無功，提高功率因數(shù),無功補(bǔ)償向量圖,,無源濾波器種類：串聯(lián)調(diào)諧、高通、阻尼式,a)串聯(lián)調(diào)諧,b)2階阻尼,c)3階阻尼,單調(diào)諧濾波器,單調(diào)諧濾波原理：在某一頻率處發(fā)生諧振，則對(duì)該次諧波阻抗值為零，此時(shí)即相當(dāng)于為該次諧波修建了一條專用通道。,,我的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要任務(wù)：濾波器設(shè)計(jì)和參數(shù)校驗(yàn),第一步,： 對(duì)鋁廠所給數(shù)據(jù)的篩選和分析，計(jì)算獲得系統(tǒng)等效電路圖,第二步,分配無功補(bǔ)償容量，計(jì)算濾波器的RLC參數(shù),關(guān)鍵：容量分配,,第三

5、步,濾波器參數(shù)校驗(yàn)：前面的參數(shù)計(jì)算僅僅滿足了無功補(bǔ)償?shù)囊螅欠窨梢园踩€(wěn)定運(yùn)行？,電容器體積龐大、造價(jià)昂貴、容易損壞。需要校驗(yàn)其電壓、電流值。,并聯(lián)部分的分流和耦合，總的諧波源是各次諧波源傅里葉疊加得到的。,替換電源反復(fù)計(jì)算，得到通過濾波器的電流及加在電容器上的電壓值，代入公式校驗(yàn)。不滿足校驗(yàn)則重新分配補(bǔ)償容量，重新計(jì)算；通過了校驗(yàn)，則可以微調(diào)補(bǔ)償容量，使其安全裕度更大。,,雙通道、三通道濾波器在容量分配問題上，現(xiàn)在大都參考吳竟昌所提

6、出的循環(huán)試探法，如果步長(zhǎng)設(shè)定為10%，則兩通道就會(huì)出現(xiàn)10組方案，三通道會(huì)出現(xiàn)35中方案，這里步長(zhǎng)過長(zhǎng)可能導(dǎo)致所有的方案都無法通過校驗(yàn)，但是這些方案中有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以在轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的地方減小步長(zhǎng)繼續(xù)采用試探法。 計(jì)算機(jī)編程在這里很容易實(shí)現(xiàn)試探。對(duì)于更多的通道的濾波器，計(jì)算機(jī)計(jì)算可能會(huì)陷入非常復(fù)雜的循環(huán)，手工計(jì)算的計(jì)算量也極大。在實(shí)際工程中，三通道濾波器已經(jīng)基本可以滿足諧波的濾除。,性能校驗(yàn)2：系統(tǒng)阻抗特性圖，如果諧振點(diǎn)發(fā)生在三

7、次諧波處，則對(duì)三次諧波的放大作用理論是無限大，系統(tǒng)本身含有大量的三次諧波，若三次諧波在此被放大，則濾波器反而起到反作用。故此處要求諧振點(diǎn)避開奇次諧波，并在三次諧波的右側(cè)。,濾波效果質(zhì)的體現(xiàn),,經(jīng)過眾多失敗的計(jì)算案例后，終于計(jì)算出了三種可以通過參數(shù)校驗(yàn)環(huán)節(jié)并能較好的濾除網(wǎng)側(cè)諧波的濾波方案，三種方案分別是單通道、雙通道和三通道濾波。 從造價(jià)來講，三通道成本明顯較高，并且為了使之能低于參數(shù)校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的電流電壓限制值，在工程實(shí)際中，實(shí)

8、際補(bǔ)償容量是需要超過計(jì)劃補(bǔ)償容量的，這無疑繼續(xù)增大了成本。 對(duì)于單通道濾波器，計(jì)算時(shí)不存在補(bǔ)償容量的分配問題，計(jì)算所得其峰值電流雖然在限制值以下，但是峰值電流接近于限制值，故電容器的運(yùn)行存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)。,,雙通道濾波器在造價(jià)上略高于單通道，但參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)可以調(diào)整兩個(gè)通道的補(bǔ)償容量，可以使得兩個(gè)通道中濾波器都能遠(yuǎn)低于限制值，以保證濾波器工作在安全狀態(tài)。 所以雖然所設(shè)計(jì)的三種濾波方案均可通過校驗(yàn)，但從濾波效果、成本和工作的

9、安全裕度上考慮，我選擇雙通道濾波方案。如果不考慮工程造價(jià)，可以繼續(xù)用試探法改進(jìn)三通道濾波方案。,,實(shí)驗(yàn)已達(dá)到的目標(biāo)：了解并掌握了無源濾波器的參數(shù)計(jì)算和基本參數(shù)值的校驗(yàn)，學(xué)會(huì)了利用MATLAB仿真實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行情況，并利用MATLAB作出了系統(tǒng)阻抗特性圖。 最終設(shè)計(jì)出了滿足IEEE標(biāo)準(zhǔn)的濾波器，能夠效果明顯的濾除剛鋁廠網(wǎng)側(cè)諧波，并將該鋁廠的功率因數(shù)由0.866提高到了0.95，實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償。,,有待研究和提高之處：1）暫態(tài)未

10、加考慮。實(shí)際工程中，必然存在濾波器本身以及鋁廠電解槽的投切，投切過程中的暫態(tài)過程可能產(chǎn)生高電壓、強(qiáng)電流，這在此次設(shè)計(jì)中完全未加考慮。而在國外研究中，暫態(tài)過程往往是考察的重點(diǎn)。2）未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)校驗(yàn)。僅僅給出工廠的補(bǔ)償容量、諧波電流值、低壓側(cè)電壓、系統(tǒng)容量，自動(dòng)計(jì)算多種濾波方案并自動(dòng)篩選。,,總結(jié)和展望： 無源濾波器短期投資小，可以實(shí)現(xiàn)濾波和無功補(bǔ)償，并且具有容量大的特點(diǎn)，可以適用于大的電網(wǎng)和大的工廠。但是體積龐大、電容