无源电力滤波器设计及PSCAD仿真.docx
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无源电力滤波器设计及PSCAD仿真
无源电力滤波器设计及PSCAD仿真
(2013届)无源电力滤波器设计及PSCAD仿真
学生姓名学号
院系
专业自动化指导老师完成日期2013-5-15
无源电力滤波器设计及仿真
摘要
本文对电力电子设备中谐波的产生的原因及危害进行了简单的阐述,以此来引出治理谐波的方法和意义的重要性。
为了达到滤除谐波的目的,得到一个洁净理想的电网系统,本文简述了滤除电网中谐波的常见一些方法和原则。
本文将具体详细的描述如何设计一个无源电力滤波器来滤除谐波。
通过对一个特定的系统以400V,50Hz电压做为一个6脉冲转换器负载的电压源进行滤除谐波的例子。
生动形象的对设计一个无源电力滤波器过程中需要涉及计算到的各个参数进行详细的计算,如滤波电抗器基波电抗、滤波电抗器电感值、电容器基波电抗值、电容器电容值、品质因数等参数。
并且在PSCAD仿真系统中进行滤波的仿真,通过仿真最后确定无源电力滤波器的各个参数。
关键词:
无源滤波器;谐波;PSCAD
I
毕业设计(论文)
PASSIVEPOWERFILTERDESIGNAND
SIMULATIAN
ABSTRACT
Thisarticledescribesthecausesandhazardsofharmonicsintheelectricalandelectronicequipment,aswellasgovernanceharmonicandsignificance.Inordertoachievethepurposeoftheharmonicfilter,acleanandidealgridsystem,thispaperoutlinesthethegridharmonicfiltersomeofthecommonmethodsandprinciples.Thisarticlewillbespecificanddetaileddescriptionofhowtodesignapassivepowerfiltertofilterouttheharmonics.
Bytheexampleoftheharmonicfilterforaparticularsystemasasix-pulseconverterloadvoltagesourcevoltageof400V,50Hz.Vividdesignapassivepowerfilterprocessinvolvingthevariousparametersofthecalculationtoperformthedetailedcalculations,suchasfilterreactorfundamentalreactance,thefilterreactorinductancevalue,capacitorfundamentalreactancecapacitorcapacitancevalue,qualityfactorandotherparameters.AndPSCADsimulationsystemforfilteringsimulation,bytheendofthesimulationtodeterminethevariousparametersofthepassivepowerfilter.
KEYWORDS:
Passivefilter;Harmonic;PSCAD
II
摘要....................................................................IABSTRACT...................................................................II目录......................................................................1引言........................................................................31.绪论......................................................................4
1.1研究本课题的背景和意义..............................................4
1.1.1谐波产生的原因及危害...........................................4
1.1.2谐波的治理方法.................................................4
1.1.3治理谐波的意义.................................................5
1.2本课题国内外的研究情况..............................................5
1.2.1国外发展历程...................................................5
1.2.2国内行业现状及发展情况.........................................5
1.3本课题的主要工作....................................................6
1.3.1本课题要研究的主要问题.........................................6
1.3.2本课题研究的思路和方法.........................................62.滤波器的设计要求及步骤....................................................7
2.1设计滤波器的要求....................................................7
2.2设计滤波装置的一般步骤..............................................73.设计方案的确定............................................................8
3.1无源滤波器的分类....................................................8
3.1.1调谐滤波器.....................................................8
3.1.2高通滤波器.....................................................8
3.2几种常见无源电力滤波器原理电路图....................................9
3.3滤波方案的确定......................................................94.各元器件选择的算法部分...................................................10
4.1说明...............................................................10
4.2几个概念...........................................................10
4.3算法...............................................................11
4.3.1算法一........................................................11
1
毕业设计(论文)
4.3.1算法二........................................................125.在PSCAD上对特定的系统仿真...............................................13
5.1PSCAD的简介........................................................13
5.1.1PSCAD的功能..................................................13
5.1.2PSCAD的目前引用情况..........................................13
5.2对一个以6脉冲转换器为负载的系统进行滤波仿真.......................14
5.2.1对该系统不加滤波器进行仿真....................................15
5.2.2对系统加入滤波器进行仿真......................................176.总结和体会...............................................................21参考文献...................................................................22附录.......................................................................22致谢.......................................................................24
2
引言
由于我国的工业与民用建筑的电力负荷快速增加和电力电子设备被各个行业的大范
[1]围的使用,这些设备都会产生大量的谐波电流和谐波电压。
电网中的谐波含量越高电压畸变率也随之升高,导致电网传输和配送技术中又一难题的产生。
谐波电流和谐波电压会使电网的电能在输配中引起质量下降、损耗变大、效益下降,影响了电力系统的安全稳定
[2]运行。
因此,研究电网谐波治理,对于如何滤除电网中的谐波,发展无功功率补偿等新技术有着十分重大的意义。
对于谐波的研究,不管在国内还是国外方法基本有两种。
一种办法是对电力电子装置本身进行改进,使得设备本身不产生谐波或最大限度地减少谐波;另外的一种方法是装设电力滤波设备,这种方法适用与各种谐波源。
本文将要设计的无源电力滤波器就是其中的一种电力滤波设备。
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毕业设计(论文)
1.绪论
1.1研究本课题的背景和意义
1.1.1谐波产生的原因及危害
在理想的状况下,电网中测到的电流和电压在理论上都是呈正弦波状态的。
由于存在大量的非线性负载在电力系统中,当这些非线性负载工作时,其两端的电压与流过负载的电流不存在线性关系,换句话说其电流发生了畸变,电路中有谐波产生。
在电网系统中存在许多谐波源,其中电力电子装占有比例非常高,如变频器等。
在理想的公用电网中,电压频率也是固定的比如我国民用的电压频率为50Hz。
出现在电网中的谐波电流和谐波电压,对于电网系统来说是一种污染,谐波会导致用户的用电设备处在恶劣环境甚至不能正常工作,也可能会对周围的其他用电设备产生一定的干扰。
谐波的危害十分严重。
谐波的危害及污染主要表现在对电力系统的危害和干扰信号方
[3]面的影响上,可概括为:
(1)在电力危害方面:
增大了输配电过程中的损耗;对电力系统中的无功设备消耗;使旋转电机等的附加谐波损耗增加,使其发热增大,使用寿命大大缩短;产生谐振引起电压过高,使得设备工作不能正常工作,也可以造成电器元件损坏和设备故障;使电能测量产生的误差较大;
(2)在信号干扰方面:
对通信系统会产生电磁干扰,使的网络及电话通讯质量有所下降;使一些敏感度高的和重要的保护装置和自动控制工作发生紊乱,使得系统增加误动或拒动的现象,导致系统的可靠性下降;影响了功率处理器的正常运行。
1.1.2谐波的治理方法
从现在研究治理谐波方向的手段来看,基本上就两种方式:
无源滤波和有源滤波。
无源滤波装置主要采用的是LC回路,并联在系统中。
设定的LC回路,只能针对于其中的一次谐波,换言之针对这一个频率是显低阻抗的特性,使该频率流向为之设定的LC回路中,从而达到滤除该频率谐波的目的。
LC回路不但能滤除谐波,而且在基波上能对系
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毕业设计(论文)统进行无功功率的补偿。
这种LC滤波装置虽然简单,成本低,但不能很干净的滤除谐波。
有源电力滤波器,是使电力电子元件形成一个方向相差180度角,但等幅值的谐波电流,来中和电网中的谐波电流。
但是有源滤波器中的主要组成部件都是些功率大,且成本高的器件,从理论上看这种滤波器是可以完全彻底的滤除电网中谐波的。
但是其在硬件方面问题无法解决,在大容量场合无法使用。
1.1.3治理谐波的意义
通过前面的一些描述,对电能的质量好坏的评判标准仅仅从用电压和频率这两个方面的指标来看显然是不够充分的,谐波已然成为其中的重要指标之一。
所以说,无论是从保证电力系统的稳定、安全、经济运行的方面,还是使用电设备的能运行正常、使用安全的方面,将谐波含量限制在国家明文规定的标准范围之内,使得电网有一个洁净的电气环境已经刻不容缓。
与国外技术相比,我国的谐波治理水平还不够高,对于我们来说治理谐波问题的研究无论是在理论还是在现实方面都具有非常重要的意义。
1.2本课题国内外的研究情况
1.2.1国外发展历程
美国和德国科学家于1917年分别发明了LC滤波器,1918年美国科学家发明了世界上的第一个多路复用系统。
上世纪50年代无源滤波器的发展日趋成熟。
从60年代起由于计算机技术的蓬勃发展,滤波器的发展进入了新的一个阶段。
70年代以后的滤波器主要发展方向是朝着体积小、功能多、精度高、可靠稳定。
因而就有了数字滤波器、RC有源滤波器、开关电容滤波器以及电荷转移器等这些滤波器的高速发展。
在70年代后期,上面提及的几种滤波器的单片集成已经成熟而且得到实际应用。
80年代,为了提升滤波器各方面的性能使其能更广泛的被使用,他们把研发重点放在各种新型滤波器上。
从上个世纪末到现在他们一直把研发各类滤波器使之能应用于各类产品定为主要的研究方向。
1.2.2国内行业现状及发展情况
在我国,上世纪50年代后期滤波器得到了广泛的使用,那时主要应用在的报路滤波和话路滤波行业。
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毕业设计(论文)
经过了半个多世纪的研究发展,我国对滤波器的生产、研发及应用等方面已接近国际发展水平,但是由于专门研制机构的缺乏,材料工业和集成工艺都相对有些落后,这些因素使得我国在很多新型滤波器的研发方面与国际的水平有着相当的差距。
我国科学家对谐波问题的研究开始于上世纪80年代,在之后的十多年在这方面有了很好的提升,近些年来与国外的差距越来越小。
与有源滤波相比,无源滤波有着容量大,价格低的明显优势,许多行业的滤波都采用的是无源滤波,目前我国在滤波方面上主要还是以无源滤波为主的。
国际上以施耐德、诺基亚、西门子、ABB为代表,国内以温州清华电子、哈工大、山大华天、绿波杰能、西安赛博为代表。
1.3本课题的主要工作
1.3.1本课题要研究的主要问题
掌握串联谐振调谐滤波的原理及与系统阻抗实现分流滤波的原理。
掌握电力电感品质因数、调谐滤波器调谐频率等概验。
在此基础上,理解滤波器滤波次数、分组等与系统无功需求及滤波需求的关系。
在专业知识研究的基础上,对一个特定系统给出无源电力滤波器设计方案,并在PSCAD中进行仿真。
完成相关的设计图纸和设计说明书。
1.3.2本课题研究的思路和方法
首先,阅读技术文献,了解电气设计的一般原则及相关要求。
然后,深入学习研究相关专业课内容,掌握无源电力滤波器工作原理、设计原则、器件选型等各技术环节。
最后,对一个特定系统给出无源电力滤波器设计方案,并在PSCAD中进行仿真。
完成相关的设计图纸和设计说明书。
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毕业设计(论文)2.滤波器的设计要求及步骤
2.1设计滤波器的要求
滤波器的设计基本要求应须满足下列两个:
1.对谐波源的治理用最小的投资使其注入系统的谐波减小达到国家规定的标准水平。
2.对基波无功补偿的达到要求。
在满足上面两个基本要求的条件下,设计滤波装置的一些指标会涉及到,如下:
(1)技术指标,包括滤波器的构成、谐波电流、谐波电压以及无功补偿容量等;
(2)安全指标,包括电容器的过电流、过电压、容量平衡等;
(3)经济指标,比如损耗、投资等。
2.2设计滤波装置的一般步骤
[3]1.为了得到设计滤波装置的各个参数,首先应了解和掌握下列资料:
(1)供电系统的主接线设备的方式和设备的参数;
(2)系统的最小及最大短路容量;
(3)电网的运行参数;
(4)系统中的谐波水平;
(5)无功补偿的要求;
(6)上级的供电线路参数和供电系统。
相关供电部门可以提供上述需了解掌握的资料中的前三项。
根据原系统并联电容器的容量可以确定无功功率补偿要求。
了解上级供电线路参数和供电系统是为了建立系统的电路模型。
2.确定滤波装置的方案
确定滤波装置的方案,首先要分析谐波源及对滤波的要求,然后通过分析需要使用几组单调谐滤波器,以及判断有无安装高通滤波器的必要性,如果须添加使用了高通滤波器,又该如何选着其截止频率,最后考虑使用什么方法来满足无功功率补偿使实现最终滤波的目的。
3.滤波装置参数的初步设计
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毕业设计(论文)
通过了解分析谐波源,然后根据理论来计算确定各调谐滤波器中各个元器件的参数,如电抗器的基波电抗和电感值、电容器的基波电抗值和电容值等等。
4.滤波装置参数的最后确定
设计好滤波器后,还需要进行各个方面的计算和校对,主要包括:
(1)校对滤波装置是否满足谐波抑制要求,如不满足,则需要修正滤波器参数直到达到设计要求。
(2)对于满足设计要求的方案,还要对电容器进行过电压、过电流和容量平衡三个方
[10]面的校验。
3.设计方案的确定
3.1无源滤波器的分类
[4]无源滤波器主要可以分为两大类:
调谐滤波器和高通滤波器。
3.1.1调谐滤波器
调谐滤波器可戏份为单调谐滤波器和双调谐滤波器,此谐波的频率就是这调谐滤波器的谐振频率。
单调谐滤波器指的是可以用来吸收次数为奇次的一个谐波(如三、五、七次谐波)的滤波器。
双调谐滤波器是可以同时滤除相邻的两次奇数谐波(如三和五、七和九、十一和二十四)的滤波器称。
其功能就是等效于两个并联的单调谐滤波器。
调谐滤波由于其优点明显,即可以对谐波进行滤除,又可以提供无功功率的补偿,而
[5]且其组成和结构相对简单,所以一直以来都被广泛的应用。
3.1.2高通滤波器
高通滤波器又叫减幅滤波器,是用来大幅衰减低于某一频率的谐波,此频率就是高通
[6]滤波器的截止频率。
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毕业设计(论文)3.2几种常见无源电力滤波器原理电路图
C1C1CCC1H1CL1
LL1CR1C2RR2LRR2RLCLRHLH22C22L2C2R2
(a)(e)(f)(g)(b)(c)(d)
(a)单调谐滤波器;(b)双调谐滤波器;
(c)双调谐带高通特性的滤波器;(d)一阶高通滤波器
(e)二阶高通滤波器;(f)三阶高通滤波器;(g)C型高通滤波器
最常见的无源电力滤波器一般由几组单调谐滤波器组成必要时需要再加一组高通滤[11]波器。
3.3滤波方案的确定
对于治理不同种类的谐波源设计其的滤波方案也略有不同,通常使用的方案有:
1、单调谐滤波器与高通滤波器
这种是最典型的方案,对于普通的谐波源都可以考虑使用该方案;2、单调谐滤波器
比较适用于谐波负荷容量不大的谐波源;
3、双调谐滤波器与高通滤波器
比较适用高电压、大容量的滤波同时需要无功补偿的情况;
4、高通滤波器
对于谐波负荷容量不大的场合,也可只设置高通滤波器。
由于本课题研究的是谐波负荷容量不大的谐波源,通过在PSCAD仿真系统上可以看出这个特定系统的电压畸变率达到了11%,主要是第五次谐波比较大,已经超出了国家规定的标准。
通过无源电力滤波器设计步骤的分析参考,所以选用了单调谐滤波器对系统的第
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毕业设计(论文)五次谐波进行滤波以此来达到滤波的目的。
4.各元器件选择的算法部分
4.1说明
有源滤波从理论上讲在其容量范围内可“想滤多少就滤多少,想怎么滤就怎么滤”,即它的滤波工作是个十分主动的行为。
而单调谐无源滤波则不同,它能滤除多少特征谐波完全取决于它的特征谐波阻抗及电网侧的特征谐波阻抗,即特征谐波是在这两个阻抗上分流。
这样一个单调谐无源滤波器一旦参数确定后,它的滤波能力就取决于电网谐波阻抗。
因而通常无源滤波器在标准化时并不以谐波电流作为额定参数,而以可提供的基波无功为额定参数。
4.2几个概念
1、失谐滤波器与调谐滤波器:
失谐滤波器以无功补偿为主,谐波滤除为辅,如常用的串7%电抗率的可防5次及以上谐波谐振的无功补偿装置即为失谐滤波器。
调谐滤波器以无功补偿为辅,谐波滤除为主。
GB,T26870-2011及IEC61642规定:
对五次谐波而言,绝对准确谐振时的电抗率X%是4%,X%>5%是失谐滤波器(滤波器调谐次数
XC1)。
204472h.,,,0XL1
XC14% 447220255.h,,,,,0XL1 2、滤波器次数h、滤波器调谐次数h0、滤波器调谐频率f0。 举例: 以5次单调谐滤波器为例说明,即滤波器次数h=5,基波频率f1=50Hz,欲滤除的谐波频率f=250Hz,如取滤波器调谐次数h0=4.7,则滤波器调谐频率f0=h0*f1=235Hz。 10 毕业设计(论文) 4.3算法 4.3.1算法一 正推法(由滤波器单级基波补偿容量计算电容、电感参数) Q1、确定特定次数单调谐滤波器单级基波补偿容量,为三相补偿功率。 Q(MVar)C1C1 2Umax2、可得所选滤波电抗器基波电抗()(为供电母线实际运X,,U(kV)L1max2 (1)Qh,C10 h行最高线电压有效值,为滤波器调谐次数): 0 Umax L C 图1 2XXhX,由于: (为电容器基波阻抗)C1CL101 2U2max所以: (X)= (1),,,XhXCLL1101QC1 2UmaxX,即: L12 (1)Qh,C10
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