低压晶闸管投切无源滤波装置的设计
低压晶闸管投切无源滤波装置的设计[20200102175355]
近年来，随着电力技术的迅速发展，电力电子器件在电网中也得到了广泛应用，电网中的谐波污染也日趋严重。另外，大多数电力电子装置功率因数很低，也给电网带来了额外负担，并影响供电质量。因此抑制谐波和提高功率因数已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。 本课题研究的是国内广泛使用的晶闸管投切滤波装置（Thyristor Switched Filters，TSF），它具有优良的动态无功功率补偿性能和滤波特性。重点是研究晶闸管投切滤波器（TSF）装置的设计。论文对无源滤波器的滤波原理进行了分析。另外，根据现场的测试数据，确定滤波器的连接方式，通过相应的理论分析对该滤波装置进行参数设计，并对设计原则进行讨论，建立相关的计算表格。最后利用PSIM软件和MATLAB软件对该滤波器装置进行仿真分析和验证。仿真结果证明了该滤波装置具有良好的谐波抑制和无功功率补偿效果，并且不会与系统发生谐振。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:谐波抑制,无功补偿,晶闸管投切滤波器,仿真分析
目录
1 引言 1
1.1 选题背景 1
1.1.1 谐波产生的原因 1
1.1.2 谐波的危害 1
1.1.3 谐波治理措施 1
1.1.4 国内外发展趋势 2
1.2 研究意义 2
1.3 本课题的研究内容 2
2 低压晶闸管投切无源滤波器的原理 3
2.1 无源滤波器的原理 3
2.2 无源滤波器的分类 3
2.2.1 单调谐滤波器 3
2.2.2 高通滤波器 4
2.2.3 双调谐滤波器 5
2.3 滤波器的动态模型 5
2.4 研究方法 6
3 无源滤波器的参数设计 7
3.1 滤波器参数的选择 7
3.2 无源滤波系统的参数设计方法与流程 7
3.3 具体实例分析 10
3.3.1 现场的测试数据 10
3.3.2 参数设计要求 12
3.3.3 波形数据分析 13
3.3.4 参数计算过程 13
3.3.5 补偿结果 16
3.3.6 滤波参数总结 17
3.3.7 滤波参数的检验校核 18
4 基于 PSIM 的无功补偿的仿真 20
4.1 PSIM仿真软件介绍 20
4.2 PSIM的基本操作步骤 21
4.3 PSIM软件仿真 21
4.3.1 仿真电路 21
4.3.2 仿真结果 22
5 基于 MATLAB 的频率扫描仿真 25
5.1 MATLAB仿真软件介绍 25
5.2 MATLAB仿真目的 25
5.3 MATLAB软件仿真 25
5.3.1 M文件的编写 25
5.3.2 仿真结果 27
5.3.3 仿真结论 30
结论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 引言
随着电力电子器件和非线性负载的使用率不断增高，电力网中的谐波和无功污染问题也随之增加，日趋严重，因此抑制谐波和提高功率因数已然成为电力电网系统面临的一个严重问题。
1.1 选题背景
伴随着电力电子技术的日新月异，很多污染问题出现在电力系统方面，电网环境越来越恶劣，这种情况是公共电网中谐波电流和谐波电压因素导致的。电力电子装置作为电网中的主要谐波源，其带来的谐波污染问题也日渐严重[1]。除此之外，由于电力电子装置功率因素低，电网供电质量因此下降。使用低压无源波器（PF）的滤波和无功补偿技术的研究可以切实的提高功率因数以及抑制谐波。
1.1.1 谐波产生的原因
谐波主要是由于各种非线性负载而产生的[1]。引起电力系统产生谐波的谐波源主要有：
（1）电力变压器的非线性励磁；
（2）旋转电动机引起的谐波；
（3）电弧炉引起的波形畸变；
（4）各种电力电子装置；
随着电力电子装置广泛应用及其装置容量的不断增加，电力电子装置产生的谐波源的比重也愈来愈大，现已成为电力系统中的主要谐波污染源。
1.1.2 谐波的危害
近年来出现很多谐波导致的故障事故，这是由于电力电子装置导致公共电网谐波污染引起的，人们也便开始关注谐波的危害性，公共电网系统中存在谐波会引起以下几个方面的危害：
（1）导致发电、输电、供电以及用电设备的额外损耗增加。
（2）影响继电保护和自动装置的动作可靠性。
（3）影响测量和计量仪器的准确性。
（4）干扰通信系统的工作。
（5）影响用电设备的正常工作。
1.1.3 谐波治理措施
谐波治理的措施主要有三种：1.受端治理，即从遭受谐波影响的设备或系统出发，增强其抗滤波干扰能力；2.主动治理，即从滤波源本身出发，使滤波源不产生滤波或降低滤波源产生的滤波；3.被动治理，即外加滤波器，用来阻止滤波进入电网以及阻止谐波进入负载[1]。按照本次设计的要求使用被动治理。
PF是利用低阻抗支路减小电网中的谐波电流。PF不仅可以治理谐波还可以进行无功功率补偿，因此本论文采用PF无源滤波器处理谐波问题。
1.1.4 国内外发展趋势
在国内技术不断趋于完善的今天，晶闸管投切滤波器装置得到大范围使用，这种装置可以锁定突变的冲击负荷，让功率因数提高，滤除谐波以此来改善电能质量。目前国内利用无源滤波形成了即时反映治理谐波的综合控制的形势[15]。
1.2 研究意义
谐波危害日益严重，不可忽视。目前电气设备温度过高、噪声振动导致其老化寿命减短，这是由于谐波导致电能生产传输以及利用率下降引起的。谐波会导致电力系统局部谐振、谐波放大、电容设备毁坏、继电保护自动装置误动作以及电能计量错误。系统外部谐波对电子通信设备的干扰也不容忽视，这些问题的研究对于谐波问题的解决具有深远意义。
无功补偿不仅可以使得电力系统负载功率因数得到提高、设备容量减小以及功率损耗减小，而且可以使得受电压端电网电压趋于稳定，提高电能的质量。在三相负载不能平衡的情况下，可以采用无功补偿平衡三相的有功无功负载[12]。
1.3 本课题的研究内容
本课题的主要目的是完成晶闸管投切滤波装置（TSF）滤波部分即无源滤波器的参数设计。本论文的主要内容为：
（1）分析并掌握无源滤波器的工作原理以及滤波器参数设计原则。
（2）结合具体的现场数据，通过相应的理论分析和计算对该滤波器滤波装置的参数进行设计，制定出具体的设计方法和流程。
（3）利用仿真软件PSIM对该滤波器的设计进行验证与研究。需要画出电气一次线路和滤波器主线路，对装置的补偿结果和滤波效果进行仿真。补偿目标：谐波补偿，电流THD减至10%以下。
（4）结合滤波器的设计参数，利用MATLAB对所设计的无源滤波网络进行了频率扫描，避免和系统发生谐振，即各谐振点不接近基波频率的整数倍。
2 低压晶闸管投切无源滤波器的原理
2.1 无源滤波器的原理
无源滤波器是由电容器和电抗器串联而成的，并且协调在某个特定的谐波频率。其在协调频率处没有阻抗，从而可以吸收多余的谐波或者协调谐波频率[10]。
无源滤波器一般是根据现场的需要来进行滤波器的设计。因此，它主要应用在是某些谐波次数比较固定且需要进行无功补偿的用电系统[5]。无源滤波网络的设计必须要根据实际现场的系统参数以及负载的实际情况来进行设计。考虑到本文所研究的负载电流情况，由于11次谐波含量较大，因此除5、7次外需另增11次单调谐滤波器。
近年来，随着电力技术的迅速发展，电力电子器件在电网中也得到了广泛应用，电网中的谐波污染也日趋严重。另外，大多数电力电子装置功率因数很低，也给电网带来了额外负担，并影响供电质量。因此抑制谐波和提高功率因数已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。 本课题研究的是国内广泛使用的晶闸管投切滤波装置（Thyristor Switched Filters，TSF），它具有优良的动态无功功率补偿性能和滤波特性。重点是研究晶闸管投切滤波器（TSF）装置的设计。论文对无源滤波器的滤波原理进行了分析。另外，根据现场的测试数据，确定滤波器的连接方式，通过相应的理论分析对该滤波装置进行参数设计，并对设计原则进行讨论，建立相关的计算表格。最后利用PSIM软件和MATLAB软件对该滤波器装置进行仿真分析和验证。仿真结果证明了该滤波装置具有良好的谐波抑制和无功功率补偿效果，并且不会与系统发生谐振。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:谐波抑制,无功补偿,晶闸管投切滤波器,仿真分析
目录
1 引言 1
1.1 选题背景 1
1.1.1 谐波产生的原因 1
1.1.2 谐波的危害 1
1.1.3 谐波治理措施 1
1.1.4 国内外发展趋势 2
1.2 研究意义 2
1.3 本课题的研究内容 2
2 低压晶闸管投切无源滤波器的原理 3
2.1 无源滤波器的原理 3
2.2 无源滤波器的分类 3
2.2.1 单调谐滤波器 3
2.2.2 高通滤波器 4
2.2.3 双调谐滤波器 5
2.3 滤波器的动态模型 5
2.4 研究方法 6
3 无源滤波器的参数设计 7
3.1 滤波器参数的选择 7
3.2 无源滤波系统的参数设计方法与流程 7
3.3 具体实例分析 10
3.3.1 现场的测试数据 10
3.3.2 参数设计要求 12
3.3.3 波形数据分析 13
3.3.4 参数计算过程 13
3.3.5 补偿结果 16
3.3.6 滤波参数总结 17
3.3.7 滤波参数的检验校核 18
4 基于 PSIM 的无功补偿的仿真 20
4.1 PSIM仿真软件介绍 20
4.2 PSIM的基本操作步骤 21
4.3 PSIM软件仿真 21
4.3.1 仿真电路 21
4.3.2 仿真结果 22
5 基于 MATLAB 的频率扫描仿真 25
5.1 MATLAB仿真软件介绍 25
5.2 MATLAB仿真目的 25
5.3 MATLAB软件仿真 25
5.3.1 M文件的编写 25
5.3.2 仿真结果 27
5.3.3 仿真结论 30
结论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 引言
随着电力电子器件和非线性负载的使用率不断增高，电力网中的谐波和无功污染问题也随之增加，日趋严重，因此抑制谐波和提高功率因数已然成为电力电网系统面临的一个严重问题。
1.1 选题背景
伴随着电力电子技术的日新月异，很多污染问题出现在电力系统方面，电网环境越来越恶劣，这种情况是公共电网中谐波电流和谐波电压因素导致的。电力电子装置作为电网中的主要谐波源，其带来的谐波污染问题也日渐严重[1]。除此之外，由于电力电子装置功率因素低，电网供电质量因此下降。使用低压无源波器（PF）的滤波和无功补偿技术的研究可以切实的提高功率因数以及抑制谐波。
1.1.1 谐波产生的原因
谐波主要是由于各种非线性负载而产生的[1]。引起电力系统产生谐波的谐波源主要有：
（1）电力变压器的非线性励磁；
（2）旋转电动机引起的谐波；
（3）电弧炉引起的波形畸变；
（4）各种电力电子装置；
随着电力电子装置广泛应用及其装置容量的不断增加，电力电子装置产生的谐波源的比重也愈来愈大，现已成为电力系统中的主要谐波污染源。
1.1.2 谐波的危害
近年来出现很多谐波导致的故障事故，这是由于电力电子装置导致公共电网谐波污染引起的，人们也便开始关注谐波的危害性，公共电网系统中存在谐波会引起以下几个方面的危害：
（1）导致发电、输电、供电以及用电设备的额外损耗增加。
（2）影响继电保护和自动装置的动作可靠性。
（3）影响测量和计量仪器的准确性。
（4）干扰通信系统的工作。
（5）影响用电设备的正常工作。
1.1.3 谐波治理措施
谐波治理的措施主要有三种：1.受端治理，即从遭受谐波影响的设备或系统出发，增强其抗滤波干扰能力；2.主动治理，即从滤波源本身出发，使滤波源不产生滤波或降低滤波源产生的滤波；3.被动治理，即外加滤波器，用来阻止滤波进入电网以及阻止谐波进入负载[1]。按照本次设计的要求使用被动治理。
PF是利用低阻抗支路减小电网中的谐波电流。PF不仅可以治理谐波还可以进行无功功率补偿，因此本论文采用PF无源滤波器处理谐波问题。
1.1.4 国内外发展趋势
在国内技术不断趋于完善的今天，晶闸管投切滤波器装置得到大范围使用，这种装置可以锁定突变的冲击负荷，让功率因数提高，滤除谐波以此来改善电能质量。目前国内利用无源滤波形成了即时反映治理谐波的综合控制的形势[15]。
1.2 研究意义
谐波危害日益严重，不可忽视。目前电气设备温度过高、噪声振动导致其老化寿命减短，这是由于谐波导致电能生产传输以及利用率下降引起的。谐波会导致电力系统局部谐振、谐波放大、电容设备毁坏、继电保护自动装置误动作以及电能计量错误。系统外部谐波对电子通信设备的干扰也不容忽视，这些问题的研究对于谐波问题的解决具有深远意义。
无功补偿不仅可以使得电力系统负载功率因数得到提高、设备容量减小以及功率损耗减小，而且可以使得受电压端电网电压趋于稳定，提高电能的质量。在三相负载不能平衡的情况下，可以采用无功补偿平衡三相的有功无功负载[12]。
1.3 本课题的研究内容
本课题的主要目的是完成晶闸管投切滤波装置（TSF）滤波部分即无源滤波器的参数设计。本论文的主要内容为：
（1）分析并掌握无源滤波器的工作原理以及滤波器参数设计原则。
（2）结合具体的现场数据，通过相应的理论分析和计算对该滤波器滤波装置的参数进行设计，制定出具体的设计方法和流程。
（3）利用仿真软件PSIM对该滤波器的设计进行验证与研究。需要画出电气一次线路和滤波器主线路，对装置的补偿结果和滤波效果进行仿真。补偿目标：谐波补偿，电流THD减至10%以下。
（4）结合滤波器的设计参数，利用MATLAB对所设计的无源滤波网络进行了频率扫描，避免和系统发生谐振，即各谐振点不接近基波频率的整数倍。
2 低压晶闸管投切无源滤波器的原理
2.1 无源滤波器的原理
无源滤波器是由电容器和电抗器串联而成的，并且协调在某个特定的谐波频率。其在协调频率处没有阻抗，从而可以吸收多余的谐波或者协调谐波频率[10]。
无源滤波器一般是根据现场的需要来进行滤波器的设计。因此，它主要应用在是某些谐波次数比较固定且需要进行无功补偿的用电系统[5]。无源滤波网络的设计必须要根据实际现场的系统参数以及负载的实际情况来进行设计。考虑到本文所研究的负载电流情况，由于11次谐波含量较大，因此除5、7次外需另增11次单调谐滤波器。
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