滤波电路范文

关键词:电网;供电质量;有源滤波

1引言

1.1影响电网供电质量的原因

随着现代照明､通信设施､开关电源等的快速普及,使电网中非线性负载量剧增,曾有统计表明,几十年前,电网中非线性负载与线性负载量之比为1∶9,而现在,非线性负载与线性负载量之比则为8∶2｡非线性负载主要有:1.具有铁磁饱和特性的铁芯没备,如:变压器､电抗器等;2.以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:气体放电灯､交流弧焊机､炼钢电弧炉等;3.以电力电子元件为基础的开关电源设备｡

以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网吸收非正弦电流,也就是说,即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压,但由于它们具有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性,使得流过电网的电流是非正弦波形的,这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成,即产生了谐波,使电网电压严重失真,同时还会产生大量的无功功率｡

1.2电网污染的危害

这些设备运行所产生的大量的谐波和无功功率会对电网的运行产生很大的影响:消耗无功,增加线路损耗,使电能的生产,传输和利用效率降低;引起设备过载,电器设备过热,降低设备绝缘等级;降低负载工作性能,例如使电机产生附加力矩和噪声;设备故障,引起电力系统局部发生串联谐振或者并联谐振,危害电网安全稳定运行;谐波发生放大,造成电容器过热,膨胀甚至产生破裂;电能计量失准,导致继电保护和自动化控制装置误动作;对通信和电子设备产生电磁干扰｡

1.3电网污染的解决方法

因此电力系统谐波抑制及无功补偿问题变得日益迫切,目前滤波和补偿是治理电网污染行之有效的方法｡滤波就是在污染源附近防止谐波电流的产生,补偿就是对已经被污染的电网进行补偿,改善功率因数､滤除系统谐波､减少向系统注入谐波电流､稳定母线电压､降低三相电压不平衡度等,提高供电系统承受谐波的能力｡传统的谐波抑制和无功补偿多采用无源滤波技术,即使用由电力电容器等无源器件构成无源滤波器,它与需补偿的非线性负载并联,为谐波提供一个低阻抗通路,同时也提供负载所需要的无功功率｡无源滤波具有简单､方便的优点,但它也存在突出缺点:只能抑制固定的几次谐波,并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大;只能补偿固定的无功功率,对变化的无功负载不能进行精确补偿;其滤波特性受系统参数影响较大,并且其滤波特性有时很难与调压要求相协调等｡针对传统无源滤波技术的上述缺点,本文在动态无功优化补偿､有源滤波以及混合有源滤波方面进行了研究和探讨｡

2动态无功优化补偿和降低线损研究

在配网线路中装设补偿电容器,实质上就是通过改变电网无功功率的分布,即降低线路中的电流,降低电压损耗,以提高功率因数,改善电压质量,从而达到降低线损的目的｡但往往由于电容器投切手段落后,不能根据无功需求的变化及时调整电容补偿容量,导致经常发生欠补或过补偿现象｡通过配网自动化系统的“遥信､遥测､遥控”功能可较好地实现无功动态补偿｡

配网主站系统从10kv线路采集电压和电流数据并进行逻辑计算,按照节点电压､无功所处的分区位置(见图1)来控制电容器组投切,确保电压和功率因数在设定范围之内,实现就地无功平衡和线路电压稳定｡

2.1配网自动化主站系统对电容器无功补偿的运算

(1)当配网主站系统采集节点的无功功率,即过补偿时,则:

①工作区域在1区(u>uh),切电容器｡

②工作区域在4区(ul

③工作区域在6区(u

(2)当配网主站系统采集节点的无功功率q1=3uisinq1>qh,即欠补偿时,则:

①工作区域在3区(u>uh),切电容器｡

②工作区域在5区(ul

③工作区域在8区,投电容器｡

(3)当配网主站系统采集节点的无功功率ql

①工作区域在0区(ul

②工作区域在2区(u>uh),切电容器｡

③工作区域在7区(u

以上无功和有功的采样,均以20s为一采样周期,避免引起频繁动作｡其中,取t周期内的平均值｡

2.2电容器投切的闭琐条件

(1)电压极限闭锁:u≥12kv或u≤8kv,配电主站系统闭锁住投切电容器的操作｡

(2)在动作时间间隔5min内,发出相反的操作指令时,闭锁住电容器的投切｡

(3)电容器出现故障突变电流时,闭锁住电容器的投切｡

(4)超过每日设定的投切最大次数,闭锁住电容器的投切｡

(5)柱上开关拒动时,闭锁住电容器的投切并报警｡

(6)当电容器采样装置报出异常时闭锁操作指令并报警｡

(7)柱上开关处于停运或检修状态时闭锁相应远方操作指令｡

10kv线路补偿是靠配网主站系统从10kv线路采的电压信号和电流信号,通过逻辑计算,由计算机来确定电容组的投切,确保电压和功率因数在设定范围之内,实现就地无功平衡和线路电压稳定｡

3有源滤波

二十世纪70年代国外提出了用pwm变换器构成电力有源滤波器(activepowerfilter,简称apf)｡与无源滤波器相比,apf具有可控和快速响应特性,并且能跟踪补偿各次谐波､自动产生所需变化的无功功率,其特性不受系统影响,无谐波放大危险,相对体积重量较小等突出优点,因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段｡有源滤波的原理是实时检测电网谐波,利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等,相位相反的电流注入到电网中去,与电网中原有的谐波分量相互抵消,最终消除谐波｡无源滤波采用的是将滤波支路等效阻抗降低从而使谐波更多地分流到滤波支路上的方法,apf采用的则是从相位上完全抵消谐波的方法｡apf产生的谐波大小和相位是由系统当前状态决定的,不会随温度和时间的变化而变化｡有源电力滤波器具有补偿各次谐波､抑制闪变､补偿无功,自动跟踪补偿变化的谐波等技术优势｡

电力有源滤波器一般由pwm变换器构成｡根据变换器直流侧储能元件的不同,可分为电压型apf和电流型apf｡电压型apf在工作时需对直流侧电容电压控制,使直流侧电压维持不变｡电流型apf在工作时需对直流侧电感电流进行控制,使直流侧电流维持不变｡电压型apf的优点是损耗较少,效率高,是目前国内外绝大多数apf采用的主电路结构｡但是电流型apf由于开关器件不会发生直通短路现象,随着超导储能磁体研究的进展,也将促进多功能电流型apf投入实用｡

3.1实时谐波检测

目前有源滤波器中,基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多｡

3.2有源滤波器仿真平台

对于以往的仿真平台,多采用matlab来搭建,matlab是基于数学分析的软件,其对电路在实际应用中可能遇到的各种情况,如温度变化､各部件参数漂移､开关损耗与导通和关断时间等,进行仿真模拟｡其提供强大的数模混合仿真能力,尤其适用于数字化控制系统｡matlab与saber在应用方面存在很大的差异｡saber专注于混合信号系统､混合信号电路以及电源系统设计｡matlab注重数学分析,一般用于顶层(传函级､算法级)分析,缺乏实际的器件级模型(半导体元件､执行机构等),因此对实际工程应用的支持力度不够｡而saber则是混合信号系统分析领域的工业标准,其不仅能够对设计进行顶层传递函数､算法级分析,也能够支持底层的器件电路级分析｡

3.3有源滤波器主电路拓扑结构及控制

根据有源滤波器的主电路拓扑结构,目前主要研究的有源滤波器可以分为:两电平有源滤波器､三电平有源滤波器以及级连多电平有源滤波器｡两电平有源滤波器主电路拓扑结构,两电平有源滤波器主电路拓扑结构以及相关的组成部分如图2所示:

系统主电路部分主要由pwm有源滤波器､高次谐波滤波器组成｡有源滤波部分从电网吸收基波电流维持直流电压恒定,输出与负载谐波电流反相的电流,消除电网谐波;高次谐波滤波器负责消除有源部分由于开关作用产生的高次谐波,避免由pwm有源滤波器在功率器件开关过程中产生额外的高次谐波注入电网｡

4混合有源滤波探讨

混合型apf是apf与无源l-c滤波网络共同使用｡无源滤波消除低次谐波,lc进行无功补偿的任务;apf消除高次谐振,同时消除阻尼无源lc网络与线路阻抗产生谐振,从而使apf的电流､电压额定大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下),降低了apf的成本和体积｡目前工程上应用的有源滤波器多与无源滤波器同时使用构成混合apf系统｡混合型apf是将有源滤波器(apf)与lc无源滤波器(pf)联合使用,以减少apf体积和成本｡

对于两电平有源滤波,实际的应用来看主电路拓扑结构有:a､并联apf与并联pf组成混合有源电力滤波主电路方案,如图3所示;b､apf通过变压器与pf串连然后并联到电网的混合有源电力滤波主电路方案｡

仿真中pf滤波器的参数选择如下:(1)5次谐波滤波器c5=180uf､l5=2.251mh;(2)7次谐波滤波器c7=91.87uf､l7=2.252mh;(3)高通滤波器ch=30uf､lh=2.8mh､rh=10;有源滤波器参数如下:电压环采样频率:2khz;电流环采样频率:10khz;电感lre:3.5mh;电感寄生电阻rre:0.5ω;直流母线电压给定vdc*:600v;三相输入电源频率f:50hz;负载电阻r:50ω;直流母线端电容c:5000uf｡负载为带阻值为100ω的三相二极管整流器谐波源｡

参考文献

[1]lee,k.y.;cha,y.t.;park,j.h.;shorttermloadforecastingusinganartificialneuralnetwork.ieeetransonpowersystems,2002(7):124-130.

[2]郭瑞鹏,韩祯祥.变步长变尺度bp算法及其在电力系统中的应用[j].电力系统自动化,2006,(21):7-10.

滤波电路范文

论文关键词：距离保护,滤波器,算法,仿真

电力系统继电保护是保障电力系统安全运行的关键。其中输电线路距离保护是一种理论性较强的保护，由于距离测量是判断线路故障位置的一种较好的定量测量方式，所以距离保护是线路保护中重要的保护装置。即使在超高压输电线的继电保护系统中，距离保护仍是一种不可替代的后备保护。

在微机保护时代，人们可以根据实际情况在众多的保护方案和算法中做出选择，不仅要适应继电保护选择性、快速性、灵敏性和可靠性等要求，而且还要适应精简性、自适应性等新要求。

距离保护适用的数字滤波器和阻抗算法有很多。数字滤波器有差分滤波器、加法滤波器、积分滤波器等。阻抗算法有倒数算法、半周积分算法、傅里叶算法等。这些算法各有优缺点和使用的条件。本文就Tukey数字低通滤波器和R-L模型算法进行仿真与研究，并分析其稳定性和实用性。

1Tukey数字低通滤波器及R-L模型算法

Tukey低通滤波器具有较短的暂态时延，所以在微机距离保护中得到了应用。所设计的Tukey数字低通滤波器的差分方程为：

（1）

输电线路距离保护R-L模型算法：对于一般的输电线路，在短路情况下，线路分布电容产生的影响主要变现为高频分量，采用低通滤波器将高频分量滤除，就可以忽略线路分布电容的影响，因此，输电线路等效为R-L模型。

（2）

2算法的稳定性分析

实质就是分析R1和L1的计算公式会不会出现的情况。当在出口附近短路时，分子将趋近于0，因此，如果分母出现两个非常接近的数相减，就会出现的情况，从而导致算式的不稳定，出现很大的误差。为便于分析，假设电流和电流的导数都是正弦的，即：

上式中：为时刻电流的相角，为电流的导数超前电流的角度，为滞后的角度。

（3）

同理可求得：

（4）

（5）

式中，为电压超前电流的角度

对分母的分析

从（1）式可以看出：分母的值与时刻电流的相角无关；在相间短路时，电流的导数总是超前于电流，即，带入（1）式可得：

（6）

因此，越接近，分母的值越大，当时，，，有：

上式与两点乘积算法一样。因此，为了提高分母的数值，以便提高算法的稳定性，常采用长数据窗算法。

对电感计算公式的分析

电感L的计算公式中的分子为：

当金属性短路时，，因此上式同分母一样，其值与无关。

对电阻计算公式的分析

电阻R的计算公式中的分子为：

当金属短路时，很小，可能出现两个相近的数相减。因此，电阻分量的计算相对误差一般要比电抗分量的误差大。

3数字低通滤波器及解微分方程算法仿真

3.1建立电力系统仿真模型

在Matlab环境下建立一个简单500kv电力系统暂态模型，见图1，其主要包括双端三相电源、输电线路和故障点模块，用其可以完成电力系统的运行及其各种短路故障仿真。

其中，把线路参数设置为典型的架空线路，MN端长342km，NR端长352km，在MN线路距离M侧42km处发生三相短路故障。输电线路参数：

正序：

负序：

，。

线路对地正序电容：，线路对地零序电容：

M、N侧等值系统的参数为：，

图1电力系统暂态仿真模型

三相故障模块被设置为三相短路故障，暂态仿真时间为0.1s开始故障，0.2s结束故障，采样时间

3.2Tukey数字低通滤波器滤波仿真

未经过Tukey数字低通滤波器滤波的波形如下：

图2MN故障线路N端电压电流波形图

图3给出了前面例子中N侧电压电流经Tukey低通滤波处理后的波形。可见，经过低通滤波后，N侧电压电流信号中的高次谐波被滤掉了，与图2比较波形平滑了许多。

图3MN故障线路N端电压电流经Tukey低通滤波后的波形图

3.3R-L模型算法仿真

图4仿真出滤波后线路阻抗的变化图，横轴是采样时间，纵轴是r(t)和x(t)。

图4滤波后线路阻抗动态特性图

从图4可以看出，经过Tukey数字低通滤波器滤波后，可以忽略线路分布电容的充放电效应。

从图5可以看出，阻抗动作轨迹进入了方向阻抗圆内，继电器动作。

图5方向阻抗圆与阻抗动作轨迹

4总结

解微分方程算法仅用于计算线路阻抗，应用于距离保护中，且不受电网频率变化的影响不需要滤波非周期分量。缺点是具有分布电容的长线路，将对算法产生误差。故在使用解微分方程算法时，前段加上Tukey数字低通滤波器，可以将高频分量滤除，忽略线路分布电容的影响，对输电线路距离保护来说，Tukey数字低通滤波器和解微分方程算法配合是个很实用和稳定的方案。

参考文献：

[1]孙会浩，杜肖功，袁文光，魏欣，于涛.110kV线路距离保护装置的研制[C].2008中国电力系统保护与控制学术研讨会论文集，2008.

[2]戚俊丽.微机距离保护新算法的探讨与实现[D].山东大学硕士学位论文，2007.

[3]张哲，陈德树.微机距离保护算法的分析和研究[J].电力系统及其自动化学报，1992,4(1):71-77.

[4]段玉倩，贺家李.基于人工神经网络的距离保护[J].中国电机工程学报，1999,19(5):67-70.

[5]谭其骧.微机保护原理及算法仿真[M].浙江：浙江人民出版社，2006,10.

[6]洪培孙，李九虎.输电线路距离保护[M].中国水利水电出版社,2008,1.

滤波电路范文篇3

【关键词】APF拓扑结构逆变器

1前言

有源滤波器已经被许多国家广泛应用到供电系统中,该类滤波器不但能够对用户自身谐波进行补偿还能够提高整个供电系统的服务质量。随着研究的深入与需求的提高,有源滤波器正向着谐波补偿次数更高、单机容量更大方向发展以满足日益夸大的供电系统。

目前,制约有源滤波器发展的技术瓶颈主要是开关器件容量低和成本较高,为了克服这两个难题,可以采用有源滤波器和LC无源滤波器结合使用,构成混合型大功率电力滤波器(High-capacityHybridActivePowerFilter)。在混合型有源滤波器中,可以把谐波补偿的主要任务交给LC无源滤波器完成,同时又兼顾了开关频率高的特点,从而克服开关器件容量低、成本高的特点,平衡了开关频率和容量的矛盾。本文对混合型有源滤波器的基本原理和拓扑结构进行了研究,提出了一种新型的混合型有源滤波器,仿真实验证明所设计滤波器的谐波补偿效果较好。

2有源滤波器及其拓扑结构

2.1有源滤波器基本原理

以并联型有源滤波器为例对其基本原理介绍。有源滤波器包括两大部分:指令电流运算电路和补偿电流发生电路,其中补偿电流发生电路又由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成。指令电流运算电路的主要作用是对补偿对象中的谐波和无功电流分量进行检测,得到补偿指令信号,为后续的补偿做准备,补偿电流发生电路根据指令电流运算电路检测得到补偿指令进行电流补偿操作,使得补偿电流和负载中产生的谐波和无功相抵消。

通常选择PWM变流器作为图中的主电路,在补偿电流时作为逆变器使用。有源滤波器中的逆变器有电流型有源逆变器和电压型有源逆变器两种结构,由于电流型逆变器在大电感上的损耗较大且控制复杂等原因,本文主要对使用更广的电压型逆变器组成的有源滤波器进行研究。

2.2拓扑结构

根据有源滤波器电路的连接方式可以分为串联型有源滤波器、并联型有源滤波器与混合型有源滤波器三种。

串联型有源滤波器具有电压谐波的抑制性好的优点,但是绝缘性较差、结构庞大,对其进行维修替换时比较麻烦,通常用于改善系统电压。并联型有源滤波器对谐波和无功都可以进行补偿,但是对开关器件和容量要求较高,通常在进行低电压小容量的补偿时采用这种方式,虽然可以通过多个并联型有源滤波器的级联来增大滤波器容量,但是成本高、系统复杂,并不适合广泛应用。因此,为了解决在高压、大容量情况下的谐波补偿问题,必须把有源滤波器、无源滤波器等各种滤波器混合使用,从而引入了混合型有源滤波器的概念。混合型有源滤波器可以分为串联有源滤波器和无源滤波器的混合使用、并联有源滤波器和无源滤波器的混合使用、串联有源滤波器和并联有源滤波器的混合使用等。

3混合型有源滤波器设计

3.1结构设计

考虑到成本的控制和可行性,并为了满足高电压、大容量、能够进行无功功率补偿等要求,设计了如下并联混合型有源滤波器,其结构如图1所示。

混合型有源滤波器是把串联型有源滤波器和无源滤波器并联后混合使用,依靠无源滤波器进行无功功率补偿,有源滤波器和无源滤波器共同完成谐波抑制的作用。这样就能够达到预期的高压、大容量无功和谐波补偿的目的。

3.2参数设计

结合实际中某变电站的谐波含量情况,得到如下设计参数:

利用2次和7次单调谐滤波器组成无源滤波器部分,其中电容和电感值为36.22mH、70μF、6.7mH、30μF,另外品质因数为50;L1、C1和Cc分别为28.95mH、350μF、25μF;输出滤波器的电容和电感值为0.5mH、60μF;选择容量为为100KVA的耦合变压器,6KV绝缘,变为为2;选择40000uF/1000V的直流电容,供电电路选择三相不可控整流桥。

4结语

本文提出一种新型的混合型有源滤波器的结构并对相应参数进行了设计,具有较大的容量和谐波补偿能力,良好的改善了供电质量。

参考文献:

[1]BhimSingh,KamalAl-Haddad,AmbrishChandra.Areviewofactivefiltersforpowerqualityimprovement[J].IEEETrans.onI.E.1999,46(5):1－12.

[2]徐永海,肖湘宁,杨以涵等.低成本混合滤波方案及特性分析[J].中国电机工程学报,1999,19(12):5-8.