基于Simulink的无源滤波器的设计

基于Simulink的无源滤波器的设计

夏健新程汉湘熊培枫刘桂桦

（广东技术师范学院天河学院电气与电子工程学院广东广州510540）

摘要：为了防止电力输送时，传输电路产生的节点电压和线路电流波形产生的畸变，在进入某高校研究所后对电气设备造成较大的损害，通过Simulink软件对其进行无源滤波器的仿真设计，并对其参数进行计算。通过对加入滤波器前后的不同的波形比较分析，显示谐波电流含有率、总谐波电流含有率等电能指标都得到了改善，确定了该设计的可行性。

关键词：无源滤波器；Simulink仿真；谐波；设计

PassivefilterdesignbasedonSimulinkandparametersoptimization

TIANHECOLLEGEOFGUANGDONGPOLYTECHNICNORMALUNIVERSITY，SchoolofElectricalandElectronic，GUANGDONGGUANGZHOU，510540

Abstract：Inordertoavoidthedistortionofnodevoltageandlinecurrentwaveformproducedbythetransmissioncircuit，afterenteringauniversityinstitute，theelectricalequipmentisgreatlydamaged，thepassivefilterissimulatedbySimulinksoftware，anditsparametersarecalculated.Throughthecomparisonandanalysisofdifferentwaveformsbeforeandafterthefilterisadded，theenergyindexessuchasharmoniccurrentandtotalharmoniccurrentareimproved，andthefeasibilityofthedesignisconfirmed.

Keyword：passivefilter，Simulink，simulation，harmonicwave，design

引言

随着现代非线性负载的大量使用，导致这些负载系统产生大量的谐波，传输线路的节点电压及线路电流的波形产生畸变，从而使得电能质量和设备使用寿命的降低并导致经济损失。因此需要想办法抑制谐波，也就是采用有源或者无源的方式来减少或消除线路的谐波电流。因此，需设计一种滤波器，从实现原理的角度来看，只有两种途径：一是给负载谐波提供一条低通阻抗的旁路分支通道（无源），或者是给负载提供所需的谐波电流（有源）。

1谐波的危害及其治理的方法

1.1谐波的危害

现如今，越来越多的谐波源得到广泛的应用，因为谐波的存在而不断出现各种事故和故障。人们开始关注谐波显现出来的严重危害性，对此，总结归纳出谐波对电网和各种用电设备造成的危害可以分为以下几个方面：（1）损耗额外增加，设备的温度上升。（2）损坏设备绝缘，影响设备的使用寿命。（3）电机出现机械振动。（4）用于无功补偿的电容器组将谐波电流放大，严重时甚至会造成谐振。（5）自动控制装置和继电保护装置一般都是按照工作在工业频率下的电压或电流和正弦波形设计而成的，谐波的存在会致使装置受到干扰，出现拒动或造成误动作。（6）仪器仪表一般是按照工频正弦波形而设计的，一次测量精度将受到影响。

1.2谐波的治理

关于谐波的治理，最先想到的是从产生谐波的源头主动进行处理，通过改进电力电子装置本身的拓扑和控制来减小或消除电力系统设备的谐波。其主要技术手段有多重化技术、PWM技术、多电平拓扑、功率因数校正技术等。由于考虑到有成本、可靠性和容量等因数的限制，以及已经运用在工业的电力电子设备的厂家，采用被动的进行对电力电子设备谐波的消除是不二之选。常用的方法有：通过安装无源滤波器、有源滤波器及混合型滤波器等。

最常用的是单调LC滤波器，通过串联的LC对某次谐波形成串联谐振，即对该次谐波造成一个短路点，使欲滤除的谐波电流都经过该支路而被旁路。电网中一般不存在单一的谐波，因此，为了滤除不同频率的多次谐波，往往将多组不同调谐频率的LC滤波器并联使用，或者采用双调谐波滤波器。而高通滤波器，主要用于对含量较低的高次谐波进行统一的滤波，以便于设计及降低成本。

2无源滤波器的原理及设计

无源滤波器由R、L、C元件构成，此次采用的是单调谐波滤波器，其主要是将串联的LC直接并接到电网中，结构如图2-1所示，使得串联的LC对某次谐波形成串联谐振，从而把负载中的该次谐波电流引入滤波器。因此，根据公式：

图2-1三相无源滤波器结构图

3无源滤波器的参数计算

无源滤波器的参数优化主要从两个方面来考虑：一是经济性，也就是根据最低的成本来设置电感电容的参数；另一种则是考虑无功补偿，即无源滤波器既能实现滤除谐波的功能，又能对线路系统进行固定的无功补偿。

3.1经济性角度的参数设置

3.2无功补偿角度的参数设置

在满足式（1）的前提下，根据无功补偿的要求，对无源滤波器选择相应的参数。在一般情况下，无功补偿都是向系统提供容性无功，结合经济性，市场上电容的单价要比电感低得多，同时电容的损耗也比电感小得多，且与电感相比较具有体积小、重量轻的特点。因此，以h次谐波为例，无源滤波器支路应满足的条件，该电容容量为该滤波支路对应的所要补偿的基波无功功率Qh可以表示为

根据实际应用以多条滤波支路提供不同谐波次数的旁路通道，现在以单相为例，假设总无功功率Q，设计的无源滤波器由5次、7次、11次无源滤波支路。得出一下关系

从表达式可以看出谐波次数h越低，所需或的容量越大。通常设计方法是先大致制定的容量值，较低谐波次数的滤波支路承担主要无功补偿容量，高次谐波承担较少的补偿容量。这样做可减少无源录波器体积及减少成本。

4实例仿真

在Simulink仿真模型中，整个系统以某高校研究所为模型，系统的电源为配电站提供的三相电10kV，频率为50Hz。经过容量为5MVA降压变压器降为线电压为380V，频率为50Hz的电源，再经线路传输接入研究所。谐波源设计为研究所设备的三相桥式整流电路带阻感负载。仿真中的谐波源采用三相可控晶闸管桥式整流电路，晶闸管触发延迟角为30度。结合负载谐波源的谐波特性，其主要的谐波次数为5次、7次、11次，其他的谐波很少。因此设计的无源滤波器由5次、7次、11次三组无源滤波器支路。每组无源滤波器的无功补偿量及其电容、电感值如表4-1所示：

表4-1（每组无源滤波器的无功补偿量及其电容、电感值）

用Simulink仿真对系统进行建模，如图4-1所示：

图4-1无源滤波器的Sinulink仿真系统图图4-2靠近负载侧的a相电流波形

因为三相电网平衡，因此只需对a相进行仿真分析，就可知道其他两相的情况。

由于实际上负载大多数为感性负载，所以采用电容补偿。又因为感性负荷的电感有个特性就是，电流不能突变会，即非线性特性。当负载为感性时，由于谐波电流的存在，使得相电流如图4-2（a）所示，当我们采用电容补偿，吸收线路中的谐波电流之后，相电流如如4-2（b）所示，恢复为标准的正弦波形。使用simulink工具箱中自带的快速傅里叶分析工具，得到图4-3，可以发现安装滤波器前后线路中的谐波电流得到了改善。

（a）未加无源滤波器（b）已加无源滤波器

图4-3靠近负载侧的a相电流的傅里叶分析

5结束语

从仿真波形和傅里叶分析图可看出此次设计的无源滤波器的设计具有很好的滤波效果。未加无源滤波器之前，靠近负载侧的a相电流为23.77%，加入无源滤波器后靠近负载侧的a相电流为3.04%；总谐波畸变率和各次谐波畸变率都符合要求。此次的仿真结果说明该次设计的无源滤波器的方法可行有效。

参考文献：

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[3]罗运松.串联混合型有源电力滤波器的无源滤波器简化设[J].电网技术，2017.

[4]赵艳茹.基于MATLAB的无源滤波器的设计[J].电子世界，2013.