电子质量（２０１４第（）３期） 基于ＰＳＣＡＤ的无源滤波器仿真 直用分析 基于ＰＳＣＡＤ的无源滤波器仿真与应用分析 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＰＳＣＡＤ－Ｂａｓｅｄ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｆｉｌｔｅｒ 孙建华。陈尔奎，吕莹，崔琦，来晓帅（山东科技大学信息与电气 ｌｆ 程学院，山东青岛２６６５１０） Ｓｕｎ Ｊｉａｎ－ｈｕａ，Ｃｈｅｎ Ｅｒ－ｋｕｉ，Ｌｖ Ｙｉｎｇ，Ｃｕｉ Ｑｉ，Ｌａｉ Ｘｉａｏ－ｓｈｕａｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ｌｎｆｏｒ— ｍａｒｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｑｉｎｇｄａ０ ２６６５ ｌ０１ 摘要：该文首先介绍了电力系统中三种常用无源滤波器的工作原理，然后利用电磁暂态仿真软件 ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ搭建了这三种无源滤波器模型并分别进行了仿真，最后对仿真结果进行了对比分析．得出 这三种无源滤波器在滤波性能和特征凿波阻抗方面的优缺点。此研究对钢铁公司变压器二次侧的谐波抑 制和无功补偿的参数设计具有一定参考价值。 关键词：无源滤波器；ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ；仿真；对比分析 中图分类号：ＴＮ７ｌ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０１０７（２０１４）０３—００１４—０７ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒｓ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄ ０ｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ ｗｅ ｂｕｉｌｔ ｔｈｒｅｅ ｆｉｌｔｅｒ ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ｔｈｅ ａｄ— ｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒｓ．Ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｃｏｍｐａｎｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｓｓｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒ；ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ＣＬＣ ｎｕｍｂｅｒ：ＴＮ７１３ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｃｏｄｅ：Ａ Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＯ：１００３—０１０７（２０１４）Ｏ３－００１４—０７ ０引言 Ｔ业中大量使用的整流设备、交流变频设备、开关 电源等大型非线性负载设备在工作过程中会产生大量 谐波，为了减少谐波电流流入电网造成电压和电流畸 变，通常会选用滤波装置进行滤波。无源滤波器具有结 构简单、投资少、可靠性高的优点而被大量地使用 Ｉ。本 文主要对三种无源滤波器进行ＰＳＣＡＤ仿真，并对这三 种滤波器的仿真结果进行分析比较，其结果对新型滤波 器的设计具有指导意义。 无源滤波器也称ＬＣ滤波器，它是由滤波电容器、电 抗器和电阻器适当组合而成，除起到滤波的作用外，还 兼有无功补偿的作用。无源滤波器可分为单调谐滤波 器、高通滤波器和双调谐滤波器三种Ｉ“。 １单调谐滤波器 １．１单调谐滤波器的工作原理 滤波器对ｎ次谐波ｗ ＝ｎＷ ）的阻抗为： ：Ｒ￣＋ｊ（ｎｗ Ｌ一 ） （ ） 其中， 为系统角速度， Ｌ、Ｃ分别为单调谐滤波 器的串联电阻、电抗和电容。 单调谐滤波器利用Ｌ、ｃ振荡原理构成Ｉ Ｉ１６１，特征谐 波次数ｎ为： ｒｔ＝— —何— 品质因数为： （Ｉ一 ２）Ｚ Ｊ Ｑ＝１２ｗ Ｌ／Ｒ＝１／ｎｗ ＣＲ （３） 单调谐滤波器在谐振点的阻抗为最小值尺，南于Ｒ 值很小，特征谐波电流大部分流入滤波器，很少流入电 基金项目：山东省自然科学基金（编号：ＺＲ２０１ＩＦＭＯ０８）；青岛市创新型中小企业培养计划项目（编号：ｌ１—１－４—２一ｇｘ） 作者简介：孙建华（１９８９一），女，硕士研究生，主要从事电力系统及其自动化方面的研究； 陈尔奎（１９７０一），男，副教授，高级Ｉ＝程师，硕士生导师，博士，研究方向为智能电网技术、电机与电器、变频调速技术。 １４ 基于ＰＳＣＡＩ）的无源滤波器仿真ｔｊ盅用分析 电子质量（２０１４第０３期） 网，从而达到消除滤波的目的。 １，２单调谮滤波器的参数确足 Ｑ＝ （８） 高通滤波器的特性可以由下面两个参数来描述： ｒ Ｊ 假设系统中需要滤波器的无功补偿量为Ｑ ，则： Ｑ一＝ ｃ—ｎ 一一Ｊ Ｗ 乙 Ｊ （９） （４） ｍ ， （１０） ｃ：—ｊ 一 （５） ２．２高通滤波器的参数确定 根据式（２）町以确定： ，Ｊ＝ （６） 在高通滤波器尺、Ｌ、Ｃ参数中， 按其提供的尤功补 偿量来确定： Ｑ２＝ Ｃ一（ 几， 己 ） 正 （１ ２） 根据式ｆ３）中的品质因数可以确定Ｒ ｎ 正＝— ２高通滤波器 由式（１１）和式（１２）联立可以算出Ｃ和Ｌ。在确定Ｃ ２．１高通滤波器的工作原理 后，可确定滤波器的尺值。 设最大特征谐波次数为ｎｏ： ｎｏ＝＝二阶高通滤波器的原理冈如图ｌ所示。 争：丽１＝ ０３） （１４） 其中 是系统频率， 是最大特征谐波频率，Ｗ 为 系统角速度。 ：—ｎｏｗ Ｌ ３双调谐滤波器 双调谐滤波器能同时滤除两个特征波 。与两个独 Ｒ 立的单调谐滤波器相比，其损耗更低，所用空间更小。近 年来，在一些ＨＶＤＣ（高压直流输电）工程中有所应用…． ．双调谐滤波器的缺点是结构比较复杂，调谐比较困难。 ３．１双调谐滤波器的工作原理 图２（ａ）所示是双调谐滤波器的结构原理图。由图２（ａ‘） 可以看出，滤波器是由串联谐振电路Ｃ 、Ｌ。和并联谐振 电路Ｃ 、Ｌ：组成。图２（ｈ）所示是等效电路，其中： Ｃ ＝ ＋Ｃ６ 图１二阶高通滤波器 （１５） （ ６） Ｃ２＝ （Ｃ Ｃ（１７） （１８） 二阶高通滤波器的阻抗为： １＋（ １＋ （７） ６ ） Ｌｚ＝ 高通滤波器的Ｑ值和单调谐滤波器有所不同，它 定义为： 图２ ）所示是双调谐滤波器的阻抗频率特性，由图 中可以清晰地看出它有两个调频点 １５ 电子质量（２０１４筇０３期） 基于ＰＳＣＡＤ的无源滤波器仿真 直嗣分析 ２ ， ， ０ ０ ∞∞∞∞∞（ａ）原理结构图 （ｂ）等效电路图 图２双调谐滤波器 （ｃ）阻抗频率特性 ３．２双调谐滤波器的参数确定 （１）根据滤波器所有输出的无功功率、交流母线的电 压和所要抑制的｝｝Ｉ｝波次数，通过式（５）和式（６）计‘算ｆ｝＿Ｉ 、 Ｃ，Ｊ、Ｌ．．、Ｌ ４无源滤波器的仿真实例 ４．１仿真结果分析 韶关某钢铁公司某变 器二次侧电压１０ｋＶ，５次｝Ｉ＝Ｉ｝ 波０．１ １７ ８ｋＡ，７次睹波０．００４ ７ｋＡ，１ １次谐波０．０６３ ６ｋＡ， （２）通过ｘＬ（１５）、式（１６）、式（１７）和式（１８）分别确定Ｃ。、 Ｌ．、Ｃ 、Ｌ！的值。 ｌ３次谐波０．０２５ ８ｋＡ，无功需求６ ０００ｋＶａｄ 。滤波前 线 如图３所示。 Ｍａｉｎ：Ｏｒａｐａｓ －ＩＳ１０ａ ０．５９０ ０．６∞ ０．刚０ ０．６２０ ０．６３０ ０．６４０ ０．６５０ ０．６６０ ０．６７０ ０．６８０ ０ ６９０ ● ◆ 图３未装滤波器之前整流变二次侧波形 １６ 揍ｆ ＩＮ（ ＡＤ的尢源滤波器仿 嫡分析 电子质量【２０１４第０３期） 对于 凋潴滤波器，５次、１３次滤波支路无功补偿 以确定各元件参数如表１所示。 单调谐滤波器的频率阻抗曲线如同４所示。 滤波后波形如图５所示。 窬鲢都为１ ８００ｋＶａｒ，７次、ｌ１次滤波支路的补偿容量都 为ｌ ２００ｋＶａｒ 根据式（５）、式（６）和式（３）（品质因数取５０）可 表１单调谐滤波器各元件参数 支路参数 电容Ｃ／ｔｘＦ 电抗Ｌ／Ｈ 电阻尺／ｎ ５次滤波支路 ３１．７７２ ６ ０．０ｌ２ ７６８ ７２ ０．４ ７次滤波支路 ２１．６ｌ４ ０．００９ ５７６ ５５９ ０．４２ １ １次滤波支路 ３２．９３３ ８ ０．００２ ５５３ ４４ ０．１７６ ４ ｌ３次滤波支路 ２１．９３３ ８ ０．００２ ７３６ ｌ５ ０．２２３ ３８ １２ １０ 国 ６ ４ ２ ０ 图４单调谐滤波器的频率阻抗曲线 Ｍ咖：ＧｒａＩ ・ｌｓ１Ｏａ ２．００ １．５０ １．００ ０．５０ ０．００ ＞’ ．０．５０ １．００ ．．１．ｓ０ ２．００ ．…．——一一一— 一．—．—————————一——一——一一一．一…一一， ，——一一…一 —— 一一 ．…… ～ 图５单调谐滤波器滤波后变压器二次侧的波形 １７ 电子质量（２０１４第０３期） 基于ＰＳＣＡＤ的无源滤波器仿真与Ｉ蓝黾分析 对于高通滤波器，５次、ｌ３次高通滤波支路无功补 通滤波器的参数，如表２所示。 偿容量都为１ ８００ｋＶａｒ，７次、ｌ１次高通滤波支路的补偿 容量都为１ ２００ｋＶａｒ。根据式（１１），式（１２）和式（１４）确定高 高通滤波器阻抗曲线如图６所示。 滤波后效果如图７所示 表２高通滤波器各支路参数 支路参数 电容Ｃ／ｔｘＦ 高通５次 ３３．９５ 高通７次 ｌ５．７ｌ９ 高通１１次 ２３．５７９ 高通１３次 ２２．６３５ 电感Ｌ／Ｈ 电阻Ｒ／ｌｆ ０．０ｌ２ ４２３ ３８０ Ｏ．０ｌ３ ６ｌ１ ５８０ ０．ｏ０３ ６８９ ｌ２０ ０．００２ ９２２ ５６ 图６高通滤波器频率阻抗曲线 ＭＩｉｎ：Ｇ－ ．ｔ＾一 ＿脚也 ・ － Ｉ． １舯． ．０Ｏ１舯．∞５ｏ・． ＼八，八／八＼八 ， ．１．５ｏ． ２舯． ● ● ● ● ● ● ● ● ● ．１埘 ｌ胤 ● １脚 １．１∞ １．１１Ｏ １．１２ｌＤ １．１３ＩＤ ｝ １．１柚 １．１∞ Ｉ』 图７高通滤波器滤波后效果 １８ 基于ＰＳＣＡＤ的无源滤波器仿真 直用分析 电子质量（２０１４第０３期） 表３双调谐滤波器各支路参数 式（１８）来确定。其中，５次、１３次为滤波支路１，无功补偿 参数惮位 Ｃｌ／ Ｆ Ｌｌ／ｍＨ 支路１ ５３．７０６ ５ ２．２５３ ３ 支路２ ５４．４４６ ２．０１６ 容量为３ ０００ｋＶａｒ；７次、ｌ １次为滤波支路２，无功补偿容 量为３ ０００ｋＶａｒ。参数如表３所示。 电阻值根据经验值支路ｌ取５８０１￣，支路２取 ｌ００ｎ。 ＣＪｐ￣Ｆ Ｌ２／ｍＦ ７５．２９６ ８ ２．６７ｌ ９７４ ３７５ ０．４２２ 双调谐滤波器在该参数下的频率阻抗曲线如图８ 所示。 双调谐滤波器的滤波效果如图９所示。 双调谐滤波器的参数可根据式（１５）、式（１６）、式（１７）和 图８双调谐滤波器频率阻抗曲线 ．ｊｎ：Ｇ－ １．５ｏ １舯 Ｏ．∞ Ｏ．ｏｏ ．ｏ．５ｏ ．ＩＪ∞ １．５ｏ ．１．枷 １．４５ｏ １．４６０ １．钔 １．枷 １．枷 １．５∞ １．５１１１ １．５２ｏ １．５３ｏ １． ● ：● 图９双调谐滤波器滤波效果 １９ 电子质量（２０１４ （１３ 基于ＰＳＣＡＤ的尤源滤波器仿真 啦甬分析 ５结论 从仿真结果我们叮以分析出：单调谐滤波器，优点 是对特征睹波处阻抗小，能很好地滤除特征谐波，由于 需要串联的电阻值非常小，电抗器本身带有一定电阻 值，可以小用串联电阻，减少了滤波器的成本；缺点是其 通频太窄，电容器老化后，电容值减小，滤波效果变差。 高通滤波器的优点是 频带较宽，受电容器老化小，日Ｊ 参考文献： 【１】王兆安，杨君，刘进军，等Ｉ皆波抑制和无功功率补偿ＩＭ１． 北京：机械Ｔ业ｍ版社．１９９８． 【２】圈先华．电力系统中无源滤波器的仿真和分析…．船电 技术，２００６，２６（６）：２９—３ １． 【３】宋蕾，文俊．『主Ｊ金春，等．高压直流输电系统直流滤波器 的设计『Ｊ１．高电压技术 ２００８，３４（４）：６４７—６５ １． ｆ４１李普明，徐政，黄莹，等．高 商流输电交流滤波器参数 的计算 中国电机 程学报，２００８，２８（１６）：１ １５—１２１． 【５】钱照明，叶忠明，董伯藩．谐波抑制技术ｌＪ】．电力系统自 动化。１９９７，２１（１０）：４８—５４． 能滤除一定量高次潴波，在高次谐波含量高的情况下优 先使用；缺点足需要安装额外电阻，造成电能的有功损 耗。舣捌谐滤波器和 调谐滤波器的阻抗频率曲线完全 相同，在满足相同的尤功补偿和滤除谐波要求的前提 下，运用元件较少．节省土建集资；缺点是滤波器中任何 一个元件老化或损害都可能导致滤波器失凿 在实际钶ｘｊ铁公 变压器谐波抑制和无功补偿的应用 中，我仃】町以根据具体要求结合仿真分析所得无源滤波 【６】涂春呜，罗安，刘娟．兀源滤波器的多目标优化没汁ＩＪｌ ＿中国电机］一程学报，２００２．２２（３）：１７—２１． 【７】韶关某钢厂．１ＯｋＶ滤波器补偿装置的文件【ｚ１． 器的优缺点，决定电力系统中无源滤波器的参数和类型 博士案例答案 参考答案： 一、单项选择题 ２．Ａ ３．Ｄ ４．Ｂ ５．Ｄ ６．Ｂ ７．Ａ ８． １．Ａ 二、多项选择题 １．ＡＢＣＤ ２．Ｂ Ｄ ３．ＣＤＥ ４．Ａ（ Ｉ）