電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)船舶電力系統(tǒng)諧波源建模及濾波器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　船舶電力系統(tǒng)諧波源建模及濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著工業(yè)的快速發(fā)展，電力電子技術(shù)獲得飛速發(fā)展,在工業(yè)、交通、辦公

3、于民用建筑等不同系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。大量應(yīng)用在船舶電力系統(tǒng)中具有非線性和時(shí)變特性的負(fù)載，使船舶電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，無功功率、高次諧波污染日益嚴(yán)重，由諧波而引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生。因此，對船舶電力系統(tǒng)諧波源、諧波的研究，諧波分量的分析和設(shè)計(jì)一個(gè)有效的濾波器對抑制諧波是十分重要的，對提高電能質(zhì)量，減少諧波污染也是十分必要的。</p><p>　　本文簡單介紹了船舶電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)，諧波的危害和

4、抑制諧波的方法，還針對船舶電力系統(tǒng)的諧波特點(diǎn)建立了諧波源模型：模型由三相交流電源、6脈沖整流器、整流橋和感性負(fù)載等器件構(gòu)成。由于整流橋和感性負(fù)載等非線性器件會產(chǎn)生大量諧波，所以本文還設(shè)計(jì)了能有效抑制諧波的無源濾波器和有源濾波器。主要工作如下：</p><p>　　首先，介紹了船舶電力系統(tǒng)諧波的研究背景及意義、諧波的基本概念、產(chǎn)生原因及危害、國內(nèi)外對船舶電力系統(tǒng)諧波的相對標(biāo)準(zhǔn)、諧波的檢測和抑制方法。</p&g

5、t;<p>　　其次，對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行了簡單的介紹，闡明了船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，同時(shí)還對船舶電力系統(tǒng)中的諧波源也進(jìn)行了簡要介紹，并用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了建模，對其A相產(chǎn)生的諧波電流采用傅里葉變換方法得出頻譜圖，從而得到該諧波電流的總諧波含有率HR和電流波形畸變率THD。</p><p>　　最后，由于該電流畸變較嚴(yán)重，諧波含有率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，因此本文設(shè)計(jì)了濾波器并用其來進(jìn)

6、行濾波。并用無源濾波器和有源濾波器分別對諧波進(jìn)行濾波，得出電流波形及其頻譜圖，再對比分析濾波前后的總諧波含有率，說明濾波器的濾波效果。</p><p>　　通過對無源濾波器和有源濾波器分別濾波后的電流波形進(jìn)行對比，從而得出有源濾波器的濾波效果比無源濾波器要好。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 船舶電網(wǎng) 諧波源 MATLAB/Simulink建模 有源濾波器</p><

7、;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of industry, the power system have a rapid development，they are used in industrial, transportation, office and other systems in civil b

8、uildings.A large number of non-linear load and incident characteristics are used in ship power system , so that the decline in power quality, the problem of reactive power and high harmonics are becoming more and more se

9、verity, harmonics caused by a variety of failures and accidents continue to occur. Therefore, research of the ship pow</p><p>　　The harmonic generates reason, harmonic harm, suppression method and harmonic s

10、ource models of ship power system are introduced in this paper, the model constitute by three-Phase programmable Voltage Source, Synchronized 6-Pulse Generator, Universal Bridge and Series RLC Load. Because of a large nu

11、mber of harmonic will generate by Universal Bridge and Series RLC Load , designing a Passive filter and an Active filter to filter the harmonic in this paper.</p><p>　　First of all, the research background a

12、nd significance of the ship power system harmonic are introduced, the basic concepts, producing, harms of the harmonic, relative standard of ship power system harmonics at home and abroad, the detection and suppression m

13、ethods of harmonic.</p><p>　　Secondly, having a simple introduction to ship power systems, the characteristics of ship power system are explained, the ship power system harmonic source is also carried out in

14、troducing, modeling with MATLAB/Simulink software, the harmonic current that the A mutually generates harmonic’s frequency spectrum are obtained by Fourier transform, thus obtained the containing rate of all the harmonic

15、s.</p><p>　　Finally, Because the current's distorsion is very serious, the THD is larger than harmonic national standard, therefore a filter is designed to counteract it to come to carry on to filter .An

16、d using passive filter and active filter to filter the harmonic respectively, compared with THD before and after filtering of harmonics, obtained the filtering effect of the filter. </p><p>　　Compared with T

17、HD before and after filtering of harmonics by passive filter and active filter, thus active filter more effective than passive filter.</p><p>　　Key words: marine electric network harmonic source MATLAB /

18、 Simulink</p><p>　　modeling active filter</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒 論1</b></p><p>　　1.1研究背景及意義1</p><p><b>　　1.2

19、諧波1</b></p><p>　　1.2.1諧波的基本概念1</p><p>　　1.2.2諧波產(chǎn)生的原因2</p><p>　　1.2.3諧波的危害2</p><p>　　1.2.4 諧波指標(biāo)3</p><p>　　1.2.5 功率因數(shù)3</p><p>　　1.3

20、國內(nèi)外對諧波的相對標(biāo)準(zhǔn)4</p><p>　　1.4 諧波的檢測及抑制方法4</p><p>　　1.4.1諧波檢測的發(fā)展歷史4</p><p>　　1.4.3 諧波檢測方法分類4</p><p>　　1.4.3 抑制諧波的措施4</p><p>　　1.5本課題的主要研究內(nèi)容及方法5</p>

21、<p>　　第二章 船舶電力系統(tǒng)的諧波源建模6</p><p>　　2.1 MATLAB軟件簡介6</p><p>　　2.2 船舶電力系統(tǒng)簡介7</p><p><b>　　2.2.1電源7</b></p><p>　　2.2.2配電裝置7</p><p>　　2.2.3輸

22、電裝置7</p><p>　　2.2.4用電設(shè)備7</p><p>　　2.3船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)7</p><p>　　2.4 諧波源的簡介及建模8</p><p>　　2.4.1船舶電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因8</p><p>　　2.4.2諧波源模型8</p><p>　　2.5 傅

23、里葉變換8</p><p>　　第三章 濾波器的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 無源濾波器9</p><p>　　3.1.1無源濾波器的簡介9</p><p>　　3.1.2 無源濾波器的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1.2.1 單調(diào)無源濾波器10</p><p>　　3.1.

24、2.2高通濾波器11</p><p>　　3.2 有源濾波器12</p><p>　　3.2.1 有源濾波器的簡介12</p><p>　　3.2.2 有源電力濾波器設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.2.2.1有源電力濾波器的工作原理13</p><p>　　3.2.2.2有源電力濾波器的分類14</

25、p><p>　　3.2.2.3有源電力濾波器的設(shè)計(jì)模型16</p><p>　　3.2.2.4有源電力濾波器的發(fā)展趨勢16</p><p>　　3.3 諧波源仿真及濾波17</p><p>　　3.3.1諧波源仿真17</p><p>　　3.3.2無源濾波器仿真18</p><p>　　

26、3.3.3有源電力濾波器仿真19</p><p><b>　　第四章 總結(jié)22</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：22</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　

27、　1.1研究背景及意義</p><p>　　隨著工業(yè)的快速發(fā)展，使電力電子技術(shù)獲得飛速發(fā)展,在工業(yè)、交通、辦公于民用建筑等不同系統(tǒng)中得到大量應(yīng)用。大量應(yīng)用在船舶電力系統(tǒng)中具有非線性和時(shí)變特性的負(fù)載，使船舶電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量下降，無功功率、高次諧波污染日益嚴(yán)重，已經(jīng)直接影響到了船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性與可靠性[1]。因此，對船舶電力系統(tǒng)諧波源、諧波的研究，諧波分量的分析并設(shè)計(jì)一個(gè)有效的濾波器對抑制諧波是十分重要的，

28、對提高電能質(zhì)量，減少諧波污染也是十分必要的。</p><p>　　對于船舶電力系統(tǒng)而言，大幅度增加電力電子裝置的應(yīng)用，同時(shí)裝置的容量也是越來越大，而這些大容量的電力電子非線性電力裝置使得電力電子設(shè)備的能耗占船舶電氣總能耗的比例大大提高，使船舶電網(wǎng)的諧波污染也變得更加嚴(yán)重，更加難以預(yù)計(jì)。然而最關(guān)鍵的是電力系統(tǒng)對船舶的各個(gè)系統(tǒng)都有著或大或小的聯(lián)系，是船舶各系統(tǒng)中極為重要的組成部分，它直接影響著船舶運(yùn)行的性能。<

29、/p><p>　　濾波器是消除諧波的有效工具，在這個(gè)諧波危害越來越嚴(yán)重的時(shí)代，濾波器的推陳出新是必需的，因此從電力電子技術(shù)本身入手來減少諧波污染和提高功率因數(shù)的思路得到了專家的普遍重視。同時(shí)作為一種新型的補(bǔ)償裝置,有源電力濾波器因?yàn)樗鼘﹄娋W(wǎng)負(fù)載、系統(tǒng)參數(shù)變化的適應(yīng)能力和較快的反應(yīng)速度被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o功補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償方法[2]。</p><p>　　還有就是有源濾波器的性能和它各

30、方面的優(yōu)點(diǎn)，使它能夠在許多領(lǐng)域都能得到廣泛使用，它不僅能減少諧波對公用電網(wǎng)的污染，減少對變壓器工作的影響，提高繼電保護(hù)裝置的可靠性，還能夠減緩電網(wǎng)金屬化膜電容器老化的速度和輸電線路功耗，從某種角度來說是促進(jìn)了各領(lǐng)域的發(fā)展，提高環(huán)境質(zhì)量。對船舶電力系統(tǒng)而言，能提高電能質(zhì)量，降低電能損耗，減小因諧波而可能產(chǎn)生的一系列嚴(yán)重后果，例如引起一些重要的控制裝置和保護(hù)裝置的誤動，電力設(shè)備過載或被破壞，破壞改善功率因數(shù)的電容器組等。</p>

31、<p><b>　　1.2諧波</b></p><p>　　1.2.1諧波的基本概念</p><p>　　簡單說來，諧波就是一種頻率是基波頻率整數(shù)倍的正弦波。在國際上，諧波公認(rèn)的定義是“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量,也可以說諧波為周期分量的傅里葉級數(shù)中大于1的n次分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”[3]。根據(jù)這一定義就可知諧波的次數(shù)一定是正整數(shù),不會出

32、現(xiàn)非整數(shù)次諧波的情況，就以我國為例,我國電力系統(tǒng)額定頻率是50Hz,也就是說,2次諧波頻率就只能是100Hz,3次諧波的頻率就是150Hz,以此類推[4]。電力系統(tǒng)中的諧波以5次、7次等奇次諧波為主，偶次諧波也是存在的但是都比較?。粋鞔半娏ο到y(tǒng)中諧波同樣是以5次、7次得奇次諧波為主，偶次諧波為輔。</p><p>　　諧波是伴隨著電網(wǎng)誕生的，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)和變壓器等設(shè)備都會產(chǎn)生少量的諧波。但是隨著能產(chǎn)生大量諧波的用

33、電設(shè)備的不斷增加，同時(shí)在電網(wǎng)中大量使用的并聯(lián)電容器使諧波放大，使得諧波的影響越來越嚴(yán)重，人們才對諧波引起足夠的重視。</p><p>　　1.2.2諧波產(chǎn)生的原因</p><p>　　諧波的產(chǎn)生的原因是多種多樣的，比較常見的有兩種：</p><p>　　第一種是非線性負(fù)荷產(chǎn)生諧波。例如開關(guān)電源、可控硅整流器等這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波頻率都是工頻頻率的整數(shù)倍，像三相六脈波整

34、流器所產(chǎn)生的諧波主要就是5次諧波和7次諧波，而三相12脈波整流器產(chǎn)生的主要是11次諧波和13次諧波。</p><p>　　第二種是由逆變負(fù)荷而產(chǎn)生諧波。例如變頻器、中頻爐等等，這一類負(fù)荷不僅會產(chǎn)生整數(shù)次的諧波，還會產(chǎn)生頻率為逆變頻率2倍的分?jǐn)?shù)次諧波，就像使用三相六脈波整流器，工作頻率為820Hz的中頻爐，它不僅會產(chǎn)生5次和7次諧波，還會產(chǎn)生頻率為1640Hz的分?jǐn)?shù)諧波[5]。</p><p&g

35、t;　　1.2.3諧波的危害</p><p>　　接入電網(wǎng)中的非線性裝置會產(chǎn)生諧波電流，諧波電流注入到電網(wǎng)中，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。這些危害主要表現(xiàn)在以下6個(gè)方面[6 7 8]:</p><p><b>　　（1）污染公共電網(wǎng)</b></p><p>　　假如公用電網(wǎng)中的的諧波很嚴(yán)重，那么不但接入這個(gè)電網(wǎng)中的設(shè)備不能正常工作，還可能造成故障，同時(shí)

36、會導(dǎo)致對電網(wǎng)的中性線注入更多電流，造成超載、發(fā)熱，影響到電力的正常輸送。還有可能使電網(wǎng)中的電容器發(fā)生諧振，將諧波電流放大幾倍或者幾十倍，從而導(dǎo)致電容器和跟它串聯(lián)的電抗器等設(shè)備都被燒毀。</p><p>　　（2）影響變壓器工作</p><p>　　諧波電流，尤其是3次諧波電流如果注入到三角形連接的變壓器中，就會在變壓器的繞組中形成一個(gè)環(huán)流，使繞組產(chǎn)生過多的熱量。如果是Y形連接中性線接地系統(tǒng)

37、，3次諧波電流就會使中性線過熱。</p><p>　　（3）影響繼電保護(hù)裝置的可靠性</p><p>　　如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定的，那么諧波干擾如果疊加到了極低的整定值上就可能引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動，影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全。</p><p>　?。?）增加輸電線路功耗</p><p>　　電網(wǎng)中的高次諧波電流會使輸電線路功耗大大

38、增加。如果輸電線路是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對地電容要大10到20倍，而感抗僅為其1/3到1/2，很容易形成諧振，造成絕緣擊穿。</p><p><b>　?。?）對電機(jī)的影響</b></p><p>　　諧波電流通過電動機(jī)時(shí)，不但會使電動機(jī)的損耗增加，還會使電動機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)生諧振，發(fā)生轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，噪聲增大的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到電動機(jī)的正常的出力和其使用得壽命，影響

39、到機(jī)械加工出來產(chǎn)品的質(zhì)量。</p><p>　?。?）對通訊系統(tǒng)設(shè)備的影響</p><p>　　對電子設(shè)備和通信設(shè)備都會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，對系統(tǒng)中的控制保護(hù)設(shè)備及檢測裝置造成很大影響，尤其是利用相位或頻率原理工作的一些保護(hù)裝置和控制裝置，有可能出現(xiàn)保護(hù)誤動的現(xiàn)象。</p><p>　　由于船舶電網(wǎng)線路很短，負(fù)荷密度又大，高次諧波有很大概率會在船舶電力系統(tǒng)中發(fā)生諧振現(xiàn)象

40、，在線路上引起過電壓，從而造成全船電網(wǎng)的諧波污染。船舶的輸電系統(tǒng)基本上是由電纜構(gòu)成的，對采用電纜構(gòu)成的輸電系統(tǒng)而言，諧波除了會引起附加損耗以外，還可能出現(xiàn)尖峰，加快電纜絕緣的老化，縮短電纜的使用壽命。</p><p>　　1.2.4 諧波指標(biāo)</p><p>　　衡量電網(wǎng)中諧波含量的大小指標(biāo)有兩種：第一種是總的諧波畸變率；第二種是各次諧波的在基波中的含有率[13]。</p>

41、<p><b>　　① 波形總畸變率</b></p><p>　　畸變率指各次諧波均方根值的平方根值與基波均方根值的百分比。電壓總諧波畸變率THDu和電流總諧波畸變率RHDi是被廣為接受的兩個(gè)描述畸變功率的參數(shù)。</p><p>　　它們的定義式為： (1-1)</p><p><b>　　

42、(1-2)</b></p><p><b>　　②各次諧波含有率</b></p><p>　　HR是諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，也就是諧波含有率。</p><p>　　n次諧波電壓含有率用為： (1-3)</p><p>　　式中的Un為第n次諧波

43、的電壓的有效值，UI為基波電壓的有效值。</p><p>　　n次諧波電流含有率用為： (1-4)</p><p>　　式中的In為第n次諧波的電流的有效值，II為基波電流的有效值。</p><p>　　1.2.5 功率因數(shù)</p><p>　　傳統(tǒng)的功率因數(shù)的定義是在線性負(fù)載(如電阻、電感

44、等)條件下得到的。當(dāng)時(shí)，交流電路中的電壓和電流為同頻率的正弦波，相位差為，功率因數(shù)。后來由于大量使用交流電動機(jī)和各種電磁開關(guān)以及照明用電大量使用日光燈等感性負(fù)載，產(chǎn)生電網(wǎng)諧波，功率因數(shù)與功率損耗之間的關(guān)系才引起人們的重視。</p><p><b>　　(1-5)</b></p><p>　　式中的U和I分別是電壓和電流的有效值，P是有功功率，Q是無功功率，D是畸變功率

45、，S是電氣設(shè)備的最大可利用容量。而有功功率即其平均功率的最大值是S，P越接近S，表示電氣設(shè)備的容量被越充分的利用。為了表示P接近S的程度，定義有功功率和視在功率的比值為功率因數(shù)λ，即：</p><p><b>　　(1-6)</b></p><p>　　從上述的公式（1-5）和（1-6）中不難看出：只要將（1-5）式中Q和D兩個(gè)參量取最小值，就可使功率因數(shù)最大化。我國

46、船級社對功率因數(shù)的新規(guī)定中，有些方面要求0.9以上[13]。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外對諧波的相對標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　在研究諧波和濾波器的同時(shí)為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,許多國家、國際組織以及一些大型電力公司都制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn),其中具有較有影響的是IEEE519-1992和IEC555-2。在1984年，我國水利電力部門就頒發(fā)了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)

47、定》。到了1994年,國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》也正式頒布。雖然各諧波標(biāo)準(zhǔn)都不有相同,但都是大同小異,這些標(biāo)準(zhǔn)的都是基于以下三個(gè)目的:(1)把電力系統(tǒng)中的電流和電壓波形的畸變控制在系統(tǒng)和其所接設(shè)備能夠承受的范圍以內(nèi)。(2)用符合用戶需要的電壓波形對用戶進(jìn)行供電。(3)不干擾其他系統(tǒng)(如通訊系統(tǒng))的正常工作[8]。</p><p>　　我國的《艦船通用規(guī)范3組電力系統(tǒng)》中對交流電力品質(zhì)

48、特性參數(shù)規(guī)定為：船舶電力系統(tǒng)(對于50Hz，有效值為380V或220V而言)，正弦波形畸變率不得超過5%，單次諧波最大含量要低于3%；三相線電壓的平均值允差是5%，線電壓不平衡允差為3%，電壓的周期性變化允差為2%，瞬態(tài)電壓允差為±6%。在正常狀態(tài)下，對用單相或三相設(shè)備等組合而成的用電裝置，其輸入電流不平衡度要低于5%。由雖然船舶電力系統(tǒng)工作狀態(tài)要頻繁的變化，啟動設(shè)備也很多，但是最大浪涌電流所導(dǎo)致的界面電壓也不應(yīng)超過用電設(shè)備的

49、額定電壓的10%。</p><p>　　1.4 諧波的檢測及抑制方法</p><p>　　1.4.1諧波檢測的發(fā)展歷史</p><p>　　對諧波的檢測歷史可分為三個(gè)階段：</p><p>　　第一階段是從19世紀(jì)初至20世紀(jì)40年代，主要是依靠對實(shí)測波形進(jìn)行傅里葉計(jì)算的方法，即利用信號波形的錄波圖，人工手動等間隔地量取數(shù)值，然后采用手算進(jìn)行

50、諧波分析計(jì)算，過程是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)精確度很低，諧波分析次數(shù)也不高。</p><p>　　第二階段是50年代至80年代，選頻測量技術(shù)在這個(gè)時(shí)期獲得廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)的研制了一系列選頻式測量諧波的儀器儀表，測量的方式是利用失真度式的儀器測量諧波總畸變量，用外差選頻式儀器逐項(xiàng)測試各次諧波的分量，用帶通濾波式逐次選取各次諧波分量。這種諧波分析方法雖然比早期的人工分析方法有很大的提高，但測試結(jié)果只能給出諧波幅值，不能測出相位

51、，調(diào)節(jié)過程也較麻煩。</p><p>　　第三階段是80年代至今，由于集成電路，微處理器及計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)了一系列基于傅里葉變換的諧波分析儀和頻譜分析儀，這類設(shè)備測試操作簡單方便，計(jì)算結(jié)果快速準(zhǔn)確，可以同時(shí)進(jìn)行多路測量，具有較大的優(yōu)勢[9]。</p><p>　　1.4.3 諧波檢測方法分類</p><p>　　現(xiàn)有的諧波檢測法按原理大致可分為：基于瞬時(shí)無功功

52、率理論的諧波測量法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測量法、基于傅里葉變換的諧波測量法、基于小波變換的諧波測量法和模擬濾波檢測法。</p><p>　　1.4.3 抑制諧波的措施</p><p>　　對諧波的抑制主要措施主要有3種[4]：</p><p>　　受端治理：即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們的抗干擾能力。</p><p>　　主動治理：

53、即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生諧波。這是三種治理方法中最好的一種。</p><p>　　被動治理：即外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波并注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)諧波注入負(fù)載端。這是現(xiàn)在最常用、最普遍的方法。</p><p>　　1.5本課題的主要研究內(nèi)容及方法</p><p>　　本課題研究的主要內(nèi)容是分析總結(jié)船舶電力系統(tǒng)高次諧波的特點(diǎn)及其危

54、害，綜述船舶電力系統(tǒng)中的諧波檢測方法和抑制方法，并比較這些方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)。利用MATLAB/Simulink建模軟件，建立一個(gè)諧波源模型：模型由三相交流電源、6脈沖整流器、整流橋和感性負(fù)載等器件構(gòu)成，仿真產(chǎn)生高次諧波信號（包括電壓和電流），采用快速傅里葉變換方法得出頻譜圖，分析各次諧波的含有率及總諧波含有率，最后采用無源濾波器、有源濾波器分別對諧波進(jìn)行相應(yīng)的抑制，對比分析濾波前后的諧波含有率，得出濾波器的濾波效果</p>

55、<p>　　首先，介紹了船舶電力系統(tǒng)諧波的研究背景及意義、諧波的基本概念、產(chǎn)生原因及危害、國內(nèi)外對船舶電力系統(tǒng)諧波的相對標(biāo)準(zhǔn)、諧波的檢測和抑制方法。</p><p>　　其次，對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行了簡單的介紹，闡明了船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，同時(shí)還對船舶電力系統(tǒng)中的諧波源也進(jìn)行了簡要介紹，并用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了建模，對其A相產(chǎn)生的諧波電流采用傅里葉變換方法得出頻譜圖，從而得到該諧波電流的

56、總諧波含有率HR和電流波形畸變率THD。</p><p>　　最后，由于該電流畸變較嚴(yán)重，諧波含有率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，因此本文設(shè)計(jì)了濾波器并用其來進(jìn)行濾波。并用無源濾波器和有源濾波器分別對諧波進(jìn)行濾波，得出電流波形及其頻譜圖，再對比分析濾波前后的總諧波含有率，說明濾波器的濾波效果。</p><p>　　通過對無源濾波器和有源濾波器分別濾波后的電流波形進(jìn)行對比，從而得出有源濾波器的濾波效

57、果比無源濾波器要好。</p><p>　　主要以圖書館中的書籍和資料以及網(wǎng)上豐富的資源為依托，定期向指導(dǎo)老師匯報(bào)、咨詢，探討與聽取指導(dǎo)老師的意見，解決設(shè)計(jì)中所遇到的問題。</p><p>　　第二章 船舶電力系統(tǒng)的諧波建模</p><p>　　2.1 MATLAB軟件簡介</p><p>　　目前，在國際流行的科技應(yīng)用軟件中，數(shù)學(xué)類型的軟件多

58、達(dá)幾十款，但是從他們的數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核來看，不外乎就兩種類形：數(shù)值計(jì)算型和數(shù)學(xué)分析型。 數(shù)值計(jì)算型的有MATLAB、Xmath等，它們對大量數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的管理、計(jì)算和可視化能力，運(yùn)行效率也很高；而數(shù)學(xué)分析型的如Mathematica、Maple等，它們擅長于符號計(jì)算，可以得到問題的解析符號解和任意精度解，但處理大量數(shù)據(jù)時(shí)的速度比較慢[10]。</p><p>　　Matlab是英文MATrix LABorato

59、ry（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫。在1980年前后，是當(dāng)時(shí)任美國墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科系主任的Cleve Moler為方便學(xué)生編寫和使用Linpack與Eispack的接口程序并命名為MATLAB，這就成為了MATLAB的雛形。后來，在John Little、Cleve Moler和Steve Bangert的通力合作下，于1984年成立了Mathwork公司，并正式推出MATLAB的第一代。以后MATLAB版本不斷更新，1992年推出了4.0版本

60、；1994年推出4.2版本擴(kuò)充4.0版本的功能；1997年5.0版本問世；1999年初推出5.3版本在很多方面又進(jìn)一步改善，隨之推出的新版本的最優(yōu)化工具箱和Simulink 3.0版本達(dá)到很高水平。之后， 2000、2001、2002、2006、2008都有新版本相繼出版。</p><p>　　MATLAB是一種高精度的科學(xué)計(jì)算語言，它將計(jì)算、可視化和編程結(jié)合在一起使用的環(huán)境中，并用使用者熟悉的符號表示出其提出的

61、問題以及問題的解決方法，它的典型使用包括科學(xué)計(jì)算，運(yùn)算法則，建模和仿真，數(shù)據(jù)分析、研究和可視化，科學(xué)的工程圖形，應(yīng)用程序開發(fā)，包括創(chuàng)建圖形用戶接口。它最重要的特征是擁有解決特定應(yīng)用問題的程序組，還有MATLAB具有開放性。</p><p>　　Simulink是MATLAB的重要組成部分，它既適用于線性系統(tǒng)，也適用于非線性系統(tǒng)；既適用于連續(xù)系統(tǒng)，又適用于離散系統(tǒng)和連續(xù)與離散混合系統(tǒng)；既適用于定常系統(tǒng)，也也適用于事

62、變系統(tǒng)。</p><p>　　2.2 船舶電力系統(tǒng)簡介</p><p>　　20世紀(jì)80年代以前，中國造船行業(yè)還是比較落后，在90年代后中國造船業(yè)才得到迅速發(fā)展。1997年后中國就成為了世界造船行業(yè)的第三大國家。</p><p>　　船舶作為重要的交通工具有著它無可替代的重要地位，船舶電站是船舶的一個(gè)重要組成部分，也是船舶技術(shù)的重要標(biāo)志，它反映了一個(gè)國家的戰(zhàn)略地位和

63、綜合國力水平。</p><p>　　船舶電力系統(tǒng)主要是由電源、配電裝置、輸電裝置和用電設(shè)備組成[11]。</p><p>　　圖2.1 船舶電力系統(tǒng)組成</p><p><b>　　2.2.1電源</b></p><p>　　電源是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化成電能的裝置。船上的電源裝置一般是柴油發(fā)電機(jī)組和蓄電池，分為主發(fā)電機(jī)組

64、、應(yīng)急發(fā)電機(jī)組、蓄電池組，它們分別是船舶的主電源、應(yīng)急電源、小應(yīng)急電源。在主發(fā)電機(jī)組不能供電的時(shí)候，由應(yīng)急發(fā)電機(jī)組或蓄電池組向船舶重要航行設(shè)備和應(yīng)急照明系統(tǒng)供電。</p><p><b>　　2.2.2配電裝置</b></p><p>　　配電裝置是接受和分配電能的裝置，也就是對電源、輸電裝置和用電負(fù)載進(jìn)行保護(hù)、監(jiān)視、測量和控制的裝置。根據(jù)供電范圍的不同，配電裝置可分

65、為主配電板、應(yīng)急配電板、分配電板、充放電板和岸電箱等。</p><p><b>　　2.2.3輸電裝置</b></p><p>　　船舶輸電裝置是船舶電網(wǎng)，是全船電纜電線的總稱。它是聯(lián)系發(fā)電機(jī)、主（應(yīng)）配電板、區(qū)域配電板、分配電板和負(fù)載的中間環(huán)節(jié)，是將電源的電能輸送到負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)。電網(wǎng)根據(jù)其所連接的用電負(fù)載的性質(zhì)不同，可分為動力電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)、小應(yīng)急電網(wǎng)等。&

66、lt;/p><p><b>　　2.2.4用電設(shè)備</b></p><p>　　電力負(fù)載又稱電力負(fù)荷，是指好用電能的各種用電設(shè)備，是將電能轉(zhuǎn)化成其他形式能量的用電裝置。船上的電力負(fù)載形式有很多，但是主要的有動力負(fù)載、照明負(fù)載、通訊導(dǎo)航負(fù)載等，當(dāng)然艦艇還有特殊的武器裝備負(fù)載。</p><p>　　2.3船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><

67、;p>　　船舶電力系統(tǒng)較陸地電力系統(tǒng)具有著電站容量小、電網(wǎng)線路短、集中且都采用電纜、電氣設(shè)備工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)。</p><p>　　2.4 諧波源的簡介及建模</p><p>　　諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備[12]。所以諧波源并不是特指某件設(shè)備，而是能產(chǎn)生諧波電流、諧波電壓的設(shè)備都是諧波源。</p><p>　　2.

68、4.1船舶電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因</p><p>　　船舶上產(chǎn)生高次諧波的原因，主要是船舶電網(wǎng)中存在各種非線性元件，使船舶的主電網(wǎng)和連接負(fù)載的分電網(wǎng)中總是有高次諧波電流和電壓存在。產(chǎn)生高次諧波的元件有很多，而采用變頻調(diào)速和串級調(diào)速的交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和采用晶閘管變流的直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等有大型的變流裝置的設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波電流最為突出，是造成船舶電力系統(tǒng)諧波干擾的最主要因素[13]。</p><

69、;p>　　2.4.2諧波源模型</p><p>　　考慮到大多數(shù)電力電子設(shè)備，在交流測通常為三相橋式整流電路，而在船舶電力系統(tǒng)中的電阻屬于電感性負(fù)載占絕大多數(shù)[14]。因此，我們選用三相式6脈沖全控橋整流電路作為船舶電力系統(tǒng)的諧波源模型，模型中除了三相式6脈沖全控橋式整流器，還包括了三相可編程電壓源，串聯(lián)RL負(fù)載等模塊，其中整流橋的脈沖采用脈沖發(fā)生器來完成，如下圖2.2</p><p&g

70、t;　　圖2.2 三相橋全控整流電路模型</p><p>　　選擇如下參數(shù)： 電網(wǎng)線電壓： U=380V f=50Hz </p><p>　　脈沖觸發(fā)延遲角： 觸發(fā)脈沖寬度為</p><p>　　整流橋：Rs=100V，Ron=10V</p><p>　　2.5 傅里葉變換 </p><p>　

71、　傅里葉分析包括傅里葉級數(shù)和傅里葉變換兩方面，是由法國科學(xué)家J,B Joseph Fourier在19世紀(jì)初創(chuàng)立并發(fā)展起來的一門學(xué)科，是理論分析與工程應(yīng)用領(lǐng)域中的一種重要工具。</p><p>　　傅里葉變換被廣泛用于信號的分析和處理，是進(jìn)行頻譜分析強(qiáng)有力的信號處理工具，它既可以分析平穩(wěn)的周期性信號，也可以分析暫態(tài)的非周期性信號，其本質(zhì)是將被分析信號用一系列的諧波疊加起來[15]。</p><

72、p>　　電網(wǎng)中測得的電壓和電流等信號的時(shí)間函數(shù)，只能反映信號瞬時(shí)的大小和隨時(shí)間的變化。若把非正弦周期函數(shù)分解為傅里葉級數(shù)，就可以表達(dá)出該函數(shù)里有哪些階次的諧波，各次諧波的幅值有多大以及其出相角為多少等。多次諧波的幅值和初相角一般使用離散頻譜來描述的，即以角頻率為橫坐標(biāo)，各次諧波的幅值Cn為縱坐標(biāo)，來描述周期函數(shù)的幅頻特性，盡管橫坐標(biāo)為一條直線，但是頻譜Cn支隊(duì)周期函數(shù)的角頻率ω1的整數(shù)倍nω1才有意義。一般情況下，對非正弦波形的諧

73、波含量用幅頻特性來表示時(shí)取幅頻特性的從坐標(biāo)為100Cn/C1（%），即基波幅值的100%。</p><p>　　對電壓信號u（t） 和電流信號i(t)用傅里葉級數(shù)展開，則有</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　其中的Mu

74、和Mi分別是電壓信號和電流信號的的最高諧波次數(shù)，而U0和I0分別是電壓信號和電流信號的直流分量。</p><p>　　根據(jù)建模時(shí)設(shè)的參數(shù)得：（2-3） </p><p>　　可知三相橋全控整流電路在交流輸入主要產(chǎn)生6k±1次諧波電流。</p><p>　　傅里葉級數(shù)分析非正弦連續(xù)時(shí)間周期函數(shù)經(jīng)常是把時(shí)間信號的一個(gè)周期等分成N個(gè)點(diǎn)，再對等分點(diǎn)進(jìn)行采樣，等到一

75、系列離散信號，然后采用離散傅里葉變換或快速傅里葉變換進(jìn)行諧波分析。</p><p>　　傅里葉變換有很多重要的性質(zhì)：線性性質(zhì)、時(shí)移性質(zhì)、頻移性質(zhì)、尺度變換性質(zhì)、對稱性質(zhì)、時(shí)域微分性質(zhì)、頻域微分性質(zhì)、時(shí)域積分性質(zhì)、奇偶性、卷積定理等性質(zhì)為求取信號的傅里葉變換和進(jìn)行系統(tǒng)分析帶來了很大方便。</p><p>　　第三章 濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 無源濾波器

76、 </p><p>　　3.1.1無源濾波器的簡介 </p><p>　　無源濾波器(PassivePowerFilter,PPF)通常是由電容、電感和電阻等無源元件構(gòu)成的諧振電路，也稱LC濾波器，是傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償和抑制諧波的主要手段[16]。</p><p>　　傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是將無源濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),濾波器對某些諧波頻率諧振形成低阻通

77、路,使相應(yīng)的諧波電流流入無源支路而避免流入電網(wǎng)內(nèi),從而在濾除諧波的同時(shí)也適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)償了無功功率。這種方法既可以補(bǔ)償諧波,又可以補(bǔ)償無功功率,成本低,技術(shù)成熟,結(jié)構(gòu)也簡單。但是也有一些無法克服的缺點(diǎn):電力系統(tǒng)和線路的阻抗會影響濾波效果;系統(tǒng)內(nèi)的阻抗和無源濾波器可能會產(chǎn)生諧振,導(dǎo)致某些諧波放大;一條LC支路只能補(bǔ)償一定頻率的諧波,因此連接的濾波支路數(shù)太多;一旦連接在電網(wǎng)上就固定不變了,無法對變化的諧波電流(電壓)進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償;濾波器的重量與體

78、積都比較大。無源濾波器存在比較明顯的技術(shù)缺陷,所以從上世紀(jì)70年代起,人們就開始致力于有源電力濾波器的研究,以彌補(bǔ)無源電力濾波器存在的問題[8]。</p><p>　　3.1.2 無源濾波器的設(shè)計(jì) </p><p>　　在綜合有源電力濾波器中，特別是在串聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)中，無源濾波能補(bǔ)償電網(wǎng)中大部分諧波及無功電流，因此它也是系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的設(shè)計(jì)與有源濾波器比較而言要簡單的

79、多。</p><p>　　設(shè)計(jì)PPF時(shí)，在滿足各種水平下對諧波限制要求下，首先要考慮的是經(jīng)濟(jì)因素，其次在考慮濾波器的諧振頻率是否會因電容、電感參數(shù)的偏差或變化而改變；電網(wǎng)阻抗變化會對濾波裝置的濾波效果有較大影響，更嚴(yán)重的是電網(wǎng)阻抗與濾波器之間有發(fā)生諧振的可能。</p><p>　　單調(diào)無源濾波器由R、L、C構(gòu)成，連接方式多種多樣，如圖3.1：</p><p><

80、;b>　　圖3.1</b></p><p>　　圖3.1中(A)為用R、L、C電路的串聯(lián)諧振原理構(gòu)成的單調(diào)濾波器原理圖；（B）(C)(D)(E)分別是一階、二階、三階減幅高通濾波器和C型減幅型的高通濾波器。</p><p>　　根據(jù)諧波分析中得出的三相橋全控整流電路的諧波為6k±1次諧波，為了方便選擇設(shè)計(jì)單調(diào)無源濾波器來濾除5次、7次諧波，7次以上的諧波用高通濾

81、波器來濾除。</p><p>　　3.1.2.1 單調(diào)無源濾波器</p><p>　　單調(diào)濾波器對n次諧波的阻抗為 （3-1）</p><p>　　是用串聯(lián)L、C諧振原理構(gòu)成的，諧振次數(shù) （3-2）</p><p>　　在發(fā)生諧振的地方，濾波器對n次諧波的阻抗為Z=R

82、，由于R極小，同時(shí)R的功能是分流，所以n次諧波很少流入電網(wǎng)中。所以只要將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)置為要濾除的諧波次數(shù)一樣就能使該諧波大部分流入濾波器，達(dá)到濾波的效果[17]。在單調(diào)諧波濾波器中R越小，濾波效果越明顯，所以這里R設(shè)為0。</p><p>　　濾波器阻抗中的低值電阻R與濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q有關(guān)。Q決定了濾波器調(diào)諧的敏銳度。Q越大，則R越小，濾波器的調(diào)諧越敏銳。Q過大，會使被濾除的諧波頻帶過窄，乏當(dāng)系統(tǒng)頻率或?yàn)V

83、波電容器，電抗器參數(shù)發(fā)生偏差時(shí)容易發(fā)生失諧；Q過小，會使濾波器的損耗增大。品質(zhì)因數(shù)的典型取值為Q=30-60[18]</p><p>　　5次單調(diào)濾波器 7次單調(diào)濾波器</p><p>　　圖3.2 5次、7次單調(diào)濾波器</p><p>　　5次單調(diào)濾波器的參數(shù)值為：C=400uF，L=1mH;</p><p>　　7次單

84、調(diào)濾波器的參數(shù)為：C=200uF,L=1mH。</p><p>　　3.1.2.2高通濾波器</p><p>　　高通濾波器也稱減幅濾波器[19]。</p><p>　　常見的4種類型，如圖3.1中的（B）（C）（D）（E）所示的一階減幅型，二階減幅型，三階減幅型和C型減幅型；一階減幅型對基波的功率損耗太大，一般不采用；二階減幅型對基波功率損耗小，而且阻抗特性也好，

85、結(jié)構(gòu)簡單，工程上用的最多；三階減幅型對基波的損耗更小，但是特性沒有二階好，也不多用；C型濾波器是一種新型的高通濾波器，它的濾波特性介于二階和三階之間。比較來說二階高通濾波器是最值得設(shè)計(jì)的。</p><p>　　二階高通濾波器的阻抗 （3-3）</p><p>　　從結(jié)構(gòu)和阻抗表達(dá)式中可以看出，：當(dāng)R趨向無窮時(shí)，高通濾波器就會變成單調(diào)濾波器；當(dāng)ω趨向無窮時(shí)，Z=R，濾波器的阻抗就

86、跟R有關(guān)了。</p><p>　　高通濾波器電容 （3-4）</p><p>　　電感 （3-5） </p><p>　　其中ILhh 為負(fù)載高次諧波電流，K是估算電感容量系數(shù)。</p><p>&l

87、t;b>　　高通濾波器的費(fèi)用</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中y是關(guān)于C的函數(shù)，P、H分別是電容和電感的單位容量的投資，為了得到y(tǒng)最小時(shí)的C值大小，用y對C求導(dǎo)，并令其為0，得到電容為：</p><p><b>　?。?-7）</b></p>

88、<p>　　由 (3-8)</p><p>　　（m取0.5） (3-9)</p><p>　　f0為9次，可得出Ch=175uF，Lh=0.37mH,Rh=5Ω。</p><p>　　圖3.3

89、二階高通濾波器</p><p>　　將5次、7次單調(diào)濾波器和二階高通濾波器合起來就是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無源濾波器：</p><p>　　圖3.4 無源濾波器</p><p><b>　　3.2 有源濾波器</b></p><p>　　3.2.1 有源濾波器的簡介</p><p>　　有源電力濾波

90、器(ActivePowerFilter,APF)主要是由諧波和無功電流的檢測電路、跟蹤控制電路和補(bǔ)償主電路(換流逆變器)等組成。</p><p>　　圖3.5 有源濾波器的組成</p><p>　　檢測電路的主要功能是從負(fù)載電流中實(shí)時(shí)分離出諧波電流分量和基波無功電流分量,并將其反相后作為補(bǔ)償電流的指令信號，也稱為指令電流檢測電路。</p><p>　　跟蹤控制電

91、路是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流必須跟蹤指令信號的原則,計(jì)算出經(jīng)驅(qū)動電路后作用于補(bǔ)償主電路各開關(guān)器件上的觸發(fā)脈沖,產(chǎn)生有效的補(bǔ)償電流,使電網(wǎng)電流中只含有基波分量,達(dá)到消除諧波與無功補(bǔ)償?shù)哪康腫8]。有源濾波器中的電力有源濾波器是治理諧波的有效工具,也是解決目前我國電能質(zhì)量污染日益嚴(yán)重狀況的有力措施。目前,電力有源濾波器在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已得到了高度的重視和廣泛應(yīng)用,但是在我國有源濾波技術(shù)還處于研究試驗(yàn)階段,由于目前在我國應(yīng)用有源濾波器的成

92、本很高,因而極大地限制了在國內(nèi)的廣泛應(yīng)用[7]。</p><p>　　3.2.2 有源電力濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　早在20世紀(jì)70年代初，有源電力濾波器的基本原理和電路結(jié)構(gòu)就已經(jīng)被確定下來了，只是當(dāng)時(shí)的器件性能和控制技術(shù)還未達(dá)到要求，所以沒有能夠在工業(yè)中得到應(yīng)用。</p><p>　　80年代后期，大、中功率全控型半導(dǎo)體器件發(fā)展日益成熟，脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù)

93、獲得很大進(jìn)步同時(shí)給予瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測方法也被提出，有了這3個(gè)前提有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。</p><p>　　1982年世界第一臺APF800kVA在日本研制成功并投入使用以后，又經(jīng)過20多年的研究，APF技術(shù)得到長足發(fā)展，不論是從功能上還是運(yùn)行功率上都有很大進(jìn)步。</p><p>　　3.2.2.1有源電力濾波器的工作原理</p><p>　　

94、有源電力濾波器是一種實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)諧波，利用可控電子器件產(chǎn)生跟諧波電流大小相等，方向相反的電流，與之相抵消來達(dá)到率波目的電路，所以從里理論上來講，有源電力濾波器是可以產(chǎn)生任意波形的電流的[21]。</p><p>　　它的工作原理如圖3.5</p><p>　　圖3.6 有源電力濾波器工作原理圖</p><p>　　3.2.2.2有源電力濾波器的分類</p&g

95、t;<p>　　目前使用的的有源電力濾波器的種類很多，分類方法也是多種多樣。</p><p>　　圖3.7對不同角度來分類的APF表示各種分類來進(jìn)行了概括：</p><p>　　圖3.7 APF分類關(guān)系</p><p>　　按應(yīng)用場合不同分：有源直流濾波器和有緣交流濾波器；</p><p>　　按變流器類型分：有電流型和電壓型

96、；</p><p>　　按拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)分：有串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)混合型:</p><p>　?。╝） 串聯(lián)型APF</p><p><b>　?。╞）并聯(lián)APF </b></p><p>　　（c）串并聯(lián)型APF</p><p><b>　　圖3.8 </b></p>

97、;<p>　　按電源相數(shù)分：有單項(xiàng)、三相三線和三相四線等[20]。</p><p>　　3.2.2.3有源電力濾波器的設(shè)計(jì)模型</p><p>　　圖3.9 串聯(lián)型有源濾波器</p><p>　　左下由電感、IGBT與二極管、電容構(gòu)成的是串聯(lián)有源濾波器；其余部分的是檢測電路和控制電路、驅(qū)動電路。</p><p>　　3.2.2.

98、4有源電力濾波器的發(fā)展趨勢</p><p>　　我國對有源濾波器的研究起步較遲，在20世紀(jì)80年代末才開始出現(xiàn)這方面的文章，90年代才有高校和研究機(jī)構(gòu)加入對電力有源濾波器的研究行列，不過當(dāng)時(shí)的工作僅僅以理論研究和實(shí)驗(yàn)為主。</p><p>　　雖然國內(nèi)對有源濾波器的研究起步遲，但是在對國外研究成果進(jìn)行吸收的基礎(chǔ)上取得的進(jìn)步還是相當(dāng)快的。目前國內(nèi)對有源電力濾波器技術(shù)的研究集中在[20 21]

99、：</p><p>　　進(jìn)一步對諧波處理理論的研究；</p><p>　　進(jìn)一步降低補(bǔ)償裝置的容量；</p><p><b>　　簡化控制系統(tǒng)；</b></p><p>　　補(bǔ)償裝置的多功能化；</p><p>　　增大器件容量，提高開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)電流快速控制；</p><p&

100、gt;　　降低價(jià)格，提高性價(jià)比；</p><p>　　降低損耗，提高可靠性。</p><p>　　3.3 諧波源仿真及濾波 </p><p>　　3.3.1諧波源仿真</p><p>　　在前面我們已經(jīng)建立了諧波源模型，并設(shè)置了參數(shù)，現(xiàn)在對其用MATLAB進(jìn)行仿真，得到：</p><p>　　圖3.10 諧波源諧波電壓

101、電流波形</p><p>　　圖3.11 諧波源電流頻譜圖</p><p>　　可以從圖3.9中看出青的波形即電壓的畸變不是很大，而藍(lán)色的波形即電流的畸變很明顯；同時(shí)也可以從圖3.10中看出波形總畸變率THD=12.87%，5次諧波含有率RH≈10%，7次諧波含有率RH≈5.3%都超出了國家標(biāo)準(zhǔn)，還可以看出諧波電流中5次、7次、13次、17次、19次諧波電流比其他諧波電流要大得多，引起電流

102、畸變的就是它們。</p><p>　　3.3.2無源濾波器仿真</p><p><b>　　單調(diào)濾波仿真</b></p><p>　　圖3.12 單調(diào)無源濾波器進(jìn)行濾波</p><p>　　在3.2中設(shè)計(jì)了率5次、7次諧波的單調(diào)無源濾波器和濾9次以上的高通濾波器。</p><p>　　先用5次、7

103、次單調(diào)濾波器對諧波源進(jìn)行濾波仿真，得到：</p><p>　　圖3.13 單調(diào)濾波后的電壓電流波形</p><p>　　圖3.14 單調(diào)濾波后電流頻譜圖</p><p>　　圖3.13中可以看到電流的畸變大大改善，已經(jīng)有了正弦波的影子；從圖3.14也可以看出電流波形總畸變率THD=3.2%，5次諧波的畸變率THD≈2.6%，7次諧波的畸變率THD≈1.4%，較原來沒

104、有濾波時(shí)大大降低了。</p><p><b>　　無源濾波仿真</b></p><p>　　圖3.15 無源濾波器</p><p>　　無源濾波器由單調(diào)濾波和高通濾波器合成，對諧波源進(jìn)行濾波仿真，得到：</p><p>　　圖3.16 無源濾波后的電壓電流波形</p><p>　　圖3.17 無源

105、濾波后電流頻譜圖</p><p>　　圖3.16與圖13相比較，電流波形有一定變化，變得更像正弦波了。</p><p>　　圖3.17中也可以看出電流總總畸變率THD變小了，變?yōu)門HD=2.52%，各次次諧波的含有率都有相應(yīng)減少。</p><p>　　諧波含有率低于5%,已經(jīng)在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)了，所以無源濾波已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期效果。</p><p&g

106、t;　　3.3.3有源電力濾波器仿真</p><p>　　用有源電力濾波器對諧波源進(jìn)行濾波仿真，得到：</p><p>　　圖3.18有源濾波器仿真圖</p><p>　　圖3.19有源濾波后電壓電流波形</p><p>　　圖3.20 有源濾波后電流頻譜圖</p><p>　　從圖3.19中可以看出電流波形近似正弦波

107、了，與圖3.10相比，可以明顯的看出電流波形幾乎為正弦波了。同時(shí)圖3.20也表明電流波形畸變率THD=1.63% ，明顯比原來的12.87%要小的多，5次諧波含有率RH≈1.3%，7次諧波含有率RH≈0.65%，明顯各次諧波也減小很多，都處在了標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，所以本課題所設(shè)計(jì)的有源電力濾波器也達(dá)到濾波目的。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本課

108、題研究的主要內(nèi)容是分析總結(jié)船舶電力系統(tǒng)高次諧波的特點(diǎn)及其危害，綜述船舶電力系統(tǒng)中的諧波檢測方法和抑制方法，并比較這些方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)。利用MATLAB/Simulink建模軟件，建立一個(gè)諧波源模型，仿真產(chǎn)生高次諧波信號（包括電壓和電流），采用快速傅里葉變換方法得出頻譜圖，分析各次諧波的含有率及總諧波含有率，最后采用無源濾波器、有源濾波器分別對諧波進(jìn)行相應(yīng)的抑制，對比分析濾波前后的諧波含有率，得出濾波器的濾波效果，期間主要的工作如下：&l

109、t;/p><p>　　通過查找圖書館中的書籍，藏書庫中的期刊、論文，網(wǎng)上的相關(guān)資料了解船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，諧波的產(chǎn)生，危害及抑制方法，并了解相關(guān)濾波器的原理，設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　對船舶電力系統(tǒng)中的一個(gè)諧波源進(jìn)行建模分析，再設(shè)計(jì)出無源濾波器和有源濾波器。</p><p>　　用MATLAB/Simulink建模仿真，得出頻譜圖，分析各次諧波的含有率及總諧波含有

110、率。</p><p>　　通過對無源濾波器和有源濾波器分別濾波后的電流波形進(jìn)行對比，從而得出有源濾波器的濾波效果比無源濾波器要好。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 賈君霞、田暕.電力系統(tǒng)的諧波電流及有源濾波器[J].《工業(yè)加熱》，2005,25（1）.46-49</p><p>

111、;　　[2] 胡學(xué)芝、皮大能.有源電力濾波器及其應(yīng)用技術(shù)綜述[J].船電技術(shù) 2005.1.39-42　</p><p>　　[3] 羅安、章兢、付清.新型注入式并聯(lián)混合型有源電力濾波器[J].電工技報(bào)。2005，20（2）：52-55.</p><p>　　[4] 陳淳、吳廷進(jìn).電力系統(tǒng)諧波及其抑制[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010 .88-89.</p><p>