1、 本科 毕业设计 船舶电力系统谐波源建模及滤波器设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 随着工业的快速发展，电力电子技术获得飞速发展 ,在工业、交通、办公于民用建筑等不同系统中得到大量应用。大量应用在船舶电力系统中具有非 线性和时变特性的负载，使船舶电力系统的电能质量下降，无功功率、高次谐波污染日益严重，由谐波而引起的各种故障和事故也不断发生。因此，对船舶电力系统谐波源、谐波的研究，谐波分量的分析和设计一个有效的滤波器对抑制谐波是十分重要的，对提高电能质量，减少谐波污染也是十分必要的。 本文简单介绍了船舶电力系统谐波产生的原因
2、及特点，谐波的危害和抑制谐波的方法，还针对船舶电力系统的谐波特点建立了谐波源模型：模型由三相交流电源、 6脉冲整流器、整流桥和感性负载等器件构成。由于整流桥和感性负载等非线性器件会产生大量谐波，所以本文还 设计了能有效抑制谐波的无源滤波器和有源滤波器。主要工作如下： 首先，介绍了船舶电力系统谐波的研究背景及意义、谐波的基本概念、产生原因及危害、国内外对船舶电力系统谐波的相对标准、谐波的检测和抑制方法。 其次，对船舶电力系统进行了简单的介绍，阐明了船舶电力系统的特点，同时还对船舶电力系统中的谐波源也进行了简要介绍，并用 MATLAB/Simulink软件进行了建模，对其 A相产生的谐波电流采用傅
3、里叶变换方法得出频谱图，从而得到该谐波电流的总谐波含有率 HR和电流波形畸变率 THD。 最后，由于该电流畸变较严重，谐波含有 率远远大于谐波国家标准，因此本文设计了滤波器并用其来进行滤波。并用无源滤波器和有源滤波器分别对谐波进行滤波，得出电流波形及其频谱图，再对比分析滤波前后的总谐波含有率，说明滤波器的滤波效果。 通过对无源滤波器和有源滤波器分别滤波后的电流波形进行对比，从而得出有源滤波器的滤波效果比无源滤波器要好。 关键词： 船舶电网 谐波源 MATLAB/Simulink建模 有源滤波器 III Abstract With the rapid development of industr
4、y, the power system have a rapid development， they are used in industrial, transportation, office and other systems in civil buildings.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 an
5、d high harmonics are becoming more and more severity, harmonics caused by a variety of failures and accidents continue to occur. Therefore, research of the ship power system harmonic sources, analysis and design of an active filter for harmonic suppression is very important to prevent harmful harmon
6、ics and improve power quality, reduce pollution is very necessary. The harmonic generates reason, harmonic harm, suppression method and harmonic source models of ship power system are introduced in this paper, the model constitute by three-Phase programmable Voltage Source, Synchronized 6-Pulse Gene
7、rator, Universal Bridge and Series RLC Load. Because of a large number 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. First of all, the research background and significance of the ship power sy
8、stem 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 methods of harmonic. Secondly, having a simple introduction to ship power systems, the characteristics of ship power
9、system are explained, the ship power system harmonic source is also carried out introducing, modeling with MATLAB/Simulink software, the harmonic current that the A mutually generates harmonics frequency spectrum are obtained by Fourier transform, thus obtained the containing rate of all the harmoni
10、cs. Finally, Because the currents 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 .And using passive filter and active filter to filter the harmonic respectively, compared with THD before and
11、 after filtering of harmonics, obtained the filtering effect of the filter. Compared with THD before and after filtering of harmonics by passive filter and active filter, thus active filter more effective than passive filter. Key words: marine electric network harmonic source MATLAB / Simulink model
12、ing active filter IV 目录 第一章 绪 论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 谐波 . 1 1.2.1 谐波的基本概念 . 1 1.2.2 谐波产生的原因 . 2 1.2.3 谐波的危害 . 2 1.2.4 谐波指标 . 3 1.2.5 功率因数 . 3 1.3 国内外对谐波的相对标准 . 4 1.4 谐波的检测及抑制方法 . 4 1.4.1 谐波检测的发展历史 . 4 1.4.3 谐波检测方法分类 . 4 1.4.3 抑制谐波的措施 . 4 1.5 本课题的主要研究内容及方法 . 5 第二章 船舶电力系 统的谐波源建模 . 6 2.1 MATLAB 软件简介
13、 . 6 2.2 船舶电力系统简介 . 7 2.2.1 电源 . 7 2.2.2 配电装置 . 7 2.2.3 输电装置 . 7 2.2.4 用电设备 . 7 2.3 船舶电力系统的特点 . 7 2.4 谐波源的简介及建模 . 8 2.4.1 船舶电力系统产生谐波的原因 . 8 2.4.2 谐波源模型 . 8 2.5 傅里叶变换 . 8 第三章 滤波器的设计 . 9 3.1 无源滤波器 . 9 3.1.1 无源滤波器的简介 . 9 V 3.1.2 无源滤波器的设计 . 9 3.1.2.1 单调无源滤波器 . 10 3.1.2.2 高通滤波器 . 11 3.2 有源滤波器 . 12 3.2.1
14、有源滤波器的简介 . 12 3.2.2 有源电力滤波器设计 . 13 3.2.2.1 有源电力滤波器的工作原理 . 13 3.2.2.2 有源电力滤波器的分类 . 14 3.2.2.3 有源电力滤波器的设计模型 . 16 3.2.2.4 有源电力滤波器的发展趋势 . 16 3.3 谐波源仿真及滤波 . 17 3.3.1 谐波源仿真 . 17 3.3.2 无源滤波器仿真 . 18 3.3.3 有源电力滤波器仿真 . 19 第四章 总结 . 22 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献： . 22 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景及意义 随着工业的快速发展，使电力电子技术获得飞速发展 ,在工业
15、、交通、办公于民用建筑等不同系统中得到大量应用。大量应用在船舶电力系统中具有非线性和时变特性的负载，使船舶电力系统的电能质量下降，无功功率、高次谐波污染日益严重，已经直接影响到了船舶运行的经济性、安全性与可靠性 1。因此，对船舶电力系统谐波源、谐波的研究，谐波 分量的分析并设计一个有效的滤波器对抑制谐波是十分重要的，对提高电能质量，减少谐波污染也是十分必要的。 对于船舶电力系统而言，大幅度增加电力电子装置的应用，同时装置的容量也是越来越大，而这些大容量的电力电子非线性电力装置使得电力电子设备的能耗占船舶电气总能耗的比例大大提高，使船舶电网的谐波污染也变得更加严重，更加难以预计。然而最关键的是电
16、力系统对船舶的各个系统都有着或大或小的联系，是船舶各系统中极为重要的组成部分，它直接影响着船舶运行的性能。 滤波器是消除谐波的有效工具，在这个谐波危害越来越严重的时代，滤波器 的推陈出新是必需的，因此从电力电子技术本身入手来减少谐波污染和提高功率因数的思路得到了专家的普遍重视。同时作为一种新型的补偿装置 ,有源电力滤波器因为它对电网负载、系统参数变化的适应能力和较快的反应速度被认为是 21 世纪最具发展潜力的无功补偿和谐波补偿方法2。 还有就是有源滤波器的性能和它各方面的优点，使它能够在许多领域都能得到广泛使用，它不仅能减少谐波对公用电网的污染，减少对变压器工作的影响，提高继电保护装置的可靠性
17、，还能够减缓电网金属化膜电容器老化的速度和输电线路功耗，从某种角度来说是促进了各领域的发展 ，提高环境质量。对船舶电力系统而言，能提高电能质量，降低电能损耗，减小因谐波而可能产生的一系列严重后果，例如引起一些重要的控制装置和保护装置的误动，电力设备过载或被破坏，破坏改善功率因数的电容器组等。 1.2 谐波 1.2.1 谐波的基本概念 简单说来，谐波就是一种频率是基波频率整数倍的正弦波。在 国际上 ， 谐波公认的定义是 “ 谐波是一个周期电气量的正弦波分量 ,也可以说谐波为周期分量的傅里叶级数中大于 1的n 次分量 ,其频率为基波频率的整数 倍” 3。 根据这一 定义 就可知 谐波 的 次数一定
18、是正整数 ,不 会 出现非整数次谐波的情况 ， 就以 我国为例 ,我国电力系统额定频率是 50Hz,也就是说 ,2 次谐波 频率 就 只能是 100Hz,3 次谐波 的频率 就 是 150Hz,以此类推 4。电力系统中的谐波以 5 次、7 次等奇次谐波为主，偶次谐波也是存在的但是都比较小；传船舶电力系统中谐波同样是以 5次、 7 次得奇次谐波为主，偶次谐波为辅。 谐波 是伴随着 电网诞生 的 ，因为发电机和变压器 等设备 都会产生少量的谐波。但是 随着能 产生大量谐波的用电设备 的 不断增加， 同时在 电网中 大量 使用 的 并联电容器 使 谐波放大，使得谐波的影响越来越严重，人们 才对谐波引
19、起足够的 重视。 1.2.2 谐波产生的 原因 2 谐波的产生的原因是多种多样的，比较常见的有两种： 第一 种 是非线性负荷产生谐波 。 例如 开关电源、 可控硅整流器 等 这 类负荷产生的谐波频率 都是 工频频率的整数倍 ，像 三相六脉波整流器所产生的 谐波主要就是 5 次 谐波 和 7 次谐波，而三相 12 脉波整流器产生的主要是 11 次 谐波 和 13 次谐波 。 第二 种 是 由 逆变负荷 而 产生谐波 。 例如变频器 、中频炉等等 ，这一类负荷不仅 会 产生整数次 的 谐波，还 会 产生频率为逆变频率 2 倍的分数 次 谐波 ，就像 使用三相六脉波整流器 ， 工作频率为 820Hz
20、 的中频炉 ，它 不仅 会 产生 5 次和 7 次谐波，还 会 产生频率为 1640Hz 的 分数谐波 5。 1.2.3 谐波的危害 接入电网中的非线性装置会产生谐波电流，谐波电流注入到电网中，就会产生严重的危害。这些危害主要表现在以下 6 个方面 6 7 8: （ 1）污染公共电网 假如公用电网中的的谐波很严重，那么不但接入这个电网中的设备不能正常工作，还可能造成故障，同时会导致对电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响到电力的正常输送。还有可能使电网中的电容器发生谐振，将谐波电流放大几倍或者几十倍，从而导致电容器和跟它串联的电抗器等设备都被烧毁。 （ 2）影响变压器工作 谐波电流，尤
21、其是 3 次谐波 电流如果注入到三角形连接的变压器中，就会在变压器的绕组中形成一个环流，使绕组产生过多的热量。如果是 Y 形连接中性线接地系统， 3 次谐波电流就会使中性线过热。 （ 3）影响继电保护装置的可靠性 如果继电保护装置是按基波负序量整定的，那么谐波干扰如果叠加到了极低的整定值上就可能引起负序保护装置的误动，影响到整个电力系统的安全。 （ 4） 增加输电线路功耗 电网中的高次谐波电流会使输电线路功耗大大增加。如果输电线路是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大 10到 20 倍，而感抗仅为其 1/3到 1/2，很容易形成谐振，造成 绝缘击穿。 （ 5）对电机的影响 谐波电流通
22、过电动机时，不但会使电动机的损耗增加，还会使电动机的转子发生谐振，发生转速不稳，噪声增大的现象，严重影响到电动机的正常的出力和其使用得寿命，影响到机械加工出来产品的质量。 （ 6） 对通讯系统设备的影响 对电子设备和通信设备都会产生严重的干扰，对系统中的控制保护设备及检测装置造成很大影响，尤其是利用相位或频率原理工作的一些保护装置和控制装置，有可能出现保护误动的现象。 由于船舶电网线路很短，负荷密度又大，高次谐波有很大概率会在船舶电力系统中发生谐振现象，在线路上引起过电 压，从而造成全船电网的谐波污染。船舶的输电系统基本上是由电缆构成的，对采用电缆构成的输电系统而言，谐波除了会引起附加损耗以外
23、，还可能出现尖峰，加快电缆绝缘的老化，缩短电缆的使用寿命。 1.2.4 谐波指标 衡量电网中谐波含量的大小指标有两种：第一种是总的谐波畸变率；第二种是各次谐波3 的在基波中的含有率 13。 波形总畸变率 畸变率指各次谐波均方根值的平方根值与基波均方根值的百分比。电压总谐波畸变率 THDu和电流总谐波畸变率 RHDi是被广为接受的两个描述畸变功率的参数。 它们的定义式为： 22 100%nnIUT H D u U (1-1) 22 100%nnIIT HD i I (1-2) 各次谐波含有率 HR 是谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，也就是谐波含有率。 n 次谐波电压含有率用为： 100
24、%nn IUHRU U(1-3) 式中的 Un为第 n 次谐波的电压的有效值， UI为基波电压的有效值。 n 次谐波电流含有率用为： 100%nn IIHRI I(1-4) 式中的 In为第 n 次谐波的电流的有效值， II为基波电流的有效值。 1.2.5 功率因数 传统的功率因数的定义是在线性负载 (如电阻、电感等 )条件下得到的。当时，交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波，相位差为 ，功率因数 cos 。后来由于大量使用交流电动机和各种电磁开关以及照明用电大量使用日光灯等感性负载，产生电网谐波，功率因数与功率损耗之间的关系才引起人们的重视。 222 DQPUIS (1-5) 式中的 U
25、和 I 分别是电压和电流的有效值， P 是有功功率， Q 是无功功率， D 是畸变功率，S 是电气设备的最大可利用容量。而有功功率 cosP UI 即其平均功率的最大值是 S， P 越接近 S，表示电气设备的容量被越充分的利用。为了表示 P 接近 S 的程度，定义有功功率和视在功率的比值为功率因数，即： SP (1-6) 从上述的公式（ 1-5）和（ 1-6）中不难看出：只要将（ 1-5）式中 Q 和 D 两个参量取最小值，就可使功率因数 最大化。我国船级社对功率因数的新规定中，有些方面要求 0.9 以上 13。 1.3 国内外对谐波的相对标准 在研究谐波和滤波器的同时 为了保证电网和用电设备
26、的安全、稳定、经济运行 ,许多国家、国际组织以及一些大 型 电力公司都制定了相应的谐波标准 ,其中 具有 较有影响的是IEEE519-1992 和 IEC555-2。在 1984 年， 我国水利电力部 门就 颁发了电力系统谐波管理暂4 行规定。到 了 1994 年 ,国家标准 GB/T14549-93电能质量公用电网谐波 也 正式颁布。虽然各谐波标准都不 有 相同 ,但都是大同小异 ,这些 标准的都是基于以下三个目的 :(1)把 电力系统中的 电流和电压波形的畸变 控制 在 系统 和其 所接设备能够 承受 的 范围以内 。 (2)用 符合用户需要的电压波形 对 用户 进行 供电。 (3)不干扰
27、其他系统 (如通讯系统 )的正常工作 8。 我国的舰船通用规范 3 组电力系统中对交流电力品质特性参数规定为：船舶电力系统 (对于 50Hz，有效值为 380V 或 220V 而言 )，正弦波形畸变率不得超过 5%，单次谐波最大含量要低于 3%；三相线电压的平均值允差是 5%，线电压不平衡允差为 3%，电压的周期性变化允差为 2%，瞬态电压允差为 6%。在正常状态下，对用单相或三相设备等组合而成的用电装置，其输入电流不平衡度要低于 5%。由虽然船舶电力系统工作状态要频繁的变化，启动设备也很多，但是最大浪涌电流所导致的界面电压也不应超过用电设备的额定电压的 10%。 1.4 谐波的检测及抑制方法
28、 1.4.1 谐波检测的发展历史 对谐波的检测历史可分为三个阶段： 第一阶段是从 19 世纪初至 20 世纪 40 年代，主要是依靠对实测波形进行傅里叶计算的方法，即利用信号波形的录波图，人工手动等间隔地量取数值，然后采用手算进行谐波分析计算，过程是费时费力，同时精确度很低，谐波分析次数也不高。 第二阶段是 50 年代至 80 年代，选频测量技术在这个时期获得广泛的应用，相 应的研制了一系列选频式测量谐波的仪器仪表，测量的方式是利用失真度式的仪器测量谐波总畸变量，用外差选频式仪器逐项测试各次谐波的分量，用带通滤波式逐次选取各次谐波分量。这种谐波分析方法虽然比早期的人工分析方法有很大的提高，但测
29、试结果只能给出谐波幅值，不能测出相位，调节过程也较麻烦。 第三阶段是 80 年代至今，由于集成电路，微处理器及计算机的迅速发展，生产了一系列基于傅里叶变换的谐波分析仪和频谱分析仪，这类设备测试操作简单方便，计算结果快速准确，可以同时进行多路测量，具有较大的优势 9。 1.4.3 谐波检测方法 分类 现有的谐波检测法按原理大致可分为：基于瞬时无功功率理论的谐波测量法、基于神经网络的谐波测量法、基于傅里叶变换的谐波测量法、基于小波变换的谐波测量法和模拟滤波检测法。 1.4.3 抑制谐波的措施 对谐波的抑制主要措施主要有 3 种 4： 受端治理：即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗干扰能力
30、。 主动治理：即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生谐波。这是三种治理方法中最好的一种。 被动治理：即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波并注入电网，或者阻碍电力系统谐波注入负载端。这是现在最常用 、最普遍的方法。 1.5 本课题的主要研究内容及方法 本课题研究的主要内容是分析总结船舶电力系统高次谐波的特点及其危害，综述船舶电力系统中的谐波检测方法和抑制方法，并比较这些方法存在的优缺点。利用 MATLAB/Simulink5 建模软件，建立一个谐波源模型：模型由三相交流电源、 6 脉冲整流器、整流桥和感性负载等器件构成，仿真产生高次谐波信号（包括电压和电流），采用快速傅里叶变换方法
31、得出频谱图，分析各次谐波的含有率及总谐波含有率，最后采用无源滤波器、有源滤波器分别对谐波进行相应的抑制，对比分析滤波前后的谐波含有率， 得出滤波器的滤波效果 首先，介绍了船舶电力系统谐波的研究背景及意义、谐波的基本概念、产生原因及危害、国内外对船舶电力系统谐波的相对标准、谐波的检测和抑制方法。 其次，对船舶电力系统进行了简单的介绍，阐明了船舶电力系统的特点，同时还对船舶电力系统中的谐波源也进行了简要介绍，并用 MATLAB/Simulink软件进行了建模，对其 A相产生的谐波电流采用傅里叶变换方法得出频谱图，从而得到该谐波电流的总谐波含有率 HR和电流波形畸变率 THD。 最后，由于该电流畸变
32、较严重，谐波含有率远远大于谐波国家标准，因此本文设计了滤波器并用其来进行滤波。并用无源滤波器和有源滤波器分别对谐波进行滤波，得出电流波形及其频谱图，再对比分析滤波前后的总谐波含有率，说明滤波器的滤波效果。 通过对无源滤波器和有源滤波器分别滤波后的电流波形进行对比，从而得出有源滤波器的滤波效果比无源滤波器要好。 主要以图书馆中的书籍和资料以及网上丰富的资源为依托，定期向指导老师汇报、咨询，探讨与听取指导老师的意见，解决设计中所遇到的问题。 第二章 船舶电力系统的谐波建模 2.1 MATLAB 软件简介 目前，在国际流行的科技应用软件中，数学类型的 软件多达几十款，但是从他们的数学处理的原始内核来看，不外乎就两种类形：数值计算型和数学分析型。 数值计算型的有
