摘 要

随着电力的普及以及不断地应用，电能已经成为了目前最主要的使用能源，而随着电能使用率的不断提高，一些问题也随之凸显了出来，比如电网中电力电子设备以及大容量的非线性负载的不断增多，电网中的谐波问题也越发的复杂与严重，谐波属于一种能量污染，如果放任不管，会造成很大的危害，比如会损坏设备，造成系统的误判等等，所以谐波的治理也越发的重要起来。本次研究的主要内容便是设计一个基于PLC控制的无源动态调谐滤波器，因为普通的单调谐滤波器的电容会随着使用的时间以及环境的改变而造成电容值变小的问题，这样就会造成谐振点偏移，从而使滤波效果下降，所以就须要设计一款电抗器可以调节的滤波器解决这个问题。

本文主要完成的内容大致分为四个部分，

（1）无源动态调谐滤波器的主电路设计。主电路主要分为两个部分，有可变电抗器原边电路，包括电容器组和可变电抗器以及投切开关这些构成，然后就是可变电抗器的副边电路，主要由反向并联晶闸管以及保护电路构成，最后就是控制电路的电气设计，主要内容有开车停车按钮，以及各种情况的指示灯电容投切的电路等等构成。

（2）无源滤波器的控制系统设计。控制器选择的是西门子S7-200，程序的主要任务就是谐波信号的采集与处理，控制电容器的投切这些功能。

（3）滤波器仿真。本次设计中采用的仿真软件是MATLAB，这款软件功能强大，而且模型库中有各种电气设备的某型，只需要选择需要的模型，并将其按照设计好的系统拓扑图连接后，设置好参数既可仿真，可以用示波器等模型检测仿真线路中的功率和电流电压等波形，通过不断改变参数加分析波形就可以分析出结果，不需要实物就可以进行实验，大大方便和简化了工作，系统的仿真模型主要分为三个部分，三项电源，非线性负载以及无源动态调谐滤波器，这些部分都可以用模型库中的模型直接搭建。

（4）系统的改进与优化。使用寿命较短的器件或者结构可以采取改变结构等方法进行替换，使系统的成本和性能指标相对更符合实际情况。

本次研究将更好的推动无源滤波器的发展，使之不仅仅有滤波功能，还具有自动调节的能力，随着科技的不断发展，自动控制必然会在越来越多的事务上体现，另外本次设计也更加有利的契合了当下节能减排的社会总体趋势，具有良好的应用前景和价值。

关键词：PLC；无源滤波器；动态调谐；电容投切

Abstract

The theme of this design is based on PLC-based passive filter research. With the popularity of electric power and its continuous application, electric energy has become the most important energy source at present, and with the increasing popularity of electric energy usage, some problems have also become prominent, due to power electronics and non-linear loads in the power grid. The ever-increasing number of harmonics in the power grid is becoming more and more complicated and serious. Harmonics is an energy pollution. If left unchecked, it will cause great harm, such as damage to equipment, misjudgment in the system, etc. Therefore, the governance of harmonics is becoming more and more important. The main content of this research is to design a passive dynamic tuning filter based on PLC control, because the capacitance of ordinary single-tuned filter will have smaller capacitance value as the time of use and environment change. This will cause the resonance point to shift, which will reduce the filtering effect, so it is necessary to design a filter that can be adjusted by the reactor to solve this problem.

The main content of this thesis is roughly divided into four parts.

(1) The main circuit design of the passive dynamic tuned filter. The main circuit is mainly divided into two parts, including the primary circuit of the variable reactor, including the capacitor bank and the variable reactor and the switching switch, and then the secondary circuit of the variable reactor, mainly by the reverse The parallel thyristor and the protection circuit are constructed. Finally, the electrical design of the control circuit is mainly composed of a driving stop button and a circuit for switching the indicator capacitance in various situations.

(2) Control system design of passive filter. The controller selects the Siemens S7-200. The main task of the program is the acquisition and processing of harmonic signals, and the control of capacitor switching.

(3) Filter simulation. The simulation software used in this design is MATLAB. This software is powerful, and there are some types of electrical equipment in the model library. You only need to select the required model and connect it according to the designed system topology diagram. Set the parameters to simulate, you can use the oscilloscope and other models to detect the power and current voltage in the simulation circuit. By changing the parameters and analyzing the waveform, you can analyze the results. You can experiment without physical objects, which is greatly convenient and simplified. Work, the system's simulation model is mainly divided into three parts, three power supplies, non-linear loads and passive dynamic tuning filters, these parts can be directly built using the model in the model library.

(4) Improvement and optimization of the system. Devices or structures with short lifetimes can be replaced by methods such as changing the structure, so that the cost and performance specifications of the system are relatively more realistic.

This research will better promote the development of passive filters, so that it not only has filtering function, but also has the ability of automatic adjustment. With the continuous development of technology, automatic control will inevitably be reflected in more and more affairs. In addition, this design is more beneficial to the overall social trend of energy conservation and emission reduction, with good application prospects and value.

Keywords: PLC；passive filter；dynamic tuning；capacitor group switching

目 录

第1章 诸论 1

1.1 课题的研究背景和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究的意义 3

1.2 本次研究的主要内容 3

第2章 无源滤波器的原理与主电路设计 5

2.1 无源滤波器的原理 5

2.2 滤波器主电路设计 7

2.3 主电路硬件参数的计算 9

2.3.1 电容参数计算 9

2.3.2 电感参数计算 11

2.4 操作回路设计 11

第3章 无源滤波器的控制系统设计 13

3.1 控制系统的硬件设计 13

3.2 控制系统的软件设计 13

3.2.1 功能模块的设计 13

3.2.2 符号表的设计 14

3.2.3 梯形图的设计 15

第4章 滤波器仿真 18

4.1 仿真模型的构成 18

4.2 仿真模型的设计 18

4.2.1 三项电源的仿真模型设计 18

4.2.2 非线性负载的仿真模型设计 19

4.2.3 滤波器的仿真模型设计 19

4.3 系统模型的仿真 22

第5章 结论 23

参考文献 25

致 谢 26

第1章 诸论

1.1 课题的研究背景和意义

1.1.1 研究背景

电能自被开始使用直到现在，已经成为了现代生活中重要的能源之一，其作为一种良好的清洁能源，将来也一定会更加的与我们的生活紧密相连。但随着电能的大范围使用，很多问题也逐渐的凸显了出来，其中，谐波问题就是其中之一，谐波，是电网中除了频率大于50Hz的电压和电流，属于一种能量污染。

谐波的问题一直都存在着，但是到了上世纪五六十年代才被人们所重视，直到上世纪七十年代以后，由于各种电力电子装置的大规模应用，造成了谐波问题越来越严重，部分国家才开始研究，随后一些无缘滤波装置便应运而生，因为结构简单，价格低廉，所以有了广泛的应用。

要想治理谐波，首先要先明确产生谐波的具体原因，产生的原因有很多，第一，发电机造成的谐波，因为发电机难以保证三相绕组的绝对对称性，并且也难以保证铁芯的均匀一致，所以在发电时就会产生谐波。第二，在变电系统中的，存在着大量的电力变压器和换流站，在高压直流输电系统中，电能从三项电网中导出后，被换流站转换为直流电，然后传输到接收点后，然后换流站转换为交流电，最后输入到接收的交流电网中，因为换流站里使用了大量整流和逆变装置，所以这一过程产生了谐波。第三，在用电系统中有许多非线性负载，如变频设备，整流晶闸管等等，这些非线性负载也会造成大量的谐波。

谐波的大量存在会有许多危害，第一，谐波会增加设备的损耗，降低效率，对于电机这类设备来说，谐波会增加额外的损耗，并会引起设备过热，另外对于电容器组来说，随着频率升高，对电容器来说，会造成不容忽视的介质损害，对于输电线路来说，频率的升高会导致线路电阻增加，就会引起附件线损。第二，谐波会导致系统中出现一些异常现象，例如测量和计量的误差，特别是能够进行过零检测相位的仪器。此外，超高压长线上的谐波太大，这可能导致单相重合闸失效，导致事故。另外如果谐波分量很大，将导致保护误动和拒动。第三，谐波的存在会对通信系统造成干扰，比如当谐波的频率接近载波的频率的时候，电力线载波通信以及远动装置的信号传输过程会受到一定的干扰，这样会导致传输信号的质量降低，破坏了信号的正常传输。

1917年，美国和德国的科学家发明了一种使用串联电容和电感组成的无源滤波器，这直接导致美国第一个多路复用系统的出现，在二十世纪五十年代的时候无源滤波器逐渐发展成熟，到了六十年代以后，由于计算机技术，集成技术以及材料技术的快速发展，滤波器在低功耗，成本低廉，运行可靠，精度水平高这些方面又上了一个新的台阶。这些方面的发展使得各种滤波器技术迅速提升和发展，到七十年代的时候，各种滤波器已经可以被集成在单片上并且得到了很好的应用，八十年代的时候，主要专注于提升滤波器性能和扩大应用范围，到了九十年代的时候，主要专注把各类滤波器在不同场合和需求下的研发和应用。直到现在，滤波器依然在不断地发展完善当中。 我国对滤波器的研究大约起步于二十世纪八十年代左右，相对来时起步较晚。五十年代后期开始滤波器才逐渐的广泛在我国使用开来，虽然经过科研领域的人员在发展滤波器方面不懈的努力，但是受限于国内集成技术和材料技术这些方面的限制，我们在新型滤波器方面和国际顶尖水平仍有着不小的差距，需要我们继续努力。

滤波器的分类有很多，每种滤波器都有自己的优点和应用的场合。按原件来分的话可以分为有源滤波器、无源滤波器、混合滤波器、机械滤波器、晶体滤波器等等。按信号处理方式来分的话可以分为模拟滤波器和数字滤波器，按通频带分类可以分为低通、高通、带通、带阻滤波器等等。本次研究设计的是无源滤波器，所以下面着重介绍有源无源滤波器的主要组成和各自的优缺点。

无源滤波器，也称为LC滤波器，是使用电阻器和电容器组合来滤除特定频率谐波的滤波器。最常见的结构是将电感器串联连接到电容器，使其谐振到特定频率。谐振状态下可以形成低阻抗，从而可以分流谐波以实现滤波。无源滤波器的优点是结构简单，成本低，运行可靠稳定，且容易维护。到目前为止，我国治理谐波这一块很多行业主要使用的就是无源滤波器，比如钢铁行业，另外电源转换市场也主要基于无源滤波，但无源滤波也有缺点。例如，无源滤波受系统阻抗的严重影响，存在谐波放大和谐振以及无源滤波器谐振点的危险。当谐振点偏移时，滤波器效应降低，无源滤波器可能因过载而损坏。

有源滤波器是用于动态谐波抑制和无功功率补偿的电力电子设备。它能够降低不同大小和频率的谐波在电网中的含量，以及补偿不同的无功功率。使用有源滤波器，可以提高通信系统和配电系统的稳定性，并延长设备的使用寿命。有源滤波器是一种新型的功率控制设备，它由现代电力电子技术和基于DSP的高速数字信号处理技术组成。它主要包括基于命令的计算方案和补偿电流产生方案。电流计算电路，用于采集和处理的主电路信号，基本上接收补偿电流产生电路处理后的信号并驱动电源模块，电流与注入电网谐波幅度的功率相等且极性相反，以抵消谐波功能。有源滤波器主要用于通信行业，半导体行业和石化行业。虽然无源滤波器可以消除各次谐波，但它们也有太昂贵且受硬件限制的缺点，并且不能用于大容量应用。

1.1.2 研究的意义

正因为电网谐波会对配电系统以及用户造成很大的危害，所有要使用滤波装置去解决这些问题，无源滤波器具有大容量和价格低的优势，本次研究的课题就是基于PLC的无源滤波器，可以根据电容值的变化改变可变电抗器，使系统一直可以保持在谐振状态。因为普通的无源滤波器的电容与电阻的值是固定不变的，这样就带了两个问题，第一是电抗器值的固定，当电容值随着使用或者环境的改变而导致电容值降低时，电抗器没办法随之做出调整，这样就会使谐振点偏移，造成滤波能力的下降。第二是无功补偿的问题，电容的存在会使滤波器拥有无功功率补偿的功能，但如果是普通的无源滤波器，电容容量是固定的，当负荷处于低峰的时候，系统中感性无功功率比较低，滤波器提供的无功功率又比较高，这样的情况就会使得容性无功向电网中输送，相反的，当负荷高峰的时候系统中的感性无功功率又会很高，这时滤波器提供的无功功率又会不足，又会造成系统的功率因素偏低，造成许多设备的损耗，所以，为了解决传统无源滤波器的上述两个缺陷，基于PLC的无源动态调谐滤波器变得尤为重要。

所以，本次研究不仅可以改善用电情况，保护设备，还实现了电抗器的电抗值的可调节，符合目前节能减排的社会大环境，具有很好的研究意义和市场前景。

1.2 本次研究的主要内容

本次设计要选择合适的PLC，设计单调谐无源滤波器的结构方案，在此基础上研究电容器组的投切方法，完成系统的硬件电路以及软件设计，最终实现随着电网谐波含量的变化对应电容投切和电抗自动调节的功能，最终的目的是使电网中特定频率的谐波含量将至国家规定范围以内。

本次设计主要分为六章来进行编写，主要进行无源动态调谐滤波器的软硬件设计，仿真以及优化等工作，各章的主要内容如下：