摘 要

随着现代社会科技的蓬勃发展，人们对优质电能的需求量是日益增多。为了解决传统无源滤波器由于在长期使用的过程中电抗器无法随着电容容量的变化而改变，导致系统失谐和滤波效果降低的问题，本文以PLC作为控制器，设计了一种新型的无源动态调谐滤波器。主要取得的如下成果：

对无源动态调谐滤波器进行总体方案设计，依据无源动态调谐滤波器拓扑结构，规划了总体设计方案要求，还完成了主电路的结构设计与参数设计。

对无源动态调谐滤波器控制系统进行的硬件设计，主要包括了操作回路、脉冲触发电路和谐波采集电路的设计等，还分析了每个硬件电路的工作原理，还 分配了PLC输入和输出通道。

在上述基础上完成了软件设计，主要包括PLC主程序及D/A转换程序等一系列子程序的设计。

关键词：无源动态调谐滤波；PLC；无功补偿

Abstract

With the rapid development of modern society and science and technology, people's demand for high quality electric power is increasing. In order to solve the problem that the traditional passive filter can not change with the change of capacitance capacity in the long-term use process, resulting in system detuning and the problem of reducing the filtering effect, this paper uses PLC as a controller to design a new type of Passive dynamic tuning filter. The main results obtained are as follows:

The overall scheme design of the passive dynamic tuning filter is based on the passive dynamic tuning filter topology, and the overall design scheme requirements are planned. The structure design and parameter design of the main circuit are also completed.

The hardware design of the passive dynamic tuning filter control system mainly includes the operation loop, pulse trigger circuit and the design of the harmonic wave acquisition circuit. It also analyzes the working principle of each hardware circuit and also allocates the PLC input and output. aisle.

On the basis of the above, the software design is completed, which mainly includes the design of a series of subroutines such as PLC main program and D/A conversion program.

Keywords：Passive dynamic tuning-filter; PLC; Reactive power compensation

目 录

第1章 绪论 4

1.1 课题研究的意义及背景 4

1.2 课题的研究现状 4

1.3 本文主要研究内容 5

第2章 无源动态调谐滤波装置的总体方案设计 6

2.1 无源动态调谐滤波装置控制系统的设计要求 6

2.2 无源动态调谐滤波装置的原理和总体结构 6

2.3 无源动态谐波滤波装置的主电路 8

2.4 无源动态调谐滤波装置控制系统硬件结构 9

2.5 控制系统的硬件选型 10

2.6 谐波滤波装置PLC控制系统方案设计 11

2.7 本章小结 12

第3章 无源动态调谐滤波器控制系统硬件设计 13

3.1 三相电参数采集电路设计 13

3.2 操作回路的设计 15

3.3 脉冲触发电路设计 16

3.4 PLC输入/输出电路设计 17

3.4.1 PLC开关量输入电路设计 17

3.4.2 PLC开关量输出电路设计 19

3.4.3 PLC模拟量输出电路设计 20

3.5 远程监测报警电路设计 21

3.6 本章小结 21

第4章 谐波滤波PLC控制系统的软件设计 22

4.1 系统功能模块设计 22

4.2 主程序设计 22

4.3 子程序设计 24

4.3.1 初始化子程序设计 24

4.3.2 数据采集子程序设计 24

4.3.3 数据处理子程序设计 25

4.3.4 显示子程序设计 26

4.3.4 电容器组投切子程序设计 26

4.3.5 电抗器调节子程序设计 28

4.3.6 故障与报警子程序设计 28

4.4 本章小结 29

第5章 无源动态谐波滤波器的系统仿真分析 30

5.1避免过补偿的调谐性能的仿真分析 30

5.2 本章小结 32

总 结 33

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1 课题研究的意义及背景

现如今，电能已是绝大多数人生产生活时所必需的了。随着用电规模不断扩大，电网中投入了大量的非线性负载，这对电网造成了巨大的威胁，同时也加大了对优质电能的需求。在电网中运行的非线性负载产生了大量的谐波电流，这对电网系统造成了巨大的危害，这些谐波电流导致了生产生活中各种用电设备的有功功率损耗加大，同时还降低了电能的生产、传输效率。在工业生产中，谐波电流会导致生产设备过热，甚至烧毁生产设备，造成重大损失，使生产效率大幅下降，对经济发展的影响极为不好。因此关于电网中谐波的治理的研究意义非凡^[1][2]。

大量的非线性设备广泛应用在各种电力系统中，导致电力系统中产生了非常大量的谐波。谐波的危害很是严重，比如会使电能使用效率急剧下降、高温烧坏电气设备、产生一定的噪声污染、使绝缘层发生老化、缩短使用寿命等；并联谐振或串联谐振可能会发生在电力系统的局部部分，这将放大一些次数的谐波，并导致电力系统的稳定性被破坏。此外谐波还可能对自动化设备和继保装置造成影响，造成其发生误操作，进而影响电能计量装置的精确度。

高质量的电能对各个方面都十分重要。伴随着经济的发展，电力负荷中增加了许多谐波源。同时，对清洁电网的需求也在不断增加，使得电网更加高效、快速的发展，将对国民经济的稳定发展起到保护作用。抑制谐波一般是采用无源滤波器或者有源滤波器。在一些低压电力系统中，传统无源滤波器在电网中运行一段时间后，电容值会因为电容器自身老化和温度等因素的影响而改变，由于电力电子器件的影响，有源滤波器的电压和容量非常有限。有源滤波器可以通过滤波来改善和优化其滤波性能，但会使结构变得更加复杂，增加成本^[3]。

针对上述问题，开发了一种基于PLC的无源动态调谐滤波装置。当谐波频率变化或因老化引起的电容器参数变化时，可以达到理想的滤波效果，有效地提高了电源的质量。

1.2 课题的研究现状

由于电能被广泛用作不可缺少的二次能源，人们已经开始意识到电力系统中波形失真问题的严重性。通过循序渐进的研究，一些成本低廉、结构简单的过滤装置被广泛应用于人们生产和生活的设备中。谐波问题的最佳解决方案就是在谐波源和最近谐波源的末端的位置进行局部补偿。目前使用的主要滤波补偿设备有以下3种：无源滤波器（PF），有源滤波器（APF）和混合滤波补偿器（HAPF）^[4]-[6]。

1.3 本文主要研究内容

本文所研究的内容结合了一些前人所研究的成果，提出一种无源动态调谐滤波方案，重点完成系统总体方案设计、硬件选型和软件设计等，再使用Matlab进行了仿真。

全文总共有6章，各章主要内容如下：

第1章绪论。介绍了本文的研究背景和科学意义，阐述了谐波危害性的和相关的抑制方法，并提出一种新型的无源动态调谐滤波方法。

第2章无源动态调谐滤波器的总体方案设计。对无源动态调谐滤波装置的工作原理进行了叙述，并在分析其拓扑结构的基础之上，提出了几条设计要求。分别从硬件和软件两方面，对无源动态调谐滤波器进行总体方案设计。

第3章无源动态调谐滤波器控制系统硬件设计。依据无源动态调谐滤波器控制系统的总体设计方案，对控制系统进行了硬件设计，主要包括有系统的控制回路、触发电路、谐波采集模块电路以及具体元器件的选型。之后再依据电路设计对PLC的输入输出通道进行分配。

第4章谐波滤波PLC控制系统的软件设计。采用PLC完成控制器的软件编程，同时要依据无源动态调谐滤波器的各种功能需要，运用组态软件设计界面。

第5章无源动态谐波滤波器的系统 。通过使用Matlab仿真获得一系列试验数据，验证滤波效果和防止过补偿的效果。

第6章总结。总结整篇论文，指出设计中存在的不足。

第2章 无源动态调谐滤波装置的总体方案设计

首先介绍无源动态调谐滤波装置的基本工作原理，再阐述其设计要求并依据拓补结构设计出总电路，然后还介绍了控制器硬件的设计，最后简单的叙述PLC控制系统的设计。

谐波滤波装置的控制系统主要包括控制器PLC及其扩展的I/O接口和D/A转换模块、上位机、电量采集模块、脉冲出发模块、功率变换模块、电源模块，其控制系统框图如图2.1所示。

图2.1 控制系统框图

控制器

PLC

上位机

电

量

采

集

脉冲触发

模块

功率变

换模块

电源模块

中间

继电器

交流

接触器

I\O

接口

D\A

转换

电流、电压互感器

2.1 无源动态调谐滤波装置控制系统的设计要求

依据时变性负载的谐波特性，无源动态调谐滤波器控制系统应满足可实时检测谐波电流的变化，并且可以迅速实时动态地滤除谐波电流。具体设计要求如下：

（1）实时检测滤波支路中基波电流、电压、谐波电流及谐波源负载侧电压、基波电流、谐波电流等电能信号；

（2）可实时投切电容器组和调节电抗变换器一次侧绕组的输出电感值，以应对时变性负载不同时刻谐波电流的变化情况，滤除谐波电流同时避免过补偿；

（3）交互性好，易于使用，可实现远程监控和报警。

2.2 无源动态调谐滤波装置的原理和总体结构

无缘动态调谐滤波装置中，所谓无源就是只用电容电感等无源类型的器件，动态是指电感可调节。装置的核心是控制器，其余主要部分还包括电量传感器、脉冲触发板、中间继电器等^[8][9]。无源动态调谐滤波装置总体结构图如图2.2所示。

图2.2 无源动态调谐滤波装置总体结构图

如图，是负载支路总谐波电流，是滤波支路的总谐波电流，当流入电网中的谐波电流最小，即值达到最大时，装置的滤波效果最理想。流过的滤波支路由断路器Q01（用来接通交流电源）、电流互感器、交流接触器KM0、可变电抗器的初级侧、熔断器FS和滤波电容器C组成。电力电子功率变换器的两端相连在可变电抗器的二次侧，从脉冲触发板输出的脉冲信号引出到电力电子功率变换器上。

无源动态调谐滤波装置具体工作原理如下：先是由电量传感器采集三相电压和滤波器支路中每个谐波电流的有效值，将所需数据通过Modbus协议传送到控制器上。然后控制器经过分析后再通过中间继电器输出开关信号引至接触器从而控制电容器的投切；同时根据电网中谐波电流的大小，以0~5V的模拟量信号来作为脉冲触发板的给定信号来改变电力电子功率变换器导通角，进一步改变串入滤波支路的可变电抗器感抗值大小，达到滤除电网中的谐波的目的^[10]。

具体参数是依据LC串联谐振原理，谐振频率为：

（2.1）

为保持谐振频率不变，可以使投入系统的滤波电容不变，并且调节可变电抗器一次侧的电感值。当满足（2.1）方程式时，滤波器分支将完全吸收电网中的谐波，从而具有滤除谐波的作用。

其中C的依据是滤波器电容安装容量越小，滤波器投资就越少，最小滤波电容安装容量为：

（2.2）