Реализовать четыре типа трехфазных гармонических фильтров с использованием компонентов RLC
Simscape / Электрический / Специализированные Энергосистемы / Passives
Блок трехфазного гармонического фильтра моделирует трехфазные гармонические фильтры, которые являются шунтирующими элементами, используемыми в энергосистемах для уменьшения искажения напряжения и для коррекции коэффициента мощности. Нелинейные элементы, такие как силовые электронные преобразователи, генерируют гармонические токи или гармонические напряжения, которые вводятся в энергосистему. Результирующие искаженные токи, протекающие через полное сопротивление системы, приводят к искажению гармонического напряжения. Гармонические фильтры уменьшают искажения за счет отвода гармонических токов в низкоимпедансных трактах. Гармонические фильтры являются емкостными на основной частоте, поэтому они также используются для получения реактивной мощности, требуемой преобразователями, и для коррекции коэффициента мощности.
Для достижения приемлемого искажения параллельно соединяют несколько банков фильтров разных типов. Наиболее часто используемые типы фильтров:
Полосовые фильтры, которые используются для фильтрации гармоник самого низкого порядка, таких как гармоники 5, 7, 11 и 13-го порядка. Полосовые фильтры могут настраиваться на одной частоте (однонаправленный фильтр) или на двух частотах (двухнаправленный фильтр).
Фильтры верхних частот, которые используются для фильтрации гармоник высокого порядка и охватывают широкий диапазон частот. Специальный тип фильтра верхних частот, фильтр верхних частот С-типа, используется для обеспечения реактивной мощности и исключения параллельных резонансов. Он также позволяет фильтровать гармоники низкого порядка (например, 3-й), сохраняя при этом нулевые потери на основной частоте.
Блок трехфазного фильтра гармоник построен из элементов RLC. Значения сопротивления, индуктивности и емкости определяются из типа фильтра и:
Реактивная мощность при номинальном напряжении
Настройка частот
Коэффициент качества. Коэффициент качества является мерой резкости частоты настройки. Определяется значением сопротивления.
Ниже показаны четыре типа фильтров, которые можно смоделировать с помощью блока трехфазного фильтра гармоник:
Простейшим типом фильтра является однонаправленный фильтр. На следующем рисунке приведено определение коэффициента качества Q и формулы для вычисления реактивной мощности QC и потерь (активная мощность P). Коэффициент качества Q фильтра - это коэффициент качества реактивного сопротивления на частоте настройки Q = (nXL )/R. Коэффициент качества определяет полосу B пропускания, которая является мерой резкости частоты настройки.
| Настроенный гармонический порядок | n = fn/f1 = |
| Коэффициент качества | Q = nXL/R = XC/( nR) |
| Пропускная способность | B = fn/Q |
Реактивная мощность при f1 | QC = (V2/XC)· n2/( n2 - 1) |
Активная мощность на f1 (потери) | P ≈ (QC/Q)· n/( n2 - 1) |
где:
f1 = основная частота
λ = 2.df1 = угловая частота
fn = частота настройки
n = гармонический порядок = (fn/f1)
V = номинальное линейное напряжение
XL = реактивное сопротивление индуктора на основной частоте = Lλ
XC = реактивное сопротивление конденсатора на основной частоте = 1/( Cλ)
Двухнастроенный фильтр выполняет ту же функцию, что и два однонастроенных фильтра, хотя имеет определённые преимущества: его потери значительно ниже, а величина импеданса на частоте параллельного резонанса, возникающего между двумя частотами настройки, ниже.
Фильтр с двойной настройкой состоит из последовательной LC-схемы и параллельной RLC-схемы. Если f1 и f2 являются двумя частотами настройки, то и последовательная схема, и параллельная схема настраиваются приблизительно на среднюю геометрическую частоту, f1f2.
Коэффициент качества Q сдвоенного фильтра определяется как коэффициент качества параллельных L и R элементов на средней частоте fm: Q = R/( L· 2.dfm).
Фильтр верхних частот является однонаправленным фильтром, где элементы L и R соединены параллельно, а не последовательно. Это соединение приводит к созданию широкополосного фильтра, который имеет импеданс на высоких частотах, ограниченных сопротивлением R.
Коэффициент качества фильтра верхних частот - коэффициент качества параллельной RL-схемы на частоте настройки: Q = R/( L· 2āfn).
Фильтр верхних частот С-типа является разновидностью фильтра верхних частот, где индуктивность L заменяется последовательным LC-контуром, настроенным на основную частоту. На основной частоте сопротивление обходится резонансным LC контуром и потери равны нулю.
Коэффициент качества фильтра С-типа по-прежнему задается соотношением: Q = R/ ( L· 2āfn).
На следующих рисунках приведены значения R, L и C и типичные кривые зависимости импеданса от частоты, полученные для четырех типов фильтров, применяемых в сети с частотой 60 Гц. Каждый фильтр рассчитан на 315 кВ и 49 МВАр.
На этом рисунке показан однонаправленный фильтр при 315 кВ и 49 МВАр с фильтром гармоник 5-го порядка, когда Q равно 30.
Этот рисунок иллюстрирует двойной настроенный фильтр при 315 кВ и 49 МВАр с гармоническими фильтрами 11-го и 13-го порядка, когда Q равно 16.
Этот рисунок иллюстрирует фильтр верхних частот при 315 кВ и 49 МВАр с гармоническим фильтром 24-го порядка, когда Q равно 10.
Этот рисунок иллюстрирует фильтр верхних частот C-типа при 315 кВ и 49 МВАр с фильтром гармоник 3-го порядка, когда Q равно 1.75.
power_harmonicfilter Пример иллюстрирует использование блока трехфазного фильтра гармоник.