开题报告 电气工程及自动化 船舶电力系统谐波源建模及滤波器设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1、国内外研究动态 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[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。
1.1 谐波的定义 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。
1.2谐波源分类 为了抑制谐波，降低这些危害，研究员和工程师们根据特点把谐波源分为3类：
第1类是含有变压器等这些铁磁非线性的谐波源。在大量使用电力电子设备之前,这类谐波源是最常见的,不过目前在电力系统总多谐波源中这类所占比例并不大。
第2类是电弧炉、电弧焊机等这一类强非线性、冲击性的负载。电弧炉的电流中不但有奇次谐波,还含有偶次谐波,频率也在0.1～30Hz之间变化。
第3类就是各种交直流电力电子变换器,它是目前最主要的谐波源，也是最常见谐波源。
不过人们往往喜欢把谐波源分成2类：电流型谐波源和电压型谐波源。迄今为止，多种滤波方式相继出台，无源滤波和有源滤波就是其中两种;有源滤波器能够对动态进行无功补偿,是目前最受关注的一种滤波方式[5]。
在谐波源分类还没有被人们引起重视的时候,一般都是采用系统进行分流和无源支路的方法来进行计算和优化的。谐波源的性质是选择滤波方式的重要依据，为了选择正确的滤波方式才对谐波源进行分类。根据文献[6]的结论:并联型的滤波器(包括无源和有源滤波器)适合于对电流型谐波源进行滤波,而串联型的滤波器适用于对电压型谐波源进行滤波。
1.3谐波的危害 谐波会对电力系统产生极大的危害：污染公用电网；
影响变压器工作；
影响继电保护装置的可靠性；
增加输电线路功耗；
加速电网金属化膜电容器老化；
对电机造成影响；
影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作[4 7 8 9]。
（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，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。
1.4滤波器 在滤波器中常见的有无源滤波器和有源滤波器两种。
1.4.1无源滤波器 无源滤波器(PassivePowerFilter,PPF)通常是由电感、电容和电阻等无源器件构成的谐振电路。将无源滤波器与需补偿的非线性负载并联是传统的谐波抑制和无功补偿方法。滤波器是与某些谐波频率发生谐振形成低阻通路,使相应的谐波电流流入无源支路而避免流入电网内,不仅滤除了谐波还进行了适当地无功功率补偿。这种方法既可滤除谐波,又可补偿无功功率,技术成熟,结构简单，而且成本也低。但是它也存在缺点:电力系统和线路的阻抗会影响滤波的效果;系统内阻抗和无源滤波器之间可能会产生谐振,导致某些谐波会被放大;一条LC支路只能补偿一种频率的谐波,所以装设的滤波支路数需要很多;一旦装设在电网上就固定了,不能对会变化的谐波电压和谐波电流进行动态补偿;重量与体积都非常大。因为无源滤波器存在着这些明显的技术缺陷,所以从上个世纪70年代开始,研究方向就转向了有源滤波器的研究,用有源滤波器来弥补这些缺点[7 14]。
1.4.2有源滤波器 早在20世纪70年代初，有源电力滤波器的基本原理和电路结构就已经被确定下来了，只是当时的器件性能和控制技术还未达到要求，所以没有能够在工业中得到应用。
80年代后期，大、中功率全控型半导体器件发展日益成熟，脉冲宽度调制控制技术获得很大进步同时给予瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法也被提出，有了这3个前提有源电力滤波器才得以迅速发展。
1982年世界第一台APF800kVA在日本研制成功并投入使用以后，又经过20多年的研究，APF技术得到长足发展，不论是从功能上还是运行功率上都有很大进步 有源电力滤波器(ActivePowerFilter,APF)主要由谐波与无功电流的检测电路、跟踪控制电路和补偿主电路(换流逆变器)等构成。从负载电流中实时分离出谐波电流分量和基波无功电流分量,并将其反相后作为补偿电流的指令信号是检测电路的主要功能，也称为指令电流检测电路。跟踪控制电路是根据主电路产生补偿电流必须跟踪指令信号的原则,计算出经驱动电路后作用于补偿主电路各开关器件上的触发脉冲,产生有效的补偿电流,使电网电流中只含有基波分量,达到消除谐波与无功补偿的目的[7]。有源滤波器是滤除谐波的有效工具,也是减少我国电能质量污染缓减谐波污染日益严重的有力措施[8]。
1.5滤波器发展趋势 我国对有源滤波器的研究起步较迟，在20世纪80年代末才开始出现这方面的文章，90年代才有高校和研究机构加入对电力有源滤波器的研究行列，不过当时的工作仅仅以理论研究和实验为主。
虽然国内对有源滤波器的研究起步迟，但是在对国外研究成果进行吸收的基础上取得的进步还是相当快的。目前国内对有源电力滤波器技术的研究集中在[8 10 15]：
（1） 进一步对谐波处理理论的研究；
（2） 进一步降低补偿装置的容量；
（3） 简化控制系统；
（4） 补偿装置的多功能化；
（5） 增大器件容量，提高开关频率，实现电流快速控制；
（6） 降低价格，提高性价比；
（7） 降低损耗，提高可靠性。
1.6国内外谐波的标准 专家们在研究谐波与滤波器的同时为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行,目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准,其中较有影响的是IEEE519-1992和IEC555-2。我国水利电力部早在1984年就颁发了《电力系统谐波管理暂行规定》。到1994年,国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》正式颁布。虽然各谐波标准都不尽相同,但都是大同小异,且所有标准的都是基于以下三个目的:(1)将电力系统电流和电压波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平。(2)以符合用户需要的电压波形向用户供电。(3)不干扰其他系统(如通讯系统)的正常工作[7]。
我国《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)，正弦波形畸变率在5%以内，单次谐波最大的含量为3%；
三相线电压的平均值允差为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%。正常状态下，对有单相或三相设备组合而成的用电设备，其输入电流不平衡度不应超过5%。由于船舶电力系统工作状态变化频繁，启动设备多，其最大浪涌电流所导致的界面电压不应超过用电设备的额定电压的10%。
1.7 建模仿真软件 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MATLAB、Xmath等，它们对大量数据具有较强的管理、计算和可视化能力，运行效率也很高；
而数学分析型的如Mathematica、Maple等，它们擅长于符号计算，可以得到问题的解析符号解和任意精度解，但处理大量数据时的速度比较慢[11]。
Matlab是英文MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写。在1980年前后，是当时任美国墨西哥大学计算机科系主任的Cleve Moler为方便学生编写和使用Linpack与Eispack的接口程序并命名为MATLAB，这就成为了MATLAB的雏形。后来，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版本不断更新，1992年推出了4.0版本；
1994年推出4.2版本扩充4.0版本的功能；
1997年5.0版本问世；
1999年初推出5.3版本在很多方面又进一步改善，随之推出的新版本的最优化工具箱和Simulink 3.0版本达到很高水平。之后，2000、2001、2002、2006、2008年都有新版本相继出版。
MATLAB是一种高精度的科学计算语言，它将计算、可视化和编程结合在一起使用的环境中，并用使用者熟悉的符号表示出其提出的问题以及问题的解决方法，它的典型使用包括科学计算，运算法则，建模和仿真，数据分析、研究和可视化，科学的工程图形，应用程序开发，包括创建图形用户接口。它最重要的特征是拥有解决特定应用问题的程序组，还有MATLAB具有开放性。
Simulink是MATLAB的重要组成部分，它既适用于线性系统，也适用于非线性系统；
既适用于连续系统，又适用于离散系统和连续与离散混合系统；
既适用于定常系统，也也适用于事变系统。
2.选题的依据和意义 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。
滤波器是消除谐波的有效工具，在这谐波危害越来越严重的时期，滤波器的推陈出新是必需的，同时从电力电子技术本身入手解决谐波污染和提高功率因数的思路得到了普遍重视。同时作为一种新型的补偿装置,有源电力滤波器以其对电网负载、系统参数变化的自适应能力和较高的反应速度被认为是最具发展潜力的无功和谐波补偿方法[10]。
还有有源滤波器的性能及各方面的优点，使其能够在许多领域广泛使用，能减少谐波对供用电网污染，减少对变压器工作的影响，提高继电保护装置的可靠性，减慢电网金属化膜电容器老化速度和输电线路功耗，从某种程度上促进各领域的发展，提高环境质量。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
1.研究的基本内容 1)、分析谐波的产生、危害及其抑制方法 2）、学习研究Matlab/Simulink软件，分析软件的优缺点，及学习软件使用方法 3）、研究谐波源的分类及建立，并画出原理图 4）、对谐波源进行仿真，对仿真产生的高次谐波信号（包括电压和电流），采用快速傅里叶变换方法得出频谱图，分析各次谐波的含有率及总谐波含有率 5）、学习研究滤波器的起源、发展及对未来的展望；
分析无源滤波器和有源滤波器的优缺点，并对由原滤波器进行设计 6）、写出最终的毕业设计报告 2.拟解决的主要问题 1） 、说明高次谐波的特点及危害，综述谐波闲扯方法和抑制方法，并比较这些方法的存在的优缺点。
2） 、利用MATLAB/Simulink建模软件，建立一个谐波源模型，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得出频谱图，分析各次谐波的含有率及总谐波含有率。
3） 、针对谐波设计滤波器（只要是有源滤波器）并用所设计出来的滤波器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。
三、研究步骤、方法及措施：
1）、拿到毕业设计任务书，了解任务的内容，并根据任务要求查找资料文献 2）、完成开题报告和文献综述 3）、找相关Matlab/Simulink软件教材进行学习，学习MATLAB软件的使用，加载HHT工具包，学会使用工具包；
4）、使用Simulink建立小型电力系统模型，利用搭建出的谐波源来产生谐波信号，利用powergui模块对谐波进行分析；
设计无源滤波器和有源滤波器对谐波进行滤除；
组织论文架构，整理出论文初稿。
5）、修改完善论文，完成毕业设计，准备答辩。
以图书馆中的书籍和资料以及网上丰富的资源为依托，听从指导教师定期指导，并向指导老师咨询遇到但自己无法解决的问题。
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