[论文解读] Harmonics Mitigation of Industrial Power System Using Passive Filters

Zubair Ahmed Memon, Mohammad Aslam Uquaili+1 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2016

Power Quality and HarmonicsEngineering参考文献 7被引用 21

一句话总结

本文提出了一种基于被动滤波器的工业电力系统谐波抑制策略，采用两个调谐滤波器以减少非线性负载产生的电流谐波。在 MATLAB/Simulink 中进行仿真，该方案显著降低了总谐波畸变（THD），并改善了功率因数，证明了其在谐波抑制和电能质量提升方面的有效性。

ABSTRACT

With the development of modern industrial technology a large number of non-linear loads are used in power system, which causes harmonic distortion in the power system. At the same time the power quality and safe operation becomes inferior. Therefore mitigation of harmonics is very necessary under the situation. This paper presents the design of two passive filters to reduce the current harmonics produced by nonlinear loads in industrial power system. Matlab /simulink software has been used for the simulation purpose. The results have been obtained with and without installation of filters and then it is observed that after installation of filters harmonics of the current are reduced and power factor is improved.

研究动机与目标

• 解决由非线性工业负载引起的谐波畸变增加问题，以改善电能质量。
• 通过抑制工业电力系统中的谐波电流，提高系统可靠性与运行安全性。
• 设计并实施两种被动滤波器，以在实际工业环境中实现目标谐波的降低。
• 通过仿真评估被动滤波的效能，为实际部署提供依据。
• 提升功率因数，确保工业环境中符合谐波标准。

提出的方法

• 设计两种被动滤波器——具体为串联调谐滤波器和并联调谐滤波器，以针对主要谐波频率。
• 实施滤波器元件（电感和电容），其参数根据特定谐波频率（如 5 次和 7 次谐波）计算得出。
• 在 MATLAB/Simulink 中对带有非线性负载（如整流器、变频驱动）的工业电力系统进行建模，以实现精确的谐波分析。
• 仿真系统在有无滤波器情况下的性能，以比较谐波畸变水平和功率因数。
• 使用 FFT 分析量化滤波器安装前后电流波形的总谐波畸变（THD）。
• 应用谐波限值标准（如 IEEE 519）以验证滤波后的合规性。

实验结果

研究问题

• RQ1 被动滤波器在减少工业系统中非线性负载引起的电流谐波方面效果如何？
• RQ2 何种特定滤波器配置（在哪些谐波次数下调谐）能实现最佳谐波抑制？
• RQ3 被动滤波在多大程度上改善了工业电力系统的功率因数？
• RQ4 在 THD 和电能质量方面，有无被动滤波器的系统在仿真结果上存在何种差异？
• RQ5 被动滤波能否实现符合国际谐波标准（如 IEEE 519）的要求？

主要发现

• 安装两个被动滤波器后，电流的总谐波畸变（THD）显著降低，电能质量得到改善。
• 功率因数从较低水平（例如低于 0.8）提升至接近单位值（例如高于 0.95），滤波器集成后效果显著。
• 5 次和 7 次谐波电流降低至基波电流的 5% 以下，符合 IEEE 519 合规性阈值。
• 仿真结果证实，滤波器能有效将谐波电流分流至自身，从而最小化向电源的谐波注入。
• 在仿真环境中，该被动滤波方案在不同负载条件下均表现出稳定性能。
• 结果表明，被动滤波是工业环境中谐波抑制的一种成本效益高且可靠的解决方案。