無源電力濾波裝置設(shè)計方法說明

1、無源電力濾波裝置設(shè)計方法說明摘要：國家電力部門越來越重視電網(wǎng)諧波造成的電網(wǎng)污染，其使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設(shè)備出現(xiàn)許多異常現(xiàn)象和故障。為此，我公司結(jié)合高校資源等研究無源電力濾波裝置。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)污染 電力濾波 供電國家電力部門越來越重視電網(wǎng)諧波造成的電網(wǎng)污染，其使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設(shè)備出現(xiàn)許多異?，F(xiàn)象和故障。為此，我公司結(jié)合高校資源等研究無源電力濾波裝置。一、設(shè)計目標(biāo)a) 使得負(fù)載注入電網(wǎng)的諧波電流滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求；b) 補(bǔ)償負(fù)載所需無功，提高功率因數(shù)；二、設(shè)計準(zhǔn)則a) 諧波性能指標(biāo)達(dá)到國家要求i. 諧波電壓要求ii. 諧波電流要求表2 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值b) 在滿足濾波要求的情況下，

2、裝置經(jīng)濟(jì)價格最低；c) 保證在正常失諧的情況下濾波器仍能滿足各項技術(shù)要求；d) 電網(wǎng)阻抗變化會對濾波裝置尤其是單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響，同時電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設(shè)計時應(yīng)予以考慮。三、設(shè)計方法a) 需測量參數(shù)i. 各次諧波電流電壓幅值 ii. 系統(tǒng)短路容量Sk；iii. 電壓等級U；iv. 系統(tǒng)功率因數(shù)v. 變壓器容量S；b) 補(bǔ)償無功功率計算設(shè)目標(biāo)功率因數(shù)為式算出，一般為0.9以上，則需補(bǔ)償?shù)臒o功功率Q可由下； ，；得到需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率后，一般原則是將其平均分配至各濾波支路，以保證各支路基波損耗接近；若需補(bǔ)償無功功率較大，可以選擇在無源濾波支路外并聯(lián)一條無功補(bǔ)償支

3、路；c) 無源濾波支路參數(shù)計算常用的無源濾波支路接線方式如圖3所示，其中單調(diào)諧濾波器，二階高通濾波器以及C型阻尼高通濾波器較常用。其中單調(diào)諧濾波器主要針對諧波電流較大的低次諧波，二階及C型阻尼高通濾波器主要應(yīng)用于濾除高次諧波。本計算程序主要針對上述三種濾波器進(jìn)行參數(shù)計算。圖3 濾波器常用接線方式i. 單調(diào)諧支路參數(shù)計算方法單調(diào)諧支路參數(shù)計算主要包括確定C、L、R的大小，額定電流，額定電壓等部分。1 根據(jù)系統(tǒng)諧波電流情況確定單調(diào)諧支路的諧振頻率f；2 根據(jù)諧波電流其中 為電容器容量，為相電壓有效值，為該次電流諧波有效值。，滿足系統(tǒng)的無功補(bǔ)償?shù)拇笮∮嬎闼桦娙萜鰿的容量，計算公式為 若繼續(xù)考慮無功

4、補(bǔ)償要求，可以按平均分配的原則增大需要；3 根據(jù)其中計算出所需電容C的大小，計算公式為 為系統(tǒng)的基波角速度，為電容器的額定電壓；4 根據(jù)C和支路諧振頻率計算電感L的大小，計算公式為其中n為諧波電流次數(shù)，為了增加系統(tǒng)魯棒性，計算時基波頻率取49.7Hz；5 根據(jù)濾波效果選取濾波支路品質(zhì)印數(shù)Q，一般Q選取范圍是3060，假設(shè)電抗器電阻為，則需要加的電阻器R的大小為考慮到散熱以及成本問題，在濾波效果滿足要求的情況下，可以不加電阻器；6 得到濾波器參數(shù)C、L、R之后，計算出支路阻抗的頻率特性，根據(jù)圖4所示模型計算流入電網(wǎng)的諧波電流圖4 諧波源負(fù)載模型圖中諧波源等效為一個電流源并聯(lián)其內(nèi)阻，即負(fù)載電抗濾波

5、裝置電抗Z的諧波電流為電抗 ，流入電網(wǎng)電抗的形式。流入，其中等效的諧波電流為流入電網(wǎng)的諧波電流為若流入電網(wǎng)的諧波電流滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)行下一步的校核，若不滿足要求，則降低R的大小，并對C、L參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步減少流入電網(wǎng)的諧波電流；7 計算濾波器正常失諧情況下，濾波性能是否能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，若不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步調(diào)整C、L、R參數(shù)；8 計算電網(wǎng)阻抗和濾波支路的等效并聯(lián)阻抗，檢驗是否在特征頻率下發(fā)生并聯(lián)諧振，若發(fā)生并聯(lián)諧振則需要進(jìn)一步微調(diào)C、L、R參數(shù)；9 當(dāng)C、L、R參數(shù)滿足上述所有要求的情況下，進(jìn)一步校核各器件的額定電流以及額定電壓，使得電容器的額定電流電壓容量滿足其中U，I，Q依次為電壓電

6、流容量，C1，Ch，CN依次為基波諧波和額定值。ii. 高通濾波器支路高通濾波器和C型阻尼高通濾波器的設(shè)計方法類似，下面以高通濾波器為例說明其C、L、R參數(shù)的設(shè)計方法。1 與單調(diào)諧濾波器設(shè)計思路類似，根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率的大?。? 根據(jù)濾波需要設(shè)計所需的截止頻率f，一般取高于最高次單調(diào)諧濾波器的諧振頻率；3 根據(jù)C和f計算R的大小，滿足4 對于高通濾波器，定義m一般取m在0.5-2之間。計算得出電抗器L的大小。5 對于C型阻尼高通濾波器，可以根據(jù)截至頻率f和C確定其中 為系統(tǒng)角頻率，為截止頻率對應(yīng)的角頻率。得到后，設(shè)計電抗，為 確定電容C器L的參數(shù)，使其滿足和在基波頻率下發(fā)生串連諧振。另外，

7、也可以利用和的大小。 步驟5中同樣的方法確定L的大小，并利用諧振關(guān)系確定6 和單調(diào)諧濾波器類似，檢驗正常情況下的濾波效果，在失諧情況下的濾波效果，以及是否會和系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振。若各項要求都滿足，則確定濾波器的參數(shù)，否則對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)；7 計算濾波支路的電壓電流大小，計算得出各元件的額定電壓電流大小；四、計算程序清單，使用方法詳見程序注釋以及算例設(shè)計。（計算程序基于MATLAB R2006a軟件）i系統(tǒng)阻抗計算程序 (cal_sys_imp.m)ii單調(diào)諧濾波器參數(shù)計算程序 (cal_tune_para.m)iii高通濾波器參數(shù)計算程序 (cal_highpass_para.m)iv C型高

8、通濾波器參數(shù)計算程序 (cal_c_highpass_para.m)v無功補(bǔ)償參數(shù)計算程序 (cal_reactive_para.m)vi系統(tǒng)性能仿真程序 (system_simulation.mdl, system_analysis.m)五、算例設(shè)計本節(jié)針對某軋鋼廠諧波治理項目，使用第四節(jié)中的程序，計算濾波支路以及無功補(bǔ)償支路的參數(shù)。本節(jié)圖文并茂，盡可能詳細(xì)的演示了如何使用第四節(jié)中的程序，可作為以后設(shè)計諧波治理裝置的參考。某軋鋼廠諧波治理項目本系統(tǒng)為軋鋼廠低壓側(cè)系統(tǒng)，變壓器為10/0.4KV、其容量為1600KW。已 知工廠主要用電設(shè)備為軋鋼機(jī)（132KW*2組，DC電機(jī)），平整機(jī)（75KW

9、，DC電機(jī)），分卷機(jī)（45KW*2組，DC電機(jī)）。另有電爐480KW一組、280KW一組，后續(xù)可能上一組300KW電爐。在以下情況下測量諧波含量：測量時只有（132KW*2組，DC電機(jī)）運(yùn)行，其它均未投運(yùn)。其中5次、7次、11次諧波電流見表，功率因數(shù)為0.3，變壓器短路容量為5MVA。5次、7次、11次諧波電流諧波次數(shù) A相諧波電流 B相諧波電流 C相諧波電流 5次 132.210 134.315 128.155 7次 25.029 24.937 24.076 11次 28.347 28.793 27.685 備注：以上數(shù)據(jù)測量為滿足前提條件時的數(shù)據(jù)項目要求：根據(jù)以上數(shù)據(jù)合理設(shè)計無源濾波裝置，

10、要求能有效的消除抑制諧波。另需計算出本系統(tǒng)的電容補(bǔ)償容量。即最終結(jié)果要求是諧波治理加電容補(bǔ)償。 第一步：使用cal_sys_imp.m，根據(jù)系統(tǒng)短路容量，算出系統(tǒng)阻抗。首先打開cal_sys_imp.m文件，然后按照實際系統(tǒng)設(shè)置框中的數(shù)值，如圖1所示。保存文件后，按F5執(zhí)行程序。運(yùn)行結(jié)果顯示在Matlab主窗口中，見圖2。圖1 短路容量計算參數(shù)設(shè)置圖2 短路容量計算結(jié)果第二步：使用cal_tune_para.m計算各個支路的電容器電抗器參數(shù)。使用cal_tune_para.m又分為兩小步，首先是根據(jù)系統(tǒng)所給參數(shù)計算出最小電容容量，然后需要根據(jù)實際產(chǎn)品，選取一個大于此最小容量的規(guī)格，然后再次計算

11、，求出最終的電容器和電抗器參數(shù)。下面以5次支路為例，給出計算過程。首先打開cal_tune_para.m文件，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，見圖3。這一次只設(shè)置實線框內(nèi)的數(shù)據(jù)，并注意此時虛線框內(nèi)的代碼，此時必須加%注釋掉。參數(shù)設(shè)置完成后，按F5運(yùn)行程序，運(yùn)行結(jié)果在Matlab主窗口中，見圖4。圖3 計算濾波器支路參數(shù)時的相關(guān)設(shè)置圖4 單調(diào)諧濾波支路參數(shù)計算結(jié)果圖4中得到的電容額定容量是必須要滿足的最小電容額定容量，由于實際產(chǎn)品不一定存在92.7KVA/400V的規(guī)格，因此需要進(jìn)行調(diào)整。選額定容量為100KVA/400V的電容器，再次進(jìn)行計算。將圖3中虛線框內(nèi)代碼前的%去掉，并設(shè)置數(shù)值為100e3，按F5運(yùn)行程

12、序，得到運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。圖5 濾波支路(5次)參數(shù)的最終計算結(jié)果7次和11次濾波支路的參數(shù)計算，可參考5次的進(jìn)行。后面第三步設(shè)置參數(shù)和得到運(yùn)行結(jié)果，同前兩步相似，故不再給出圖示。第三步：使用cal_reactive_para.m計算需要系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)臒o功功率。按照當(dāng)前負(fù)載運(yùn)行情況設(shè)置參數(shù)，運(yùn)行程序，得到需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率。第四步：使用cal_highpass_para.m計算高通濾波器的參數(shù)。高通濾波器起的主要作用為無功補(bǔ)償，并且加入失諧電抗器，防止濾波器同系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振；對高于13次的諧波電流，也有很好的消除效果。高通濾波器中，需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率計算如下：設(shè)第三步給出的無功功率為Q1，單調(diào)諧濾波各個支路的電容容量之和為Q2，則高通濾波器中，需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率Q=Q1-Q2/2.5。設(shè)置完成后，保存，按F5運(yùn)行程序即可得到相關(guān)參數(shù)。第五步：使用system_simulation.mdl進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真，仿真結(jié)果存入M