無源電力濾波器設計

無源電力濾波器設計譚東旭

2006年2月·珠海2/3/20231目錄1.項目簡介2.無源電力濾波器基礎知識3.無源電力濾波器常見設計方法4.淮北項目無源部分設計及仿真5.無源電力濾波器軟件包的設計構思2/3/20232項目簡介淮北供電公司SVC工程

采用TCR+PF+APF方式，實現(xiàn)動態(tài)的無功補償,兼對諧波進行治理；

系統(tǒng)構成：

晶閘管控制電抗器（TCR）

6kV動補SVC裝置

無源濾波器（PF）、有源濾波器（APF）

控制系統(tǒng)及保護裝置其中無源電力濾波器設置5次、7次、（11次支路）。

2/3/20233項目簡介淮北項目原理接線圖2/3/20234項目簡介新型并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)構成和原理單相示意圖2/3/20235無源電力濾波器基礎知識幾種常見無源電力濾波器原理電路圖(a)單調諧濾波器；(b)雙調諧濾波器；(c)雙調諧帶高通特性的濾波器；(d)一階高通濾波器(e)二階高通濾波器；(f)三階高通濾波器；(g)C型高通濾波器實際應用中常用幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成濾波裝置。2/3/20236無源電力濾波器基礎知識單調諧濾波器濾波器對n次諧波（）的阻抗為：

二階高通濾波器

其阻抗為：2/3/20237無源電力濾波器基礎知識雙調諧濾波器有兩個諧振頻率，同時吸收這兩個頻率的諧波，其作用等效于兩個并聯(lián)的單調諧濾波器。

阻抗頻率特性：優(yōu)點：雙調諧濾波器投資較小，且基波損耗較小；缺點：其結構相對比復雜，調諧困難，故應用還較少。，2/3/20238無源電力濾波器基礎知識無源電力濾波器的優(yōu)缺點

優(yōu)點:具有結構簡單、設備投資較少、運行可靠性較高、運行費用較低等。缺點:易與電網阻抗發(fā)生諧振，不能實現(xiàn)動態(tài)補償無功。無源電力濾波器是傳統(tǒng)的補償無功和抑制諧波的主要手段2/3/20239無源電力濾波器設計方法無源電力濾波器設計方法分為：傳統(tǒng)設計方法

該設計方法僅對部分指標基于工程經驗的近似求解，無法實現(xiàn)優(yōu)化；即其LC參數(shù)的求取是通過反復計算和比較來實現(xiàn)的，以滿足分組的無功補償和諧波標準的要求，很難實現(xiàn)全局優(yōu)化。

最小容量優(yōu)化設計多目標優(yōu)化設計優(yōu)化設計方法

自適應進化設計遺傳算法設計改進的遺傳算法設計、、、、、、

根據(jù)具體應用條件和要求，依某一個或兩個指標為目標，用非線性規(guī)劃或遺傳算法等進行優(yōu)化設計，這些設計方法能實現(xiàn)一定程度的優(yōu)化。2/3/202310無源電力濾波器設計方法傳統(tǒng)設計方法

參數(shù)選擇合理應滿足：技術要求（諧波電壓、諧波電流、無功補償容量）安全要求（電容器的過電壓、過電流和容量平衡）反之，不但不能抑制還可能放大諧波，產生諧振。設計步驟準備設計的原始數(shù)據(jù)確定濾波裝置的構成濾波裝置中各濾波器的初步設計濾波裝置的最后確定常見濾波支路的設計單調諧濾波器的設計二階高通濾波器設計2/3/202311無源電力濾波器設計方法單調諧濾波器設計失諧

總的等值頻率偏差或總失諧度

式中，f=f-fn。

最佳調諧銳度值需要選擇最佳的品質因數(shù)，以保證濾波器對頻率的選擇性和濾波器在頻漂及參數(shù)漂移下的濾波效果。

最佳Q值為

（一般約在30~60內）2/3/202312無源電力濾波器設計方法初步確定電容器參數(shù)按照無功補償容量進行計算

首先根據(jù)需要確定出系統(tǒng)所需要補償?shù)目偦o功Qc，按照一定的原則把總的無功分配的各個濾波支路，常見的分配原則有：

1）按照諧波電流的大小進行分配

2）按照無功平衡時電容器總安裝容量最小的原則進行分配確定出各個濾波支路需要補償?shù)幕o功

2/3/202313無源電力濾波器設計方法按照濾波電容器安裝容量進行計算

單調諧濾波器安裝容量S（n）為電容器的基波和諧波無功容量之和：該支路輸出的基波無功容量為：在安裝容量最小時，該支路輸出的最小基波無功通過求極值得到為：一旦該支路需要出的基波無功確定，則濾波器的相關參數(shù)C、L、R就可以確定出來了。可求得2/3/202314無源電力濾波器設計方法按照電容器滿足過電壓、過電流要求和容量平衡選擇電容器參數(shù)電容器電壓校驗公式為：電容器過電流校驗公式為：電容器容量平衡關系為：

為電容器的額定電壓、額定電流、額定容量。

按上述三個原則可確定三個電容器額定容量，取其中最大容量作為h次單調諧濾波電容器安裝容量下限，從而可確定C、L、R。2/3/202315無源電力濾波器設計方法按滿足一定電壓總諧波畸變率的要求，確定各個濾波器支路輸出最小的基波無功設共需裝設m個單調諧濾波器，最佳調諧銳度為q，h次諧波電壓含有率

設則濾波支路每相輸出基波無功為：

可在時，應取何值使最小的問題化為極值問題求解。從而確定，并進一步求得C、L、R。（i=1,2,…,m）2/3/202316無源電力濾波器設計方法二階高通濾波器設計

確定高通濾波器支路的基波無功容量為：其中，為系統(tǒng)需要補償?shù)目偟臒o功功率；為單調諧支路的無功功率

然后，再確定出電容器的額定電壓，最后為了滿足安全要求還應通過過電流、和容量平衡的校驗。2/3/202317濾波器結構及接線方式選擇由一組或數(shù)組單調諧濾波器組成，有時再加一組高通濾波器。工程接線可靈活多樣，但推薦采用電抗器接電容低壓側的星形接線，主要優(yōu)點是：

1）任一電容擊穿短路電流小；

2）設備承受的僅為相電壓；

3）便于分相調諧。高通濾波器多采用二階減幅型結構（基波損耗小，頻率特性好，結構簡單）。經濟原因高通濾波器多用于高壓。2/3/202318濾波器設計參數(shù)的分析處理參數(shù)設計必須應依據(jù)實測值或絕對可靠的諧波計算值，但根據(jù)具體情況可作一些近似處理：

1）母線短路容量較小或換算得到的系統(tǒng)電抗（包括變壓器）XS較大時，可忽略系統(tǒng)等值電阻RS；

2）系統(tǒng)原有諧波水平應通過實測得到，在濾波器參數(shù)設計時，新老諧波電流源應一起考慮；

3）L、C制造、測量存在誤差，以及f、T變化可能造成濾波器失諧，誤差分析是參數(shù)設計必須考慮的問題；

4）參數(shù)設計涉及技術指標、安全指標和經濟指標，往往需經多個方案比較后才能確定。2/3/202319濾波器方案與參數(shù)的分析計算1）確定濾波器方案確定用幾組單調諧濾波器，選高通濾波器截止頻率，以及用什么方式滿足無功補償?shù)囊?。例如：三相全波整流型諧波源，可設5、7、11次單調諧濾波器，高通濾波器截止頻率選12次。無功補償要求從容量需求平衡角度，通過計算綜合確定。

2）濾波器基本參數(shù)的分析電容器基本參數(shù)：額定電壓UCN、額定容量QCN、基波容抗XC，而XC=3U2CN/QCN（這里QCN是三相值）。為保證電容器安全運行，電壓應限制在一定范圍內。

3）濾波器參數(shù)的初步計算（按正常條件）

設h次諧波電壓含有率為HRUh，通過推導可得到：

其中，q為濾波器的最佳品質因數(shù)。以上是從保證電容器電壓要求初步選擇的參數(shù)。但為保證電容器的安全運行還應滿足過電流和容量平衡的要求，公式如下：

2/3/202320濾波器方案與參數(shù)的分析計算4)濾波器參數(shù)的初步計算

串聯(lián)電抗器參數(shù)

以上為單調諧濾波器參數(shù)的初步選擇。5）濾波器參數(shù)的最后確定濾波器最終參數(shù)需通過大量、多次頻率特性仿真計算結果確定；并根據(jù)要求指標進行校驗。為保證安全運行，還要選斷路器、避雷器、保護等。自動調諧濾波器（改變電感L）能提高濾波效果。但由于技術經濟的原因，目前應用不普遍。2/3/202321濾波器參數(shù)指標的校驗

1）電壓平衡：校驗支路濾波電容器的額定電壓2）電流平衡：校驗濾波電容器的過電流水平

，IEC為1.45倍。3）容量平衡：QCN=QC1（基波容量）+ΣQh(諧波容量)；

對濾波支路僅考慮I1和Ih

通過時，近似有：2/3/202322其它分析、計算工作1）濾波支路等值頻偏（總失諧度）的計算

2）濾波支路品質因數(shù)q值的計算其中，δs為濾波器接點看進去的系統(tǒng)等值阻抗角。3）濾波器性能和二次保護等分析計算濾波器設計的技術性很強，需有專門的程序。除參數(shù)計算外，要能對濾波器的諧波阻抗、綜合阻抗、諧波放大、局部諧振（串、并聯(lián)）等濾波性能進行分析。2/3/202323EG:關于電弧爐諧波治理

電弧爐負荷特點和治理要求

1）三相負荷電流嚴重不對稱，嚴重時負序可達正序的50%～60%，熔化期也占20%。需解決不平衡問題；

2）含有2、3、4、5、7等次諧波，產生的諧波電流頻譜廣，含有偶次諧波，諧波治理要求高；

3）電弧爐隨機運行在開路--短路--過載狀態(tài)，很大的功率沖擊，引起PCC母線電壓變動，存在電壓閃變問題。

4）電爐變壓器和短網消耗大量無功，因此運行功率因數(shù)非常低，增大電網損耗、降低電壓水平。小容量電弧爐可用LC無源濾波器，但對設計的要求比較高，一般采用C型電力濾波器。2/3/202324

XX項目無源部分單相等效示意圖XX項目無源部分設計及仿真2/3/202325淮北項目無源部分設計及仿真淮北項目無源部分單相等效示意圖

2/3/202326淮北項目無源部分設計及仿真附加電感值的選取原則

附加電感值的選取對整個系統(tǒng)和無源單獨工作的濾波效果以及APF

容量都有重要影響。

1.出于系統(tǒng)工作穩(wěn)定性出發(fā)首先要保證系統(tǒng)無源部分單獨工作時不易與電網發(fā)生諧振。這就要求根據(jù)LC濾波支路的參數(shù)選取La的值，保證包括附加電感La

在內的無源部分有一定的頻偏。

2.在不發(fā)生諧振的情況下無源部分要有較好的濾波效果。

3.從減小APF容量出發(fā)，要求附加電感La的值盡量要取的小一些，來減小其上分得的基波電壓。2/3/202327淮北項目無源部分設計及仿真設計原則

1.首先滿足系統(tǒng)總的無功補償要求；

2.各個“純調諧支路”滿足零頻偏；

3.兼顧并聯(lián)小電感的選取原則，使得各個調諧濾波支路的電感值大小盡量接近，這樣使得并聯(lián)小電感對于各個“純調諧支路”存在頻偏但也不至于會相差太大。

4.在不發(fā)生諧振的情況下無源部分要有較好的濾波效果，也要考慮電網電抗與并聯(lián)小電感的匹配。2/3/202328淮北項目無源部分設計及仿真設計思路及步驟

1.給定各次諧波電流、電壓標準和系統(tǒng)參考短路容量，由短路容量修改國標中各次諧波電流限值；

2.進行系統(tǒng)諧波分析，確定濾波方案，并根據(jù)上述設計原則確定各濾波支路需要補償無功；

3.n=1,第1個調諧濾波器；

4.根據(jù)第2步的基波無功量確定該支路濾波器的基波容抗；

5.求取滿足過電流和過電壓要求和容量平衡的電容器額定電壓UcN、基波最小無功量Qch及其安裝容量Sch；

6.由第4和5步兩者中較小者作為該單調諧濾波器的基波容抗，再確定其電感與電阻

7.如果n不等于m，則n<=n+1,轉入第2步，否則進行輸出結果2/3/202329淮北項目無源部分設計及仿真經過matlab6.5運行、仿真可計算出各濾波器組的支路設置,

濾波電容器額定電壓為4.2kV。序號調諧次數(shù)濾波器類型安裝容量kvar補償容量kvar15單調諧2100157527單調諧900675合計30002250無源濾波器參數(shù)并聯(lián)小電感

5次支路

7次支路

La（mH）L5

3.21mHL7

3.82mH

0.515mHC5126.38mFC754.16mFR50.17ΩR7

0.28Ω2/3/202330淮北項目無源部分設計及仿真2/3/202331無源電力濾波器軟件包的設計構思濾波方案的確定

針對不同類型的諧波源應采取不同的濾波方案，目前，工程中常用的方案有：

1、單調諧濾波器與高通濾波器這種方案是最典型的，也是最常用的一種，對一般的諧波源均可考慮該方式；

2、單調諧濾波器比較適用于諧波負荷容量不大的諧波源；

3、雙調諧濾波器與高通濾波器比較適用高電壓、大容量的濾波兼無功補償?shù)那闆r；

4、高通濾波器對于諧波負荷容量不大的場合，也可只設置高通濾波器。2/3/202332無源電力濾波器軟件包的設計構思該軟件包要實現(xiàn)的功能

1、實現(xiàn)無源電力濾波器技術要求

在確定的系統(tǒng)和諧波源條件下，以最少的投資，使母線電壓含有率、注入系統(tǒng)的各次諧波電流和無功補償容量滿足要求。

2、實現(xiàn)無源電力濾波器安全要求

濾波器設計需要考慮的因素很多，計算量大，采用的方法不同，則濾波器各個元件的參數(shù)的選擇結果也就有所不同，當安裝某一方法確定各個元件的參數(shù)后，一般要進行濾波效果分析和濾波電容器安全要求校驗，當不滿足要求時，則需修改參數(shù)，重新設計。

3、盡可能的通用化

根據(jù)工程要求，在設計軟件包時要盡可能使考慮的因素多一些，適當?shù)牟扇∫欢ǖ膬?yōu)化方法，盡可能的使得該軟件包更通用化。2/3/202333無源電力濾波器軟件