無源電力濾波器設(shè)計(jì)

無源電力濾波器設(shè)計(jì)譚東旭

2006年2月·珠海2/3/20231目錄1.項(xiàng)目簡介2.無源電力濾波器基礎(chǔ)知識(shí)3.無源電力濾波器常見設(shè)計(jì)方法4.淮北項(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真5.無源電力濾波器軟件包的設(shè)計(jì)構(gòu)思2/3/20232項(xiàng)目簡介淮北供電公司SVC工程

采用TCR+PF+APF方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償,兼對(duì)諧波進(jìn)行治理；

系統(tǒng)構(gòu)成：

晶閘管控制電抗器（TCR）

6kV動(dòng)補(bǔ)SVC裝置

無源濾波器（PF）、有源濾波器（APF）

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

2/3/20233項(xiàng)目簡介淮北項(xiàng)目原理接線圖2/3/20234項(xiàng)目簡介新型并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成和原理單相示意圖2/3/20235無源電力濾波器基礎(chǔ)知識(shí)幾種常見無源電力濾波器原理電路圖(a)單調(diào)諧濾波器；(b)雙調(diào)諧濾波器；(c)雙調(diào)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(shí)際應(yīng)用中常用幾組單調(diào)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(chǔ)知識(shí)單調(diào)諧濾波器濾波器對(duì)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(chǔ)知識(shí)雙調(diào)諧濾波器有兩個(gè)諧振頻率，同時(shí)吸收這兩個(gè)頻率的諧波，其作用等效于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。

阻抗頻率特性：優(yōu)點(diǎn)：雙調(diào)諧濾波器投資較小，且基波損耗較??；缺點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)相對(duì)比復(fù)雜，調(diào)諧困難，故應(yīng)用還較少。，2/3/20238無源電力濾波器基礎(chǔ)知識(shí)無源電力濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資較少、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等。缺點(diǎn):易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，不能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功。無源電力濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功和抑制諧波的主要手段2/3/20239無源電力濾波器設(shè)計(jì)方法無源電力濾波器設(shè)計(jì)方法分為：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

該設(shè)計(jì)方法僅對(duì)部分指標(biāo)基于工程經(jīng)驗(yàn)的近似求解，無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化；即其LC參數(shù)的求取是通過反復(fù)計(jì)算和比較來實(shí)現(xiàn)的，以滿足分組的無功補(bǔ)償和諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求，很難實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。

最小容量優(yōu)化設(shè)計(jì)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

自適應(yīng)進(jìn)化設(shè)計(jì)遺傳算法設(shè)計(jì)改進(jìn)的遺傳算法設(shè)計(jì)、、、、、、

根據(jù)具體應(yīng)用條件和要求，依某一個(gè)或兩個(gè)指標(biāo)為目標(biāo)，用非線性規(guī)劃或遺傳算法等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)方法能實(shí)現(xiàn)一定程度的優(yōu)化。2/3/202310無源電力濾波器設(shè)計(jì)方法傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

參數(shù)選擇合理應(yīng)滿足：技術(shù)要求（諧波電壓、諧波電流、無功補(bǔ)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(chǎn)生諧振。設(shè)計(jì)步驟準(zhǔn)備設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)確定濾波裝置的構(gòu)成濾波裝置中各濾波器的初步設(shè)計(jì)濾波裝置的最后確定常見濾波支路的設(shè)計(jì)單調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)二階高通濾波器設(shè)計(jì)2/3/202311無源電力濾波器設(shè)計(jì)方法單調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)失諧

總的等值頻率偏差或總失諧度

式中，f=f-fn。

最佳調(diào)諧銳度值需要選擇最佳的品質(zhì)因數(shù)，以保證濾波器對(duì)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(nèi)）2/3/202312無源電力濾波器設(shè)計(jì)方法初步確定電容器參數(shù)按照無功補(bǔ)償容量進(jìn)行計(jì)算

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

1）按照諧波電流的大小進(jìn)行分配

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

2/3/202313無源電力濾波器設(shè)計(jì)方法按照濾波電容器安裝容量進(jìn)行計(jì)算

單調(diào)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(shí)，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(guān)參數(shù)C、L、R就可以確定出來了?？汕蟮?/3/202314無源電力濾波器設(shè)計(jì)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(yàn)公式為：電容器過電流校驗(yàn)公式為：電容器容量平衡關(guān)系為：

為電容器的額定電壓、額定電流、額定容量。

按上述三個(gè)原則可確定三個(gè)電容器額定容量，取其中最大容量作為h次單調(diào)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(shè)計(jì)方法按滿足一定電壓總諧波畸變率的要求，確定各個(gè)濾波器支路輸出最小的基波無功設(shè)共需裝設(shè)m個(gè)單調(diào)諧濾波器，最佳調(diào)諧銳度為q，h次諧波電壓含有率

設(shè)則濾波支路每相輸出基波無功為：

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

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(bǔ)償?shù)目偟臒o功功率；為單調(diào)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(yīng)通過過電流、和容量平衡的校驗(yàn)。2/3/202317濾波器結(jié)構(gòu)及接線方式選擇由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，有時(shí)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(cè)的星形接線，主要優(yōu)點(diǎn)是：

1）任一電容擊穿短路電流??；

2）設(shè)備承受的僅為相電壓；

3）便于分相調(diào)諧。高通濾波器多采用二階減幅型結(jié)構(gòu)（基波損耗小，頻率特性好，結(jié)構(gòu)簡單）。經(jīng)濟(jì)原因高通濾波器多用于高壓。2/3/202318濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)的分析處理參數(shù)設(shè)計(jì)必須應(yīng)依據(jù)實(shí)測值或絕對(duì)可靠的諧波計(jì)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(shí)，可忽略系統(tǒng)等值電阻RS；

2）系統(tǒng)原有諧波水平應(yīng)通過實(shí)測得到，在濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，新老諧波電流源應(yīng)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(shè)計(jì)必須考慮的問題；

4）參數(shù)設(shè)計(jì)涉及技術(shù)指標(biāo)、安全指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，往往需經(jīng)多個(gè)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(jì)算1）確定濾波器方案確定用幾組單調(diào)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(bǔ)償?shù)囊?。例如：三相全波整流型諧波源，可設(shè)5、7、11次單調(diào)諧濾波器，高通濾波器截止頻率選12次。無功補(bǔ)償要求從容量需求平衡角度，通過計(jì)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(yùn)行，電壓應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。

3）濾波器參數(shù)的初步計(jì)算（按正常條件）

設(shè)h次諧波電壓含有率為HRUh，通過推導(dǎo)可得到：

其中，q為濾波器的最佳品質(zhì)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(yùn)行還應(yīng)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(jì)算4)濾波器參數(shù)的初步計(jì)算

串聯(lián)電抗器參數(shù)

以上為單調(diào)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(jì)算結(jié)果確定；并根據(jù)要求指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。為保證安全運(yùn)行，還要選斷路器、避雷器、保護(hù)等。自動(dòng)調(diào)諧濾波器（改變電感L）能提高濾波效果。但由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)的原因，目前應(yīng)用不普遍。2/3/202321濾波器參數(shù)指標(biāo)的校驗(yàn)

1）電壓平衡：校驗(yàn)支路濾波電容器的額定電壓2）電流平衡：校驗(yàn)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(duì)濾波支路僅考慮I1和Ih

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

2）濾波支路品質(zhì)因數(shù)q值的計(jì)算其中，δs為濾波器接點(diǎn)看進(jìn)去的系統(tǒng)等值阻抗角。3）濾波器性能和二次保護(hù)等分析計(jì)算濾波器設(shè)計(jì)的技術(shù)性很強(qiáng)，需有專門的程序。除參數(shù)計(jì)算外，要能對(duì)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(jìn)行分析。2/3/202323EG:關(guān)于電弧爐諧波治理

電弧爐負(fù)荷特點(diǎn)和治理要求

1）三相負(fù)荷電流嚴(yán)重不對(duì)稱，嚴(yán)重時(shí)負(fù)序可達(dá)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(chǎn)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(jī)運(yùn)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(dòng)，存在電壓閃變問題。

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

XX項(xiàng)目無源部分單相等效示意圖XX項(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真2/3/202325淮北項(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真淮北項(xiàng)目無源部分單相等效示意圖

2/3/202326淮北項(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真附加電感值的選取原則

附加電感值的選取對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和無源單獨(dú)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(dú)工作時(shí)不易與電網(wǎng)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(nèi)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(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)原則

1.首先滿足系統(tǒng)總的無功補(bǔ)償要求；

2.各個(gè)“純調(diào)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(gè)調(diào)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(duì)于各個(gè)“純調(diào)諧支路”存在頻偏但也不至于會(huì)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(wǎng)電抗與并聯(lián)小電感的匹配。2/3/202328淮北項(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)思路及步驟

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

2.進(jìn)行系統(tǒng)諧波分析，確定濾波方案，并根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則確定各濾波支路需要補(bǔ)償無功；

3.n=1,第1個(gè)調(diào)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(diào)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(zhuǎn)入第2步，否則進(jìn)行輸出結(jié)果2/3/202329淮北項(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真經(jīng)過matlab6.5運(yùn)行、仿真可計(jì)算出各濾波器組的支路設(shè)置,

濾波電容器額定電壓為4.2kV。序號(hào)調(diào)諧次數(shù)濾波器類型安裝容量kvar補(bǔ)償容量kvar15單調(diào)諧2100157527單調(diào)諧900675合計(jì)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(xiàng)目無源部分設(shè)計(jì)及仿真2/3/202331無源電力濾波器軟件包的設(shè)計(jì)構(gòu)思濾波方案的確定

針對(duì)不同類型的諧波源應(yīng)采取不同的濾波方案，目前，工程中常用的方案有：

1、單調(diào)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(duì)一般的諧波源均可考慮該方式；

2、單調(diào)諧濾波器比較適用于諧波負(fù)荷容量不大的諧波源；

3、雙調(diào)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(bǔ)償?shù)那闆r；

4、高通濾波器對(duì)于諧波負(fù)荷容量不大的場合，也可只設(shè)置高通濾波器。2/3/202332無源電力濾波器軟件包的設(shè)計(jì)構(gòu)思該軟件包要實(shí)現(xiàn)的功能

1、實(shí)現(xiàn)無源電力濾波器技術(shù)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(bǔ)償容量滿足要求。

2、實(shí)現(xiàn)無源電力濾波器安全要求

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

3、盡可能的通用化

根據(jù)工程要求，在設(shè)計(jì)軟件包時(shí)要盡可能使考慮的因素多一些，適當(dāng)?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