第五章 無源濾波器

授課老師：危韌勇E-mail：rywei@時間：2/6/2023第五章無源濾波器LC濾波器是傳統(tǒng)的的諧波補償裝置．就目前而言，抵制諧波的方法可以分為兩大類：１．補償?shù)姆椒?設置LC濾波器,有源電力濾波器屬于此類方法。２．改造諧波源的方法一是設法提高電力系統(tǒng)中主要的諧波源即整流裝置的相數(shù)；二是采用高功率因數(shù)整流器。4.1LC濾波器優(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(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，不能實現(xiàn)動態(tài)補償無功。4.1.1LC濾波器的結構和基本原理LC濾波器即為無源濾波器，是由濾波電容器，電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，LC濾波器分為單調(diào)諧濾波器,高通濾波器及雙調(diào)諧慮波器等幾種。(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1.單調(diào)諧濾波器濾波器對n次諧波()的阻抗為：式中，下標fn表示第n次單調(diào)諧濾波器。由上式畫出濾波器阻抗隨頻率變化的關系曲線如圖5.2所示：圖4.1單調(diào)諧濾波器阻抗頻率特性單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)L,C諧振原理構成的．諧振次數(shù)n為：在諧振點處，，因很小，n次諧波電流主要由分流，很少流入電網(wǎng)中,而對于其他次數(shù)的諧波，，濾波器分流很少。2．高通濾波器高通濾波器也稱為減幅濾波器，圖4.3給出了四種形式的高通濾波器4.3高通濾波器a)一階b)二階c)三階d)四階一階高通濾波器需要的電容太大，基波損耗也太大，因此一般不采用。二階高通濾波器的濾波性能最好，但與三階相比，其基波損耗較高。三階高通濾波器比二階的多一個電容C2，C2容量與C1相比很小，它提高了濾波器對基波頻率的阻抗，從而大大減少基波損耗，這是三階高通濾波器的主要優(yōu)點。C型高通濾波器的性能介于二階和三階之間．C2與Ｌ調(diào)諧在基波頻率上，故可大大減少基波損耗．其缺點是對基波頻率失諧和元件參數(shù)漂移比較敏感。二階高通濾波器的阻抗為：隨頻率變化的曲線如圖4.4所示，該曲線在某一很寬的頻帶范圍內(nèi)呈現(xiàn)為低阻抗，形成對次數(shù)較高諧波的低阻抗通路，使得這些諧波電流大部分流入高通濾波器。圖4.4二階高通濾波器的阻抗頻率特性3．雙調(diào)諧濾波器雙調(diào)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(diào)諧濾波器，其電路圖與阻抗頻率特性圖4.5所示：圖4.5雙調(diào)諧濾波器電路及阻抗頻率特性雙調(diào)諧濾波器與兩個單調(diào)諧濾波器相比，其基波損耗較小,且只有一個電感L1承受全部部沖擊電壓。正常運行時，串聯(lián)電路的基波阻抗遠大于并聯(lián)電路的基波阻抗，所以并聯(lián)電路所承受的工頻電壓比串聯(lián)電路的話低得多。4.1.2LC濾波器的設計準則為保證電能質(zhì)量，許多國家制訂和頒發(fā)了諧波管理的標準，對諧波源向系統(tǒng)注入點處的諧波電壓、電流限制值作出了具體的規(guī)定。我國也相繼制訂和頒發(fā)了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》和《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（國家標準）。在設計LC濾波器時，首先應滿足各種負載水平下對諧波限制的技術要求，然后在此前提下，使濾波器在經(jīng)濟上最為合理。根據(jù)國家標準，濾波性能的下列指標都應滿足規(guī)定標準：(1)各次諧波電壓含有率

(2)電壓總諧波畸變率(3)注入電網(wǎng)的各次諧波電流大小。如需考慮諧波對通信系統(tǒng)的干擾，則濾波性能還應滿足電話諧波波形系統(tǒng)THFF或電話干擾系數(shù)TIF指標的規(guī)定要求。除以上技術要求外，設計濾波裝置還應考慮：(1)單調(diào)諧濾波器的諧振頻率會因電容、電感參數(shù)的偏差或變化而改變，電網(wǎng)頻率會有一定波動，這將導致濾波器失諧。設計時應保證在正常失諧的情況下濾波裝置仍能滿足各項技術要求：(2)電網(wǎng)阻抗變化會對濾波裝置尤其是其中的單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響，而更為嚴重的是，電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設計時必須充分予以考慮。根據(jù)以上準則，提出設計濾波裝置設計的一般步驟如下：1．準備設計的原始數(shù)據(jù)(1)設計前必須對電力系統(tǒng)的運行進行諧波分析，求出系統(tǒng)中諧波源向電力系統(tǒng)注入的各次諧波電流；(2)對電力系統(tǒng)做諧波阻抗分析，求出諧波阻抗；(3)確定電力系統(tǒng)頻率的最大正負偏差量；(4)按國家標準的規(guī)定，確定各次諧波電流、各次諧波電壓含量及電壓總諧波畸變率的極限值；(5)確定濾波裝置應提供的無功補償容量大小；(6)確定電力系統(tǒng)中的背景諧波。2．確定濾波裝置的構成濾波裝置的構成主要是指由幾組單調(diào)諧濾波器構成，是否裝設高通濾波器，其截止頻率如何選取，以及采用何種方式滿足無功補償?shù)囊?。要使濾波裝置滿足無功滿足要求，可采用兩種方法：一是按濾波要求設計濾波裝置，如其無功容量不滿足要求，加裝并聯(lián)電容器；二是加大濾波器容量，使其滿足無功補償要求。3．濾波裝置中各濾波器的初步設計 初步確定各單調(diào)諧濾波器、高通濾波器中各元器件參數(shù)、容量等。4．濾波裝置的最后確定單獨設計好各個濾波器之后，應對以下方面進行進一步的計算和校核。(1)計算濾波器之間的相互影響。(2)校核濾波裝置是否滿足諧波抑制的要求及對通信系統(tǒng)干擾的要求。(3)濾波裝置參數(shù)確定后，應對系統(tǒng)進行諧波潮流計算，若出現(xiàn)在低次非特征諧波情況下有諧振現(xiàn)象，則應考慮裝設3次濾波器。(4)對不同方案進行經(jīng)濟分析，按年費用最小作最佳選擇，最終確定濾波方案。4.1.3單調(diào)諧濾波器的設計1．單調(diào)諧波器的失諧濾波器阻抗偏離其極小值，使濾波效果變差，這種情況稱為濾波器的失諧。條件電力系統(tǒng)運行時頻率偏差（實際頻率與額定頻率不一致）電容器、電感線圈的參數(shù)變化（環(huán)境溫度、自身發(fā)熱、絕緣老化）設計時常將由參數(shù)偏差ΔL和ΔC所引起的諧振頻率相對變化量，應用諧振頻率與成反比關系，等效地近似處理為系統(tǒng)頻率的偏差，從而得到總的等值頻率偏差或總失諧度設計時,必須考慮可能的最大正頻偏值δ和最大負頻偏值δ。

考慮失諧因素時，濾波器的性能不是簡單僅由諧振頻率下的阻抗來決定，還取決于諧振頻率附近的阻抗特性。令電網(wǎng)角頻率偏差為相對偏差δ為：于是：考慮到δ<<1，由上面兩式可得：定義濾波器的調(diào)諧銳度為諧振頻率下或的電抗和的比值。圖4.6單調(diào)諧濾波器阻抗與總失諧度關系表4.1圖4.6中四條曲線對應的參數(shù)進一步考慮由電容器和電感線圈引起的失諧,上兩式中的δ應由替換，可得：若不考慮濾波器連接處系統(tǒng)阻抗的影響，則Q值越大，越小，濾波效果越好。Q=∞時，，，在給定的和下，諧波電壓最小，但實際下電感線圈總有一定的電阻，Q必定為有限值。如果某一Q值下諧波電壓達不到濾波要求，應減小，降低Q值。圖4.7單調(diào)諧波的阻抗軌跡2．最佳調(diào)諧銳度角的確定由式(4-9)知，當為給定值時，濾波器的電抗，則隨著Q值的不同而改變。在此情況下，在阻抗平面上的軌跡將是一條水平線，如圖4.7所示：將阻抗軌跡映射到導納平面上為一半圓，如圖4.8所示。半圓的直徑為，并與G軸相切于原點。導納平面上的各點均可在阻抗平面上找到相應的點。圖4.8單調(diào)諧濾波器導納軌跡及系統(tǒng)導納平面圖4.8中的陰影部分為系統(tǒng)的諧波導納平面，它由系統(tǒng)諧波阻抗映射得來。在缺乏系統(tǒng)詳細參數(shù)時，可用系統(tǒng)最大阻抗角描述系統(tǒng)諧波阻抗，認為全部諧波阻抗都在最大阻抗角的范圍內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗，最大阻抗角一般在±80°~±85°范圍內(nèi)。單調(diào)諧濾波器是與系統(tǒng)并聯(lián)的，因此從諧波源一側向系統(tǒng)看，綜合諧波導納為(為系統(tǒng)導納)。的端點在半圓的圓周上。設對應于圖中的，從D點可作出系統(tǒng)導納的變化范圍，如圖中陰影部分所示。若對應于圖中的，則綜合諧波導納為圖中的。交流母線上的諧波電壓因此，考慮系統(tǒng)諧波導納最不利的情況，應使為最小值，即應垂直于系統(tǒng)諧波導納陰影的邊界線。此時對應的Q值即為最佳Q值。由式(4-12)可得：比較兩式，得出最佳Q值：一般最佳Q值約在30~60的范圍內(nèi)。此外，其頻偏減小，濾波器導納軌跡半圓的半徑增大，從而增大，使得減小。因此設計時，取最大值才能保證在不同的情況下均不超過極限值。給定之后，濾波器導納軌跡半圓的直徑隨之確定。如已知系統(tǒng)的最大阻抗角，則由圖4.8中可得：4.1.4高通濾波器的設計二階高通濾波器的阻抗如下：對于高通濾波器，定義Q值為：在高通濾波器中，定義的Q值與單調(diào)諧濾波器中的定義不同，但它們在反映濾波器的調(diào)諧銳度方面是一致的。在單調(diào)諧濾波器中，串聯(lián)電阻越小，其調(diào)諧曲線越尖銳。而在高通濾波器中，電阻是與電感并聯(lián)連接的，因此，電阻值越大，調(diào)諧曲線越尖銳。從上式可得：當R→∞，高通濾波器將轉化為單調(diào)諧濾波器，其諧振頻率為；當ω→∞時，，濾波器的阻抗為R所限制實際上，在諧波頻率高于一定頻率之后，濾波器在很寬的頻帶范圍內(nèi)具有低阻特性()，實現(xiàn)了高通濾波。在設計高通濾波器時，首先要確定所抑制的諧波次數(shù)。根據(jù)已經(jīng)采用的單調(diào)諧濾波器的配置情況，并考慮到濾波對象的諧波情況，確定高通濾波器所要抑制的諧波次數(shù)。高通濾波器的特性可以由以下兩個參數(shù)來描述：式中，稱為截止頻率。高通濾波器的截止頻率一般選為略高于所裝設的單調(diào)諧濾波器的最高特征諧波頻率。在頻率的頻率范圍內(nèi)，濾波器的阻抗是小于其電阻R的一個低阻抗。式中，m是一個與Q直接有關的參數(shù)，直接影響著濾波器調(diào)諧曲線的形狀。一般Q值取為0.7~1.4，相應的m值在2~0.5之間。由于高通濾波器的運行特性對頻率失諧度不敏感，而且在相當寬的頻帶范圍