1、無源電力濾波器設計譚 東 旭 2019年2月珠海7/19/20221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(gòu)思7/19/20222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(gòu)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）。 7/19/20223項目簡介淮北項目原理接線圖7/19/20224項目簡介新型并聯(lián)混合型有源

2、電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成和原理單相示意圖7/19/20225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(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型高通濾波器實際應用中常用幾組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器組成濾波裝置。7/19/20226無源電力濾波器基礎知識單調(diào)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：7/19/20227無源電力濾波器基礎知識雙調(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。 阻抗頻率

3、特性：優(yōu)點：雙調(diào)諧濾波器投資較小，且基波損耗較小；缺點：其結(jié)構(gòu)相對比復雜，調(diào)諧困難，故應用還較少。 ，7/19/20228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(jié)構(gòu)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。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7/19/20229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(jīng)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

4、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。7/19/202210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(shù)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(chǎn)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(gòu)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(diào)諧濾波器的設計二階高通濾波器設計7/19/202211

5、無源電力濾波器設計方法單調(diào)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(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3060內(nèi)） 7/19/202212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 7/19/202213無源電力

6、濾波器設計方法按照濾波電容器安裝容量進行計算 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，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7/19/202214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(diào)諧濾波電容器安裝容量下限，從而可確定C

7、、L、R。7/19/202215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(diào)諧濾波器，最佳調(diào)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）7/19/202216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(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通過過電流、和容量平衡的校驗。7/19/20

8、2217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(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)濟原因高通濾波器多用于高壓。7/19/202218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

9、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(shù)指標、安全指標和經(jīng)濟指標，往往需經(jīng)多個方案比較后才能確定。7/19/202219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(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償?shù)囊蟆?例如：三相全波整流型諧波源，可設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

10、XC=3 U2CN/ 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(nèi)。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(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行還應滿足過電流和容量平衡的要求，公式如下： 7/19/202220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(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算結(jié)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

11、護等。 自動調(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)濟的原因，目前應用不普遍。7/19/202221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）+Q h (諧波容量)；對濾波支路僅考慮I1 和Ih 通過時，近似有：7/19/202222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(zhì)因數(shù)q值的計算其中，s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(shù)性很強，需有專門的程序。除參數(shù)計算外，要能

12、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。 7/19/202223EG: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(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(wǎng)消耗大量無功， 因此運行功率因數(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，但對設計的要求比較高，一般

13、采用C型電力濾波器。7/19/202224XX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7/19/202225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 7/19/202226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(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

14、La的值盡量要取的小一些， 來減小其上分得的基波電壓。7/19/202227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(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)小電感對于各個“純調(diào) 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(wǎng)電抗與并聯(lián)小電感的匹配。7/19/202228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，

15、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(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，否則進行輸出結(jié)果7/19/202229淮北項目無源部分設計及仿真經(jīng)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(diào)諧次數(shù)濾波器類型安裝容量 kvar補償容量

16、 kvar15單調(diào)諧2100157527單調(diào)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 3.21 mHL7 3.82 mH 0.515 mHC5 126.38mFC7 54.16 mFR5 0.17 R7 0.28 7/19/202230淮北項目無源部分設計及仿真7/19/202231無源電力濾波器軟件包的設計構(gòu)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(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

17、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。7/19/202232無源電力濾波器軟件包的設計構(gòu)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(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(jié)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

18、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)?采取一定的優(yōu)化方法，盡可能的使得該軟件包更通用化。7/19/202233無源電力濾波器軟件包的設計構(gòu)思軟件包的特點 1、基于windows的軟件設計，可在windows中建立一個圖標，用 鼠標進行操作。 2、界面友好，圖文并茂，以菜單和窗口形式輸入及顯示各種信 息，計算結(jié)果以窗口菜單或曲線形式給出，人機對話功能強。 3、使用方便，對無源電力濾波器原理比較熟悉的人員，均可直 接使用該軟件包。 4、參數(shù)修改方便，可以直接進行修改，對一些重要數(shù)據(jù)，并且 可以自動記憶，便于下次設計時直接使用。 5、如果輸入數(shù)據(jù)錯誤，軟件包會自動提示錯誤信