1、無(wú)源電力濾波器設(shè)計(jì)譚 東 旭 2019年2月珠海7/19/20221目錄1.項(xiàng)目簡(jiǎn)介2.無(wú)源電力濾波器基礎(chǔ)知識(shí)3.無(wú)源電力濾波器常見(jiàn)設(shè)計(jì)方法4.淮北項(xiàng)目無(wú)源部分設(shè)計(jì)及仿真5.無(wú)源電力濾波器軟件包的設(shè)計(jì)構(gòu)思7/19/20222項(xiàng)目簡(jiǎn)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(wú)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(wú)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(wú)源電力濾波器設(shè)置5次、7次、（11次支路）。 7/19/20223項(xiàng)目簡(jiǎn)介淮北項(xiàng)目原理接線圖7/19/20224項(xiàng)目簡(jiǎn)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(wú)源電力濾波器基礎(chǔ)知識(shí)幾種常見(jiàn)無(wú)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。7/19/20226無(wú)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：7/19/20227無(wú)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

3、特性：優(yōu)點(diǎn)：雙調(diào)諧濾波器投資較小，且基波損耗較小；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。 ，7/19/20228無(wú)源電力濾波器基礎(chǔ)知識(shí)無(wú)源電力濾波器的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn): 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)功。無(wú)源電力濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的 主要手段7/19/20229無(wú)源電力濾波器設(shè)計(jì)方法無(wú)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(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化；即其LC參數(shù)的求取是通過(guò)反復(fù)計(jì)算和比較來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以滿足分組的無(wú)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

4、量?jī)?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。7/19/202210無(wú)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(wú)功補(bǔ)償容量） 安全要求（電容器的過(guò)電壓、過(guò)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(jiàn)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)7/19/202211

5、無(wú)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3060內(nèi)） 7/19/202212無(wú)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(wú)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(wú)功Qc，按照一定 的原則把總的無(wú)功分配的各個(gè)濾波支路，常見(jiàn)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(wú)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(wú)功 7/19/202213無(wú)源電力

6、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(wú)功容量之和：該支路輸出的基波無(wú)功容量為：在安裝容量最小時(shí)，該支路輸出的最小基波無(wú)功通過(guò)求極值得到為：一旦該支路需要出的基波無(wú)功確定，則濾波器的相關(guān)參數(shù)C、L、R就可以確定出來(lái)了?？汕蟮?/19/202214無(wú)源電力濾波器設(shè)計(jì)方法按照電容器滿足過(guò)電壓、過(guò)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(guò)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

7、、L、R。7/19/202215無(wú)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(wú)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(wú)功為： 可在 時(shí)，應(yīng)取何值使 最小的問(wèn)題化 為極值問(wèn)題求解。從而確定，并進(jìn)一步求得C、L、R。（i=1,2,m）7/19/202216無(wú)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(wú)功容量為： 其中， 為系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)目偟臒o(wú)功功率； 為單調(diào)諧支路的無(wú)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(guò)過(guò)電流、和容量平衡的校驗(yàn)。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(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小； 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(jiǎn)單）。經(jīng)濟(jì)原因高通濾波器多用于高壓。7/19/202218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(cè)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(guò)實(shí)測(cè)得到，在濾波

9、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(cè)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(wèn)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。7/19/202219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(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蟆?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(wú)功補(bǔ)償要求從容量需求平衡角度，通過(guò)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

10、XC=3 U2CN/ 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(guò)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(guò)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(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(guò)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

11、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。7/19/202221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(guò)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(duì)濾波支路僅考慮I1 和Ih 通過(guò)時(shí)，近似有：7/19/202222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，s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

12、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。 7/19/202223EG: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(wèn)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(kāi)路-短路-過(guò)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(wèn)題。 4）電爐變壓器和短網(wǎng)消耗大量無(wú)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(wú)源濾波器，但對(duì)設(shè)計(jì)的要求比較高，一般

13、采用C型電力濾波器。7/19/202224XX項(xiàng)目無(wú)源部分單相等效示意圖XX項(xiàng)目無(wú)源部分設(shè)計(jì)及仿真7/19/202225淮北項(xiàng)目無(wú)源部分設(shè)計(jì)及仿真淮北項(xiàng)目無(wú)源部分單相等效示意圖 7/19/202226淮北項(xiàng)目無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)源部分有一定的頻偏。 2.在不發(fā)生諧振的情況下無(wú)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(lái)減小其上分得的基波電壓。7/19/202227淮北項(xiàng)目無(wú)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(wú)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(wú)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(xiàng)目無(wú)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(guó)標(biāo)中各次諧波電流限值； 2.進(jìn)行系統(tǒng)諧波分析，

15、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(wú)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(wú)功量確定該支路濾波器的基波容抗； 5.求取滿足過(guò)電流和過(guò)電壓要求和容量平衡的電容器額定電 壓UcN、基波最小無(wú)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7/19/202229淮北項(xiàng)目無(wú)源部分設(shè)計(jì)及仿真經(jīng)過(guò)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

16、 kvar15單調(diào)諧2100157527單調(diào)諧900675合計(jì)30002250 無(wú)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(xiàng)目無(wú)源部分設(shè)計(jì)及仿真7/19/202231無(wú)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)

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(wú)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(chǎng)合，也可只設(shè)置高通濾波器。7/19/202232無(wú)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償容量滿足要求。 2、實(shí)現(xiàn)無(wú)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

18、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)?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(wú)源電力濾波器軟件包的設(shè)計(jì)構(gòu)思軟件包的特點(diǎn) 1、基于windows的軟件設(shè)計(jì)，可在windows中建立一個(gè)圖標(biāo)，用 鼠標(biāo)進(jìn)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(jì)算結(jié)果以窗口菜單或曲線形式給出，人機(jī)對(duì)話功能強(qiáng)。 3、使用方便，對(duì)無(wú)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(jìn)行修改，對(duì)一些重要數(shù)據(jù)，并且 可以自動(dòng)記憶，便于下次設(shè)計(jì)時(shí)直接使用。 5、如果輸入數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，軟件包會(huì)自動(dòng)提示錯(cuò)誤信