單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用魏海嘯;王軍;董鐵孝【摘要】SincetheharmonicsgeneratedtheCorporatesafetyhazardsandSeriouspollutionproblemsofthepowersystem.ThispaperintroducestheworkingprincipleofFilterandtakingthepowerdistributionsysteminaplantasanexample,Principleanddesignofsinger-tunedfilterarepresented,Theapproachtakesadvantageofknowndesignexperience,basicParametersoffilterareproposedaccordingtotheneedsofactiveloads.Thepracticeindicatesthatitachievesdesirableeffectsoffiltrationandreactivepowercompensation.Moreover,savingenergyresultisremarkable.Theresultprovethatthemodelisofpracticalvalueinproject.Thevalidityoftheapproachisprovedbypracticalapplications.%針對(duì)電力諧波給企業(yè)帶來的安全生產(chǎn)隱患及對(duì)公用電網(wǎng)造成的嚴(yán)重污染和不利影響，本文簡述了濾波器的工作原理，并結(jié)合工程實(shí)際為例，詳細(xì)闡述了單調(diào)諧濾波器的特性及其設(shè)計(jì)過程，這種設(shè)計(jì)方法根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，全面考慮設(shè)計(jì)的要求和條件，通過無功需求量確定出濾波器的基本參數(shù)，給出了結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)可靠的抑制諧波危害的辦法。實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)方案諧波抑制效果良好，節(jié)能效果顯著，在工程實(shí)踐中可行。最后，實(shí)例分析的結(jié)果也證明了設(shè)計(jì)過程的合理性。【期刊名稱】《電子設(shè)計(jì)工程》【年(卷)，期】2015(000)002【總頁數(shù)】3頁(P78-80)【關(guān)鍵詞】諧波;濾波器;電容器;電抗器【作者】魏海嘯;王軍;董鐵孝【作者單位】聊城供電公司山東聊城252000;聊城供電公司山東聊城252000;聊城供電公司山東聊城252000【正文語種】中文【中圖分類】TN102隨著現(xiàn)代工業(yè)中電子器件的廣泛使用，如：逆變裝置、中頻爐等非線性負(fù)載造成諧波污染，使電網(wǎng)電壓、電流發(fā)生畸變，給輸、配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來嚴(yán)重危害。諧波會(huì)使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生附加損耗，降低輸配電效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電氣設(shè)備；使繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)及拒動(dòng)；使電氣儀表計(jì)量不準(zhǔn)等［1］。因此分析和研究電網(wǎng)諧波治理技術(shù)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。1濾波器模型1.1單調(diào)諧濾波器工作原理單調(diào)諧濾波器由濾波電容器、電抗器等無源器件構(gòu)成，工作時(shí)與諧波源并聯(lián)，濾波原理是對(duì)相應(yīng)次數(shù)諧波形成低阻抗通道，使相應(yīng)諧波電流流入無源濾波器而避免流入輸電系統(tǒng)，它除了濾波外還兼有無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩握{(diào)諧濾波器電路及阻抗頻率特性如圖1所示。濾波器對(duì)n次諧波的阻抗為［2］:式中，31表示基波角速度；下標(biāo)fn表示第n次單調(diào)諧濾波器。單調(diào)諧濾波器利用串聯(lián)L、C諧振原理構(gòu)成，諧振次數(shù)n為：在諧振點(diǎn)處，濾波支路對(duì)n次諧波電流呈低阻狀態(tài)，n次諧波電流由Rfn分流，只有很少的流入電網(wǎng)中，從而達(dá)到將該次諧波濾除的目的［3］；而對(duì)其他次數(shù)的諧波電流則呈高阻，濾波電路分流很少。圖1單調(diào)諧濾波器電路及阻抗頻率特性Fig.1Thecircuitandimpedancefrequencycharacteristicofsingletunedfilter1.2參數(shù)確定1.2.1確定補(bǔ)償容量由于鋼廠中大量使用感應(yīng)電爐等電感性設(shè)備，使得鋼廠中各種用電設(shè)備的功率因數(shù)較低，也就是說達(dá)不到額定值，這時(shí)一般采用無功補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)，無功補(bǔ)償容量值計(jì)算公式：式(3)中：a是平均有功負(fù)荷系數(shù)，工業(yè)用戶取0.7~0.8;Pj是有功計(jì)算負(fù)荷;tg中1是補(bǔ)償前自然平均功率因數(shù)角的正切值；tg俱是補(bǔ)償后自然平均功率因數(shù)角的正切值。對(duì)于如何將無功容量分配到各次濾波支路中去，很多著名的電力公司采用不同的方法，現(xiàn)舉BBC、AEG及西門子三家公司的方法簡單介紹一下。假設(shè)補(bǔ)償無功功率為Qc，則：西Q(11):Q(13)=2:1:1:1分配無功；BBC公司則按Qc(n)=QcIn/(Jin)來進(jìn)行分配無功功率［4］。其中Qc(n)為n次濾波支路分配的無功功率；In為n次諧波電流。實(shí)際工程中無功功率的分配也不一定非得按上面這些方法進(jìn)行，為簡單起見，這里采用實(shí)際參與諧波治理的公司常用的AEG公司的分配方案。1.2.2確定電容C在無功功率分配方案確定以后，需根據(jù)無功補(bǔ)償容量確定電容C。由無源濾波器工作原理得知，調(diào)諧在次頻率的電容和電抗的關(guān)系為：式（4）中，n—諧波次數(shù)；31—基波角頻率；Ln—n次調(diào)諧支路電感值；Cn-n次調(diào)諧支路電容值。由于濾波裝置會(huì)把諧波電壓限制在一個(gè)很小的數(shù)值內(nèi)，可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為系統(tǒng)母線電壓只含基波分量U1,則：式（5）中，UC1—濾波電容器兩端基波電壓。由式（4）、（5）可得：n次調(diào)諧支路電容器提供的基波補(bǔ)償容量QC（n）為：將式（5）和（6）代入（7）得：即1.2.3確定電感L根據(jù)諧振頻率求電感：注意濾波器一般是不會(huì)非常準(zhǔn)確地調(diào)諧至調(diào)諧頻率，而是在設(shè)計(jì)過程中將調(diào)諧頻率調(diào)到低于希望頻率的3%~15%，這種調(diào)諧不僅能夠提供足夠的濾波功能，還可以提供濾波器失調(diào)容許范圍［5］。1.2.4電阻的計(jì)算與選擇式（11）中Q—濾波器品質(zhì)因數(shù)，一般30<Q<100，這里取50。如果電抗器的電阻不滿足計(jì)算結(jié)果的要求，裝置需另外加裝電阻。2設(shè)計(jì)實(shí)例現(xiàn)以筆者參加的某鋼廠的低壓濾波補(bǔ)償工程為例來介紹一下濾波補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)過程。項(xiàng)目諧波情況鋼廠有一臺(tái)1600kVA中頻變，在其400V低壓側(cè)電能質(zhì)量測量結(jié)果如下圖所示。圖2濾波裝置投入前中頻變400V母線電壓波形Fig.2Thevoltagewaveformon400Vbusbeforethefilterdeviceinputs圖3濾波裝置投入前中頻變400V母線電流波形Fig.3Thecurrentwaveformon400Vbusbeforethefilterdeviceinputs表1諧波測試電流值/ATab.1Theharmonicscurrentvalue/AnI523571181126131717151911由測量結(jié)果根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》［6-8］可知：鋼廠中頻變400V低壓側(cè)供電系統(tǒng)中，5、7次諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，其他各次諧波也接近超標(biāo)；400V母線電壓總畸變率為11.2%；平均功率因數(shù)僅為0.75。根據(jù)企業(yè)電能質(zhì)量現(xiàn)狀，對(duì)于其諧波治理按本文所述方法，計(jì)算得到無源濾波器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。表2濾波器參數(shù)表Tab.2Theparameterlistoffilter低壓側(cè)濾波補(bǔ)償裝置支路數(shù)5TH7TH電容器安裝容量/kvar420210電容器補(bǔ)償容量/kvar254124電容器額定電壓/V525525電容器單臺(tái)容量/(kvar)/(pF)35/404.2035/404.20電抗器/mH0.282/270A0.265/140A角內(nèi)額定電流/A205.2102.5連接方法4并/相2并/相安裝濾波補(bǔ)償裝置后中頻變低壓側(cè)各次諧波電流值：圖4濾波裝置投入前中頻變400V母線電壓波形Fig.4Thevoltagewaveformon400Vbusbeforethefilterdeviceinputs圖5濾波裝置投入后中頻變400V母線電流波形Fig.5Thecurrentwaveformon400Vbusafterthefilterdeviceinputs圖4~5、表3分析可見，當(dāng)濾波補(bǔ)償裝置投入后，中頻爐400V低壓側(cè)電能質(zhì)量得到了極大的改善：各次諧波電流均在標(biāo)準(zhǔn)限制值以內(nèi)；不計(jì)背景諧波情況下，中頻變400V母線電壓總畸變率UTHD=2.37%，遠(yuǎn)低于國標(biāo)允許值（5%）;濾波補(bǔ)償裝置投入以后400V母線平均功率因數(shù)提高到0.94以上，滿足要求。3結(jié)束語文章所使用的濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)是通過無功需求來計(jì)算的，該方法對(duì)于各諧波治理皆普遍適用，最后鋼廠的測量結(jié)果證明該設(shè)計(jì)方法可以很好的濾除諧波電流，提高功率因數(shù)，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行也具有十分重要的意義，應(yīng)該推廣應(yīng)用。表3諧波測試電流值/ATab.3TheHarmonicscurrentvalue/AnI52871711151311178.4193.5【相關(guān)文獻(xiàn)】林海雪，孫樹勤.電力網(wǎng)中的諧波[M].北京:中國電力出版社，1998.王兆安，楊軍，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.張寧，宋福根.單調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)及其在諧波治理中的研究[J].電氣技術(shù)，2008(7):27-29.ZHANGNing,SONGFu-gen.Singer-Tunedfilterdesigedanditsstudyforharmonicwaveharness[J].ElectricalEngineering,200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