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1、7/26/2020,1,无源电力滤波器设计,谭 东 旭 2006年2月珠海,7/26/2020,2,目录,1.项目简介 2.无源电力滤波器基础知识 3.无源电力滤波器常见设计方法 4.淮北项目无源部分设计及仿真 5.无源电力滤波器软件包的设计构思,7/26/2020,3,项目简介,淮北供电公司SVC工程 采用 TCR+PF+APF 方式，实现动态的无功补偿,兼对谐波 进行治理； 系统构成： 晶闸管控制电抗器（TCR） 6kV动补SVC装置 无源滤波器（PF）、有源滤波器（APF） 控制系统及保护装置 其中无源电力滤波器设置5次、7次、（11次支路）。,7/26/2020,4,项目简介,淮北项目
2、原理接线图,7/26/2020,6,无源电力滤波器基础知识,几种常见无源电力滤波器原理电路图,(a)单调谐滤波器； (b) 双调谐滤波器； (c) 双调谐带高通特性的滤波器；(d)一阶高通滤波器 (e) 二阶高通滤波器；(f) 三阶高通滤波器； (g) C型高通滤波器,实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。,7/26/2020,7,无源电力滤波器基础知识,单调谐滤波器 滤波器对n次谐波（ ）的阻抗为： 二阶高通滤波器 其阻抗为：,7/26/2020,8,无源电力滤波器基础知识,双调谐滤波器 有两个谐振频率，同时吸收这两个频率的谐波，其作用等效于 两个并联的单调谐滤波器。,
3、阻抗频率特性：,优点：双调谐滤波器投资较小，且基波损耗较小； 缺点：其结构相对比复杂，调谐困难，故应用还较少。 ，,7/26/2020,9,无源电力滤波器基础知识,无源电力滤波器的优缺点 优点: 具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、 运行费用较低等。 缺点: 易与电网阻抗发生谐振，不能实现动态补偿无功。 无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的 主要手段,7/26/2020,10,无源电力滤波器设计方法,无源电力滤波器设计方法分为： 传统设计方法 该设计方法仅对部分指标基于工程经验的近似求解，无法实现优化；即其LC参数的求取是通过反复计算和比较来实现的，以满足分组的无功补偿和谐波标准
4、的要求，很难实现全局优化。 最小容量优化设计 多目标优化设计 优化设计方法 自适应进化设计 遗传算法设计 改进的遗传算法设计 、 根据具体应用条件和要求，依某一个或两个指标为目标，用非线性规划或遗传算法等进行优化设计，这些设计方法能实现一定程度的优化。,7/26/2020,11,无源电力滤波器设计方法,传统设计方法 参数选择合理应满足： 技术要求（谐波电压、谐波电流、无功补偿容量） 安全要求（电容器的过电压、过电流和容量平衡） 反之，不但不能抑制还可能放大谐波，产生谐振。 设计步骤 准备设计的原始数据 确定滤波装置的构成 滤波装置中各滤波器的初步设计 滤波装置的最后确定 常见滤波支路的设计 单
5、调谐滤波器的设计 二阶高通滤波器设计,7/26/2020,12,无源电力滤波器设计方法,单调谐滤波器设计 失谐 总的等值频率偏差或总失谐度 式中，f=f-fn。 最佳调谐锐度值 需要选择最佳的品质因数，以保证滤波器对频率的选择性和滤波器 在频漂及参数漂移下的滤波效果。 最佳Q值为 （ 一般约在3060内）,7/26/2020,13,无源电力滤波器设计方法,初步确定电容器参数 按照无功补偿容量进行计算 首先根据需要确定出系统所需要补偿的总基波无功Qc，按照一定 的原则把总的无功分配的各个滤波支路，常见的分配原则有： 1）按照谐波电流的大小进行分配 2）按照无功平衡时电容器总安装容量最小的原则进行
6、分配 确定出各个滤波支路需要补偿的基波无功,7/26/2020,14,无源电力滤波器设计方法,按照滤波电容器安装容量进行计算 单调谐滤波器安装容量S（n）为电容器的基波和谐波无功容量之和： 该支路输出的基波无功容量为： 在安装容量最小时，该支路输出的最小基波无功通过求极值得到为： 一旦该支路需要出的基波无功确定，则滤波器的相关参数C、L、R就可以确定出来了。,可求得,7/26/2020,15,无源电力滤波器设计方法,按照电容器满足过电压、过电流要求和容量平衡选择电容器参数 电容器电压校验公式为： 电容器过电流校验公式为： 电容器容量平衡关系为： 为电容器的额定电压、额定电流、额定容量。 按上述
7、三个原则可确定三个电容器额定容量，取其中最大容量 作为h次单调谐滤波电容器安装容量下限，从而可确定C、L、R。,7/26/2020,16,无源电力滤波器设计方法,按满足一定电压总谐波畸变率的要求，确定各个滤波器支路输出 最小的基波无功 设共需装设m个单调谐滤波器，最佳调谐锐度为q，h次谐波电压含有率 设 则滤波支路每相输出基波无功为： 可在 时，应取何值使 最小的问题化 为极值问题求解。从而确定，并进一步求得C、L、R。,（i=1,2,m）,7/26/2020,17,无源电力滤波器设计方法,二阶高通滤波器设计 确定高通滤波器支路的基波无功容量为： 其中， 为系统需要补偿的总的无功功率； 为单调
8、谐支路的无功功率,然后，再确定出电容器的额定电压，最后为了满足安全要求还应通过过电流、和容量平衡的校验。,7/26/2020,18,滤波器结构及接线方式选择,由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。工程接线可灵活多样，但推荐采用电抗器接电容低压侧的星形接线，主要优点是： 1）任一电容击穿短路电流小； 2）设备承受的仅为相电压； 3）便于分相调谐。 高通滤波器多采用二阶减幅型结构（基波损耗小，频率特性好，结构简单）。经济原因高通滤波器多用于高压。,7/26/2020,19,滤波器设计参数的分析处理,参数设计必须应依据实测值或绝对可靠的谐波计算值，但根据具体情况可作一些近似处理： 1
9、）母线短路容量较小或换算得到的系统电抗（包括变压器）XS较大时，可忽略系统等值电阻RS； 2）系统原有谐波水平应通过实测得到，在滤波器参数设计时，新老谐波电流源应一起考虑； 3）L、C制造、测量存在误差，以及f、T变化可能造成滤波器失谐，误差分析是参数设计必须考虑的问题； 4）参数设计涉及技术指标、安全指标和经济指标，往往需经多个方案比较后才能确定。,7/26/2020,20,滤波器方案与参数的分析计算,1）确定滤波器方案 确定用几组单调谐滤波器，选高通滤波器截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要求。 例如：三相全波整流型谐波源，可设5、7、11次单调谐滤波器，高通滤波器截止频率选12次。无
10、功补偿要求从容量需求平衡角度，通过计算综合确定。 2）滤波器基本参数的分析 电容器基本参数：额定电压UCN、额定容量QCN、基波容抗XC，而XC=3 U2CN/ QCN（这里QCN 是三相值）。 为保证电容器安全运行，电压应限制在一定范围内。3）滤波器参数的初步计算（按正常条件） 设h次谐波电压含有率为HRUh，通过推导可得到： 其中，q 为滤波器的最佳品质因数。以上是从保证电容器电压要求初步选择的参数。但为保证电容器的安全运行还应满足过电流和容量平衡的要求，公式如下：,7/26/2020,21,滤波器方案与参数的分析计算,4)滤波器参数的初步计算 串联电抗器参数 以上为单调谐滤波器参数的初步
11、选择。 5）滤波器参数的最后确定 滤波器最终参数需通过大量、多次频率特性仿真计算结果确定；并根据要求指标进行校验。 为保证安全运行，还要选断路器、避雷器、保护等。 自动调谐滤波器（改变电感 L）能提高滤波效果。但由于技术经济的原因，目前应用不普遍。,7/26/2020,22,滤波器参数指标的校验,1）电压平衡 ：校验支路滤波电容器的额定电压 2）电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平 ，IEC为1.45倍。 3）容量平衡：QCN= QC1（基波容量）+Q h (谐波容量)； 对滤波支路仅考虑I1 和Ih 通过时，近似有：,7/26/2020,23,其它分析、计算工作,1）滤波支路等值频偏（总失谐
12、度）的计算 2）滤波支路品质因数q值的计算 其中，s为滤波器接点看进去的系统等值阻抗角。 3）滤波器性能和二次保护等分析计算 滤波器设计的技术性很强，需有专门的程序。除参数计算外，要能对滤波器的谐波阻抗、综合阻抗、谐波放大、局部谐振（串、并联）等滤波性能进行分析。,7/26/2020,24,EG:关于电弧炉谐波治理,电弧炉负荷特点和治理要求 1）三相负荷电流严重不对称，严重时负序可达正序的50%60%，熔化期也占20%。需解决不平衡问题； 2）含有2、3、4、5、7等次谐波，产生的谐波电流频谱广，含有偶次谐波，谐波治理要求高； 3）电弧炉随机运行在开路-短路-过载状态，很大的功率冲击，引起PC
13、C母线电压变动，存在电压闪变问题。 4）电炉变压器和短网消耗大量无功， 因此运行功率因数非常低，增大电网损耗、降低电压水平。 小容量电弧炉可用 LC 无源滤波器，但对设计的要求比较高，一般采用C型电力滤波器。,7/26/2020,25,XX项目无源部分单相等效示意图,XX项目无源部分设计及仿真,7/26/2020,26,淮北项目无源部分设计及仿真,淮北项目无源部分单相等效示意图,7/26/2020,27,淮北项目无源部分设计及仿真,附加电感值的选取原则 附加电感值的选取对整个系统和无源单独工作的滤波效果以及APF 容量都有重要影响。 1.出于系统工作稳定性出发 首先要保证系统无源部分单独工作时
14、不易与电网发生谐振。这就 要求根据LC滤波支路的参数选取La的值，保证包括附加电感La 在内的无源部分有一定的频偏。 2.在不发生谐振的情况下无源部分要有较好的滤波效果。 3.从减小APF容量出发，要求附加电感La的值尽量要取的小一些， 来减小其上分得的基波电压。,7/26/2020,28,淮北项目无源部分设计及仿真,设计原则 1.首先满足系统总的无功补偿要求； 2.各个“纯调谐支路”满足零频偏； 3.兼顾并联小电感的选取原则，使得各个调谐滤波支路的电 感值大小尽量接近，这样使得并联小电感对于各个“纯调 谐支路”存在频偏但也不至于会相差太大。 4.在不发生谐振的情况下无源部分要有较好的滤波效果
15、， 也要考虑电网电抗与并联小电感的匹配。,7/26/2020,29,淮北项目无源部分设计及仿真,设计思路及步骤 1.给定各次谐波电流、电压标准和系统参考短路容量，由短路 容量修改国标中各次谐波电流限值； 2.进行系统谐波分析，确定滤波方案，并根据上述设计原则确 定各滤波支路需要补偿无功； 3. n=1,第1个调谐滤波器； 4.根据第2步的基波无功量确定该支路滤波器的基波容抗； 5.求取满足过电流和过电压要求和容量平衡的电容器额定电 压UcN、基波最小无功量Qch及其安装容量Sch； 6.由第4和5步两者中较小者作为该单调谐滤波器的基波容抗， 再确定其电感与电阻 7.如果n不等于m，则 n= n+1,转入第2步，否则进行输出结果,7/26/2020,30,淮北项目无源部分设计及仿真,经过matlab6.5运行、仿真可计算出各滤波器组的支路设置, 滤波电容器额定电压为4.2kV。,7/26/2020,31,淮北项目无源部分设计及仿真,7/26/2020,32,无源电力滤波器软件包的设计构思,滤波方案的确定 针对不同类型的谐波源应采取不同的滤波方案，目前，工程 中常用的方案
