无源电力滤波器设计.doc

无源电力滤波器设计谭 东 旭 2006年 2006年2月珠海Friday, March 11, 20111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Friday, March 11, 20112项目简介淮北供电公司SVC工程方式，实现动态的无功补偿, 采用 TCR+PF+APF 方式，实现动态的无功补偿,兼对谐波 进行治理； 进行治理；系统构成：晶闸管控制电抗器（TCR） 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） 无源滤波器（PF）、有源滤波器（APF） ）、有源滤波器 控制系统及保护装置 其中无源电力滤波器设置5 、（11次支路）。 11次支路 其中无源电力滤波器设置5次、7次、（11次支路）。Friday, March 11, 20113项目简介 淮北项目原理接线图Friday, March 11, 20114新型并联混合型有源电力滤波器系统构成和原理项目简介单相示意图Friday, March 11, 20115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 几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。 几组单调谐滤波器和一组高通滤波器Friday, March 11, 20116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： 滤波器对n次谐波（ n = n S ）的阻抗为：1 Z fn = R fn + j ( n S L ) 二阶高通滤波器 n S C 1 1 1 Z +( + ) 1 其阻抗为： 其阻抗为： n = jn S C R jn S LZfnZnRR 0Friday, March 11, 2011 /(nS)1 27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。阻抗频率特性：阻 抗优点：双调谐滤波器投资较小，且基波损耗较小； 频率 缺点：其结构相对比复杂，调谐困难，故应用还较少。 ，Friday, March 11, 20118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、 优点: 具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、 缺点: 缺点: 运行费用较低等。 运行费用较低等。 易与电网阻抗发生谐振，不能实现动态补偿无功。 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Friday, March 11, 20119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； 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 参数的求取是通过反复计算和比较来实现的， 即其 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 功补偿和谐波标准的要求，很难实现全局优化。 功补偿和谐波标准的要求，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， 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。 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。Friday, March 11, 201110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： 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） （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） （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。 反之，不但不能抑制还可能放大谐波，产生谐振。设计步骤o o o o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 单调谐滤波器的设计 二阶高通滤波器设计常见滤波支路的设计o oFriday, March 11, 201111单调谐滤波器设计失谐无源电力滤波器设计方法总的等值频率偏差或总失谐度 eq = 式中， = 式中，f=f-fn。f 1 L C + ( + ) fn 2 L C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 需要选择最佳的品质因数， 在频漂及参数漂移下的滤波效果。 在频漂及参数漂移下的滤波效果。 Z 最佳Q值为 最佳 值为 Qopt =fnctg ( m / 2 ) cos m + 1 = 2 m 2 m sin m25 A 20 15 10 5 0 -6 PB C D -4 -2 0 2B一般约在3060内） （ 一般约在 内 (%)4 6Friday, March 11, 201112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Q 首先根据需要确定出系统所需要补偿的总基波无功 c，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： 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分配 ） n2 确定出各个滤波支路需要补偿的基波无功 2n 1 C= 2 U (1)s n2 Q12Q1 = s Cn 12U (1)L=1 n 2 s2CminX0 n s L Rfn = = Qopt QoptFriday, March 11, 201113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为电容器的基波和谐波无功容量之和： 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：S ( n ) = Q(1) + Q( n ) =1 2 1 I f (1) + I 2(n) f sC n s C可求得 该支路输出的基波无功容量为： 该支路输出的基波无功容量为：Q1 = U (1) I f (1)Q1min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： 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：n2 2 = sC 2 U (1) n 11 n2 2 = U (1) I f ( n ) = s Cmin 2 U (1) n 1 n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 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。 定出来了。Friday, March 11, 201114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U 电容器电压校验公式为： 电容器电压校验公式为： C1 +电容器过电流校验公式为： 电容器过电流校验公式为： 电容器容量平衡关系为： C 1 电容器容量平衡关系为： QUCh 1.1U CN2 2 I C 1 + I Ch 1.3 I CN+ Q Ch 1.35QCNU CN , I CN , Q CN 为电容器的额定电压、额定电流、额定容量。 为电容器的额定电压、额定电流、额定容量。按上述三个原则可确定三个电容器额定容量，取其中 按上述三个原则可确定三个电容器额定容量，取其中最大容量 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 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。Friday, March 11, 201115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， 次谐波电压 个单调谐滤波器， 设共需装设 个单调谐滤波器，最佳调谐锐度为 ，h次谐波电压 HRUh = H(i) 含有率h U 1I h （i=1,2,m） 设 (i ) = 2 h 1 q (i ) 则滤波支路每相输出基波无功为： 则滤波支路每相输出基波无功为：Qh (i ) = H (i )m可在H(i)i =12 HRU 时，应取何值使 Qf =mQ (i) 最小的问题化i=1 h为极值问题求解。从而确定，并进一步求得 、 、 。 为极值问题求解。从而确定，并进一步求得C、L、R。Friday, March 11, 201116无源电力滤波器设计方法Q 确定高通滤波器支路的基波无功容量为： 确定高通滤波器支路的基波无功容量为： hc1 = Qc1 Qhc1Q 为系统需要补偿的总的无功功率； 其中， 其中， c 1 为系统需要补偿的总的无功功率； Qhc1 为单调谐支路的无功功率二阶高通滤波器设计Q h1 p = Q hc1 / 32 m = 1 / qhX c1 = U 12 / Q h1 p R = X c1 / n0 L = mR 2 C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。Friday, March 11, 201117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。Friday, March 11, 201118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）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。 19Friday, March 11, 2011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）UC1 +Uh1Ch 1.1U CN2 U C1 + hUh12 Ch 1.16U CN设h次谐波电压含有率为HRUh，通过推导可得到：XC (HRUh )U1q .h IhQCN =2 2 3UCN 3UCN I h XC (HRUh )U1hq2 IC1 +I2 Ch=1.3ICN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：QCN QC1 + QChFriday, March 11, 201120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XL = XC h2L = X1LI L1 = 1.3QCN 3U CN以上为单调谐滤波器参数的初步选择。 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。Friday, March 11, 201121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U CN25 h2 = 2 U 1 + U h h 1 h=22）电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平2 2 IC1 +ICh 1.3IC1，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：QCN =2 3UchIhh2 hU ( 2 U1 )2 h 12 chFriday, March 11, 201122其它分析、计算工作1）滤波支路等值频偏（总失谐度）的计算 f 1 L C = 1 + ( + + r ) f1 2 L C 2）滤波支路品质因数q值的计算 ctg(s / 2) 1 cos s q= = 2 2 sin s 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。Friday, March 11, 201123EG:关于电弧炉谐波治理 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PCC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。Friday, March 11, 201124XX项目无源部分设计及仿真 XX项目无源部分设计及仿真XX项目无源部分单相等效示意图Friday, March 11, 201125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LC5 . L5C7ZfhL7La0.024mHAPFFriday, March 11, 201126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 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。 容量都有重要影响。 1.出于系统工作稳定性出发 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不易与电网发生谐振。 首先要保证系统无源部分单独工作时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 的值，保证包括附加电感La 滤波支路的参数选取La的值 要求根据 滤波支路的参数选取 的值，保证包括附加电感 在内的无源部分有一定的频偏。 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。 2.在不发生谐振的情况下无源部分要有较好的滤波效果。 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， 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， 从减小APF容量出发 La的值尽量要取的小一些 来减小其上分得的基波电压。 来减小其上分得的基波电压。Friday, March 11, 201127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； 1.首先满足系统总的无功补偿要求； 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； 2.各个“纯调谐支路”满足零频偏； 各个 3.兼顾并联小电感的选取原则， 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 兼顾并联小电感的选取原则 感值大小尽量接近，这样使得并联小电感对于各个“ 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。 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， 4.在不发生谐振的情况下无源部分要有较好的滤波效果， 在不发生谐振的情况下无源部分要有较好的滤波效果 也要考虑电网电抗与并联小电感的匹配。 也要考虑电网电抗与并联小电感的匹配。Friday, March 11, 201128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， 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 给定各次谐波电流 容量修改国标中各次谐波电流限值； 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， 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 进行系统谐波分析 定各滤波支路需要补偿无功； 定各滤波支路需要补偿无功； 3. n=1,第1个调谐滤波器； n=1,第 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； 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； 根据第 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 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 基波最小无功量Q 及其安装容量S 压UcN、基波最小无功量 ch及其安装容量 ch； 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， 6.由第4 步两者中较小者作为该单调谐滤波器的基波容抗， 由第 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.如果n不等于m n+1,转入第2 如果 转入第Friday, March 11, 201129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。序号 1 2 合计 无源滤波器参数 5次支路 L5 C5 R5 3.21 mH 126.38F 0.17 L7 C7 R7 7次支路 3.82 mH 54.16 F 0.28 调谐次数 5 7 滤波器类型 单调谐 单调谐 安装容量 kvar 2100 900 3000 补偿容量 kvar 1575 675 2250并联小电感 La（mH） （ ） 0.515 mHFriday, March 11, 201130淮北项目无源部分设计及仿真Friday, March 11, 201131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， 针对不同类型的谐波源应采取不同的滤波方案，目前，工程 中常用的方案有： 中常用的方案有： 1 、单调谐滤波器与高通滤波器这种方案是最典型的，也是最常用的一种， 这种方案是最典型的，也是最常用的一种，对一般的谐波源均可 考虑该方式； 考虑该方式；2、单调谐滤波器 、比较适用于谐波负荷容量不大的谐波源； 比较适用于谐波负荷容量不大的谐波源；3、双调谐滤波器与高通滤波器 、比较适用高电压、大容量的滤波兼无功补偿的情况； 比较适用高电压、大容量的滤波兼无功补偿的情况；4、高通滤波器 、对于谐波负荷容量不大的场合，也可只设置高通滤波器。 对于谐波负荷容量不大的场合，也可只设置高通滤波器。Friday, March 11, 201132无源电力滤波器软件包的设计构思该软件包要实现的功能1、实现无源电力滤波器技术要求 实现无源电力滤波器在确定的系统和谐波源条件下，以最少的投资，使母线电压含有率、 在确定的系统和谐波源条件下，以最少的投资，使母线电压含有率、注入 系统的各次谐波电流和无功补偿容量满足要求。 系统的各次谐波电流和无功补偿容量满足要求。2、实现无源电力滤波器安全要求 实现无源电力滤波器滤波器设计需要考虑的因素很多，计算量大，采用的方法不同，则滤波器 滤波器设计需要考虑的因素很多，计算量大，采用的方法不同， 各个元件的参数的选择结果也就有所不同， 各个元件的参数的选择结果也就有所不同，当安装某一方法确定各个元件 的参数后，一般要进行滤波效果分析和滤波电容器安全要求校验， 的参数后，一般要进行滤波效果分析和滤波电容器安全要求校验，当不满 足要求时，则需修改参数，重新设计。 足要求时，则需修改参数，重新设计。3、尽可能的通用化 尽可能的根据工程