供电系统谐波治理技术讲座

无源电力滤波器的设计与调试

华北电力大学电气工程学院

一、无源LC滤波器根本原理和结构

LC滤波器仍是应用最多、最广的滤波器。

1、常用的两种滤波器：调谐滤波器和高通滤波器。

2、滤波器设计要求

1〕使注入系统的谐波减小到国标允许的水平；

2〕进行基波无功补偿，供应负荷所需的无功功率。

3、单调谐滤波器

由图主电路可求：

调谐频率：

调谐次数：

在谐振点：∣z∣＝R

特征阻抗：

品质因数：

q为设计滤波器的重要参数，典型值q=30～60。

4、高通滤波器

用于吸收某一次数及其以上的各次谐波。如下图。

复数阻抗：

截止频率：

结构参数：，一般取m=0.5~2；

q=0.7

~

1.4

依据以上三式可设计高通滤波器的参数。

二、滤波器设计内容和计算公式

1、滤波器参数选择原那么

原那么：最小投资；母线

THDU

和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运行。

参数设计、选择前必须掌握的资料：

1〕系统主接线和系统设备〔变压器、电缆等〕资料；

2〕系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等；

3〕谐波源特性〔谐波次数、含量、波动性能等〕；

4〕无功补偿要求；要到达的滤波指标；

5〕滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求。

以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。

案例设计问题：没有系统最终规模的谐波资料……

2、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。

1、滤波器参数选择原那么

原那么：最小投资；母线

THDU

和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运行。

参数设计、选择前必须掌握的资料：

1〕系统主接线和系统设备〔变压器、电缆等〕资料；

2〕系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等；

3〕谐波源特性〔谐波次数、含量、波动性能等〕；

4〕无功补偿要求；要到达的滤波指标；

5〕滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求

以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。

本案例1段母线滤波器接线〔图纸拷贝〕……。

3、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、平安指标和经济指标，往往需经多个方案比拟后才能确定。

4、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。无功补偿要求沉着量需求平衡角度，通过计算综合确定。

2〕滤波器根本参数的分析

电容器根本参数：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〕。

为保证电容器平安运行，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

为滤波器的最正确品质因数。以上是从保证电容器电压要求初步选择的参数。但为保证电容器的平安运行还应满足过电流和容量平衡的要求，公式如下：

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、屡次频率特性仿真计算结果确定；并根据要求指标进行校验。

为保证平安运行，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。

5、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〕+ΣQ

h

(谐波容量)；

对滤波支路仅考虑I1

和Ih

通过时，近似有：

6、其它分析、计算工作

1〕滤波支路等值频偏〔总失谐度〕的计算

2〕滤波支路品质因数q值的计算

其中，δs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。

三、案例滤波器设计方法介绍

1、案例简介

2、谐波数据合成中频炉属交－直－交供电，换流脉动数为6，特征谐波值为6K±1次谐波。非对称触发等原因，存在非特征谐波。

福建中试测试：线2、线4和中频炉馈线；各谐波电压畸变率全部超标，5、11、13及以上谐波电流超标。

非在电网最小方式、钢厂非满负荷下的测试，测试结果偏小；及今后8台炉投运超标肯定更大。

设计问题：没有单台电炉谐波测试数据，没有新供电方案下负荷同时运行测试数据，需根据经验及现有供电方案谐波测试数据进行分析获取设计数据。

按电炉变80％负荷率合成各母线谐波电流……。

3、基波无功容量计算

按母线电炉全部运行功率因数大于0.9，单炉运行功率因数应小于1，治理前平均功率因数取0.85条件，通过程序计算各段母线的三相基波补偿容量：

10KV

I段：Q=3.8MVAR

10KV

II段：Q=2.65MVAR

605频炉线：

Q=1.9MVAR4、考核标准计算和滤波器配置选择

根据各母线的短路容量，计算各段母线电炉运行过程中的谐波考核标准；以及比照合成的谐波电流水平，选择、配置各段母线的滤波器。

总电压畸变率国标规定的限值

各级电网谐波电压限值〔%〕

电压〔KV〕

THD

奇次

偶次

0.38

5..4.0

2.0

6.10.4

3.2

1.6

35.66

2.4

1.2

1.6

0.0

允许注入电网的各次谐波电流国标规定限值〔局部〕

短路容量不同时的换算公式：

根据短路容量换算案例的各母线谐波电流允许值。

标称电压〔KV〕

基准短路容量〔MVA〕

010.0

100.0

0.260

020.0

013.0

020.0

008.5

015.0

006.4

006.8

005.1

009.3

〔I〕010.0

116.0

025.0

016.5

012.5

016.9

008.2

013.3

006.1

006.5

004.9

008.7

(II)010.0

116.0

019.1

010.1

009.5

010.8

006.2

009.0

004.7

005.0

003.7

006.5

(605)010.0

080.0

011.1

005.1

005.6

005.6

003.6

004.9

002.7

002.9

002.2

003.7

标称电压〔KV〕

基准短路容量〔MVA〕

010.0

100.0

004.3

007.9

003.7

004.1

003.2

006.0

002.8

005.4

002.6

002.9

〔I〕010.0

116.0

004.1

007.5

003.6

003.9

003.1

005.8

002.7

005.2

002.5

002.8

(II)010.0

116.0

003.2

005.7

002.7

003.0

002.3

004.4

002.1

004.0

001.9

002.1

(605)010.0

080.0

001.8

003.3

001.6

001.8

001.4

002.6

001.2

002.3

001.1

001.2

标称电压〔KV〕

基准短路容量〔MVA〕

010.0

100.0

002.3

.004.5

.004.5

002.1

004.1

〔I〕010.0

116.0

002.2

004.3

004.3

002.0

003.9

(II)010.0

116.0

001.7

003.3