无源电力滤波装置设计方法说明
摘要：国家电力部门越来越重视电网谐波造成的电网污染，其使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障。为此，我公司结合高校资源等研究无源电力滤波装置。 关键词：电网污染 电力滤波 供电
国家电力部门越来越重视电网谐波造成的电网污染，其使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障。为此，我公司结合高校资源等研究无源电力滤波装置。
一、设计目标
a) 使得负载注入电网的谐波电流满足国家标准要求；
b) 补偿负载所需无功，提高功率因数；
二、设计准则
a) 谐波性能指标达到国家要求
i. 谐波电压要求
ii. 谐波电流要求
表2 注入公共连接点的谐波电流允许值
b) 在满足滤波要求的情况下，装置经济价格最低；
c) 保证在正常失谐的情况下滤波器仍能满足各项技术要求；
d) 电网阻抗变化会对滤波装置尤其是单调谐滤波器的滤波效果有较大影响，同时电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能，设计时应予以考虑。
三、设计方法
a) 需测量参数
i. 各次谐波电流电压幅值，；
ii. 系统短路容量Sk；
iii. 电压等级U；
iv. 系统功率因数；
v. 变压器容量S；
b) 补偿无功功率计算
设目标功率因数为，一般为0.9以上，则需补偿的无功功率Q可由下式算出，
得到需要补偿的无功功率后，一般原则是将其平均分配至各滤波支路，以保证各支路基波损耗接近；若需补偿无功功率较大，可以选择在无源滤波支路外并联一条无功补偿支路；
c) 无源滤波支路参数计算
常用的无源滤波支路接线方式如图3所示，其中单调谐滤波器，二阶高通滤波器以及C型阻尼高通滤波器较常用。其中单调谐滤波器主要针对谐波电流较大的低次谐波，二阶及C型阻尼高通滤波器主要应用于滤除高次谐波。本计算程序主要针对上述三种滤波器进行参数计算。
图3 滤波器常用接线方式
i. 单调谐支路参数计算方法
单调谐支路参数计算主要包括确定C、L、R的大小，额定电流，额定电压等部分。
1． 根据系统谐波电流情况确定单调谐支路的谐振频率f；
2． 根据谐波电流的大小计算所需电容器C的容量，计算公式为
其中为电容器容量，为相电压有效值，为该次电流谐波有效值。若继续考虑无
功补偿要求，可以按平均分配的原则增大，满足系统的无功补偿需要；
3． 根据计算出所需电容C的大小，计算公式为
其中为系统的基波角速度，为电容器的额定电压；
4． 根据C和支路谐振频率计算电感L的大小，计算公式为
其中n为谐波电流次数，为了增加系统鲁棒性，计算时基波频率取49.7Hz；
5． 根据滤波效果选取滤波支路品质印数Q，一般Q选取范围是30－60，假设电抗器电阻为
，则需要加的电阻器R的大小为
考虑到散热以及成本问题，在滤波效果满足要求的情况下，可以不加电阻器；
6． 得到滤波器参数C、L、R之后，计算出支路阻抗的频率特性，根据图4所示模型计算流入电网的谐波电流
图4 谐波源负载模型
图中谐波源等效为一个电流源的谐波电流为
，流入电网电抗
并联其内阻，即负载电抗的谐波电流为
的形式。流入滤波装置电抗Z
，其中等效电抗
流入电网的谐波电流为
若流入电网的谐波电流满足国家标准，则进行下一步的校核，若不满足要求，则降低R的大小，并对C、L参数进行微调，进一步减少流入电网的谐波电流；
7． 计算滤波器正常失谐情况下，滤波性能是否能够达到标准，若不能达到标准需要进一步调整C、L、R参数；
8． 计算电网阻抗和滤波支路的等效并联阻抗，检验是否在特征频率下发生并联谐振，若发生并联谐振则需要进一步微调C、L、R参数；
9． 当C、L、R参数满足上述所有要求的情况下，进一步校核各器件的额定电流以及额定电压，使得电容器的额定电流电压容量满足
其中U，I，Q依次为电压电流容量，C1，Ch，CN依次为基波谐波和额定值。
ii. 高通滤波器支路
高通滤波器和C型阻尼高通滤波器的设计方法类似，下面以高通滤波器为例说明其C、L、R参数的设计方法。
1． 与单调谐滤波器设计思路类似，根据需要补偿的无功功率确定电容C的大小；
2． 根据滤波需要设计所需的截止频率f，一般取高于最高次单调谐滤波器的谐振频率；
3． 根据C和f计算R的大小，满足
4． 对于高通滤波器，定义m
一般取m在0.5-2之间。计算得出电抗器L的大小。
5． 对于C型阻尼高通滤波器，可以根据截至频率f和C确定，为
其中其满足和
为系统角频率，为截止频率对应的角频率。得到后，设计电抗器L的参数，使
在基波频率下发生串连谐振。另外，也可以利用和步骤5中同样的方法确定L的大
的大小。
小，并利用谐振关系确定
6． 和单调谐滤波器类似，检验正常情况下的滤波效果，在失谐情况下的滤波效果，以及是否会和系统阻抗发生并联谐振。若各项要求都满足，则确定滤波器的参数，否则对参数进行微调；
7． 计算滤波支路的电压电流大小，计算得出各元件的额定电压电流大小；
四、计算程序清单，使用方法详见程序注释以及算例设计。（计算程序基于MATLAB R2006a软件）
i．系统阻抗计算程序 (cal_sys_imp.m)
ii．单调谐滤波器参数计算程序 (cal_tune_para.m)
iii．高通滤波器参数计算程序 (cal_highpass_para.m)
iv． C型高通滤波器参数计算程序 (cal_c_highpass_para.m)
v．无功补偿参数计算程序 (cal_reactive_para.m)
vi．系统性能仿真程序 (system_simulation.mdl, system_analysis.m)
五、算例设计
本节针对某轧钢厂谐波治理项目，使用第四节中的程序，计算滤波支路以及无功补偿支路的参数。本节图文并茂，尽可能详细的演示了如何使用第四节中的程序，可作为以后设计谐波治理装置的参考。
某轧钢厂谐波治理项目
本系统为轧钢厂低压侧系统，变压器为10/0.4KV、其容量为1600KW。已
知工厂主要用电设备为轧钢机（132KW*2组，DC电机），平整机（75KW，DC电机），分卷机（45KW*2组，DC电机）。另有电炉480KW一组、280KW一组，后续可能上一组300KW电炉。
在以下情况下测量谐波含量：测量时只有（132KW*2组，DC电机）运行，其它均未投运。其中5次、7次、11次谐波电流见表，功率因数为0.3，变压器短路容量为5MVA。
5次、7次、11次谐波电流
谐波次数 A相谐波电流 B相谐波电流 C相谐波电流 5次 132.210 134.315 128.155 7次 25.029 24.937 24.076 11次 28.347 28.793 27.685 备注：以上数据测量为满足前提条件时的数据
项目要求：根据以上数据合理设计无源滤波装置，要求能有效的消除抑制谐波。另需计算出本系统的电容补偿容量。即最终结果要求是谐波治理加电容补偿。
第一步：
使用cal_sys_imp.m，根据系统短路容量，算出系统阻抗。首先打开cal_sys_imp.m文件，然后按照实际系统设置框中的数值，如图1所示。保存文件后，按F5执行程序。运行结果显示在Matlab主窗口中，见图2。
图1 短路容量计算参数设置
图2 短路容量计算结果
第二步：
使用cal_tune_para.m计算各个支路的电容器电抗器参数。使用cal_tune_para.m又分为两小步，首先是根据系统所给参数计算出最小电容容量，然后需要根据实际产品，选取一个大于此最小容量的规格，然后再次计算，求出最终的电容器和电抗器参数。
下面以5次支路为例，给出计算过程。首先打开cal_tune_para.m文件，设置相关参数，见图3。这一次只设置实线框内的数据，并注意此时虚线框内的代码，此时必须加%注释掉。参数设置完成后，按F5运行程序，运行结果在Matlab主窗口中，见图4。
图3 计算滤波器支路参数时的相关设置
图4 单调谐滤波支路参数计算结果
图4中得到的电容额定容量是必须要满足的最小电容额定容量，由于实际产品不一定存在92.7KVA/400V的规格，因此需要进行调整。选额定容量为100KVA/400V的电容器，再次进行计算。将图3中虚线框内代码前的%去掉，并设置数值为100e3，按F5运行程序，得到运行结果如图5所示。
图5 滤波支路(5次)参数的最终计算结果
7次和11次滤波支路的参数计算，可参考5次的进行。后面第三步设置参数和得到运行结果，同前两步相似，故不再给出图示。
第三步：
使用cal_reactive_para.m计算需要系统补偿的无功功率。按照当前负载运行情况设置参数，运行程序，得到需要补偿的无功功率。
第四步：
使用cal_highpass_para.m计算高通滤波器的参数。高通滤波器起的主要作用为无功补偿，并且加入失谐电抗器，防止滤波器同系统阻抗发生谐振；对高于13次的谐波电流，也有很好的消除效果。高通滤波器中，需要补偿的无功功率计算如下：
设第三步给出的无功功率为Q1，单调谐滤波各个支路的电容容量之和为Q2，则高通滤波器中，需要补偿的无功功率Q=Q1-Q2/2.5。设置完成后，保存，按F5运行程序即可得到相关参数。
第五步：
使用system_simulation.mdl进行系统性能仿真，仿真结果存入Matlab变量Sim_result中。根据前面的计算结果，设置system_simulation.mdl中的相关参数。运行仿真程序，仿真完成后，运行system_analysis.m，即可得到加入滤波器后系统的功率因数，谐波电流，以及各个滤波支路的电流大小，如图6所示。
图6 加入谐波治理装置后系统仿真结果
说明：本次研究结果未进行实际应用，其设计方法及计算程序如有漏洞，还请各网友进来讨论。