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1、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 滤波器基本原理和结构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，供给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： 特征阻抗：fr 1/2 LCz Rhr fr / f1XC / XL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。如图所示 复数阻抗：12L2RjR 2 2L2 jj
2、LRRjLR 2 2L22LR 212 CR1X C2 f1CRR截止频率：Lm 2R2C结构参数：，一般取 m=0.52 ； q=0.7 1.4依据以上三式可设计高通滤波器的参数、滤波器设计内容和计算公式1、滤波器参数选择原则原则：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；保证安全、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；要达到的滤波指标；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、
3、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、滤波器参数选择原则原则：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；保证安全、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
4、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；要达到的滤波指标；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，
5、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。4、滤波器方案与参数的分析计算1）确定滤波器方案无功补偿QCN 是三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 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
6、的初步计算（按正常条件）UC21hU C2h 1.16U CN2 h1 23U CN3U CN I hQCNXC（HRU h）U1hq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：I C1I Ch 1.3I CN4）滤波器参数的初步计算 串联电抗器参数L XLIL1 1.3 QCN1 3UCN 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
7、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。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h2 25UCN2h U1U hh 1 h 22）电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平， IEC 为 1.45 倍。IC21I C2h 1.3IC13）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：2QCN3Uc2hIh2h22hU c2h ( 2U1 )2h16、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
8、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q ctg( s/2) 1 cos sq 2 2 sin s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、
9、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=3.8MVAR10KV II 段： Q=2.65MVAR605 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
10、运行过程中的谐波考核标准；以及对比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0.385.4.02.06.10.43.21.635.6632.41.211021.60.0允许注入电网的各次谐波电流国标规定限值（部分）短路容量不同时的换算公式：IhIhpSkj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 ）234567891011010.0100.00.260020.0013.0020.0008.5015.0006.4006.8005.1009.3( I ) 010.0
11、116.0025.0016.5012.5016.9008.2013.3006.1006.5004.9008.7(II)010.0116.0019.1010.1009.5010.8006.2009.0004.7005.0003.7006.5(605)010.0080.0011.1005.1005.6005.6003.6004.9002.7002.9002.2003.7标称电压（KV）基准短路容 量（ MVA ）12131415161718192021010.0100.0004.3007.9003.7004.1003.2006.0002.8005.4002.6002.9( I ) 010.0116
12、.0004.1007.5003.6003.9003.1005.8002.7005.2002.5002.8(II)010.0116.0003.2005.7002.7003.0002.3004.4002.1004.0001.9002.1(605)010.0080.0001.8003.3001.6001.8001.4002.6001.2002.3001.1001.2标称电压（ KV ）基准短路容量（ MVA ）2223232425010.0100.0002.3.004.5.004.5002.1004.1( I ) 010.0116.0002.2004.3004.3002.0003.9(II)010.
13、0116.0001.7003.3003.3001.5003.0(605)010.0080.0001.0001.9001.9000.9001.8与合成的案例谐波比较：各母线谐波电流均超标，由于装置的非同时触发，存在非特征谐波超标的现象。因此 只能对主要的频谱进行设置滤波器；由于电炉运行方式大幅度变化，特别是 10KV I 段负荷变化较大，受基波无 功补偿容量限制，参数设计存在难度及影响其滤波效果。综合考虑：各母线配置 5、7、11、13 次滤波器。 5、滤波器参数设计（以 10KV I 段为例）由于中频炉谐波为连续频谱谐波，以及基波补偿电容器的限制，滤波器参数设计很难满足要求，经几十 次分析、比
14、较，确定的案例最终单相参数如下：H5H7H11H13合计电容器（ F）27.5159220.777333522.98421三相电容器安装 容量（ kvar ）18301350186012696309三相基波输出容量（ kvar ）90066611087263400电抗器（毫亨）14.745229.961782.395222.61115考虑的问题：滤波效果，电压、电流、容量是否能够平衡，是否存在谐波放大，无功是否过补等，通过对参数进行多次仿真，调整、比较和评估设计效果， 。1 段母线补偿电容器和滤波器同时运行仿真示例： 仅滤波器投入运行的仿真示例。 。四、设备定货、施工和现场调试1、拟合标准指标
15、与产品定货 按设计参数选配、拟合标准规格电容器，考虑电抗器调节范围，提出温升、耐压、损耗等指标。 电容器要求 +误差，电抗器± 5%可调，电容器质量 。 注意滤波电容器，干式、油侵电容器等问题 。2、工程施工需要注意的问题LC 滤波器属工程，结合用户现场条件、情况，设计单位应提供完善的工程资料，安装、施工要求；由于滤 波器现场安装，要求工程单位按设计施工、保证质量；做详细安装检查，保证连接正确，防止相序、设备接线 错误案例施工中的问题：连接、保护 3、现场调试主要要求和方法1）要求：保证系统可靠运行，避免系统与滤波器谐振造成的谐波放大；投切过电压限制在有效范围内；保 证滤波本身安全运
16、行，不会导致电容、电感、电阻等不发生稳态过负荷，以及投、切时的过电压、过电流不损 坏本体设备。其中，多数与设计有关 。2）步骤：测量各种工况谐波；计算系统和滤波器频率特性，研究是否可能出现谐波放大，决定滤波器是正 调偏还是负调偏；计算调整后的过电压、过电流；分析、考虑配置的保护，避雷器对投切、断路器重燃过电压 有重要作用；编写滤波器投入方案，测量考核滤波效果。案例调试中发生的问题： 。3）方法：幅频特性法：谐振时 Z=R ，滤波器电流最大；电阻上的电压最大，滤波器总电压最小；因此，通过观测两 个电压与预估的电压比较，可确定调谐回路的谐振。缺点：误差大，有计算误差、试验误差和观测误差。 相频特性
17、法：把电阻电压和滤波器总电压分别送示波器两个通道进行相角比较，可确定滤波器是否谐振。 可采用同轴或不同轴两种方法。同轴法看到的是点重合或相反，因此误差大；不同轴法通过椭圆变成直线确定 谐振，因此观察比较容易，准确，工作量小。放电振荡法：过程如图放电时测量 R 上电压，记录波形；测量周波时间，可计算谐振频率。缺点：每测一次都需充、放电一次，过程复杂，也不够准确。因此，三种方法中，相频特性法比较实用，而且可用频率计实际测量谐振频率；改变信号发生器频率，还 可以测量滤波器的阻抗频率特性。实际工程一般采用 -5%（负偏）调谐滤波器。4、案例工程运行测试结果（ 1 段母线） 投运前：电压（ V ）电流（
18、 A ）功率因数电压总畸变率 %电流总畸变率 %98005400.8810.15.1投运后：电压（ V ）电流（ A ）功率因数电压总畸变率 %电流总畸变率 %102005600.991.54.2投运后各次谐波电流的 95% 最大值五、关于电弧炉谐波治理的简介1、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
19、）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。2、常用 SVC 形式和 TCR 补偿原理常用的 SVC 有晶闸管控制电抗器（ TCR ）、自饱和电抗器（ SR）和晶闸管投切电容器（ TSC）三种。TCR 原理、结构，以及相关工程、技术问题如下：3、TCR 补偿与 LC 滤波的原理区别1）电弧炉负荷三相不平衡、无功冲击是根本原因，要求进行动态、分相补偿， TCR 是解决问题的必须手段。同时解决电弧炉负荷产生、存在的问题。TCR 为动态补偿装置，响应时间在20ms 内。2） LC 滤波器以治理谐波为主，兼顾补偿系统无功。目前一般应用场合，不具备动态补偿功能。 电力机车谐波治理可采用投切方式（非动态）。3）采用那种类型的装置，涉及到负荷性质、滤波（或补偿）效果、可行性和工程投资等。解决问题是类型选择的原则。 TCR 设计方法略。