單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計及其應(yīng)用

魏海嘯，王 軍，董鐵孝

（聊城供電公司 山東 聊城 252000）

隨著現(xiàn)代工業(yè)中電子器件的廣泛使用，如：逆變裝置、中頻爐等非線性負(fù)載造成諧波污染，使電網(wǎng)電壓、電流發(fā)生畸變，給輸、配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來嚴(yán)重危害。諧波會使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生附加損耗，降低輸配電效率，嚴(yán)重時還會損壞電氣設(shè)備；使繼電保護(hù)和自動控制裝置誤動及拒動；使電氣儀表計量不準(zhǔn)等[1]。因此分析和研究電網(wǎng)諧波治理技術(shù)，具有重大的現(xiàn)實意義。

1 濾波器模型

1.1 單調(diào)諧濾波器工作原理

單調(diào)諧濾波器由濾波電容器、電抗器等無源器件構(gòu)成，工作時與諧波源并聯(lián)，濾波原理是對相應(yīng)次數(shù)諧波形成低阻抗通道，使相應(yīng)諧波電流流入無源濾波器而避免流入輸電系統(tǒng)，它除了濾波外還兼有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。單調(diào)諧濾波器電路及阻抗頻率特性如圖1所示。濾波器對n次諧波的阻抗為[2]：

式中，ω1表示基波角速度；下標(biāo)fn表示第n次單調(diào)諧濾波器。

單調(diào)諧濾波器利用串聯(lián)L、C諧振原理構(gòu)成，諧振次數(shù)n為：

在諧振點(diǎn)處，濾波支路對n次諧波電流呈低阻狀態(tài)，n次諧波電流由Rfn分流，只有很少的流入電網(wǎng)中，從而達(dá)到將該次諧波濾除的目的[3]；而對其他次數(shù)的諧波電流則呈高阻，濾波電路分流很少。

圖1 單調(diào)諧濾波器電路及阻抗頻率特性Fig.1 The circuit and impedance-frequency characteristic of single tuned filter

1.2 參數(shù)確定

1.2.1 確定補(bǔ)償容量

由于鋼廠中大量使用感應(yīng)電爐等電感性設(shè)備，使得鋼廠中各種用電設(shè)備的功率因數(shù)較低，也就是說達(dá)不到額定值，這時一般采用無功補(bǔ)償裝置來提高功率因數(shù)，無功補(bǔ)償容量值計算公式：

式（3）中：α 是平均有功負(fù)荷系數(shù)，工業(yè)用戶取 0.7～0.8；Pj是有功計算負(fù)荷；tgφ1是補(bǔ)償前自然平均功率因數(shù)角的正切值；tgφ2是補(bǔ)償后自然平均功率因數(shù)角的正切值。

對于如何將無功容量分配到各次濾波支路中去，很多著名的電力公司采用不同的方法，現(xiàn)舉BBC、AEG及西門子三家公司的方法簡單介紹一下。假設(shè)補(bǔ)償無功功率為Qc，則：西Q（11）:Q（13）=2:1:1:1 分配無功；BBC 公司則按 Qc（n）=QcIn/（∑In）來進(jìn)行分配無功功率[4]。其中Qc（n）為n次濾波支路分配的無功功率；In為n次諧波電流。實際工程中無功功率的分配也不一定非得按上面這些方法進(jìn)行，為簡單起見，這里采用實際參與諧波治理的公司常用的AEG公司的分配方案。

1.2.2 確定電容C

在無功功率分配方案確定以后，需根據(jù)無功補(bǔ)償容量確定電容C。由無源濾波器工作原理得知，調(diào)諧在次頻率的電容和電抗的關(guān)系為：

式（4）中，n—諧波次數(shù)；ω1—基波角頻率；Ln—n 次調(diào)諧支路電感值；Cn—n次調(diào)諧支路電容值。

由于濾波裝置會把諧波電壓限制在一個很小的數(shù)值內(nèi)，可以忽略不計，可以認(rèn)為系統(tǒng)母線電壓只含基波分量U1，則：

式（5）中，UC1—濾波電容器兩端基波電壓。

由式（4）、（5）可得：

n次調(diào)諧支路電容器提供的基波補(bǔ)償容量QC（n）為：

將式（5）和（6）代入（7）得：

即

1.2.3 確定電感L

根據(jù)諧振頻率求電感：

注意濾波器一般是不會非常準(zhǔn)確地調(diào)諧至調(diào)諧頻率，而是在設(shè)計過程中將調(diào)諧頻率調(diào)到低于希望頻率的3%～15%，這種調(diào)諧不僅能夠提供足夠的濾波功能，還可以提供濾波器失調(diào)容許范圍[5]。

1.2.4 電阻的計算與選擇

式（11）中Q—濾波器品質(zhì)因數(shù)，一般30

2 設(shè)計實例

現(xiàn)以筆者參加的某鋼廠的低壓濾波補(bǔ)償工程為例來介紹一下濾波補(bǔ)償裝置的設(shè)計過程。

項目諧波情況

鋼廠有一臺1 600 kVA中頻變，在其400 V低壓側(cè)電能質(zhì)量測量結(jié)果如下圖所示。

圖2 濾波裝置投入前中頻變400 V母線電壓波形Fig.2 The voltagewaveformon 400 V busbefore the filter device inputs

圖3 濾波裝置投入前中頻變400 V母線電流波形Fig.3 Thecurrentwaveformon400 Vbusbeforethefilter deviceinputs

表1 諧波測試電流值/ATab.1 The harmonics current value/A

由測量結(jié)果根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》[6－8]可知：鋼廠中頻變400 V低壓側(cè)供電系統(tǒng)中，5、7次諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，其他各次諧波也接近超標(biāo)；400 V母線電壓總畸變率為11.2%；平均功率因數(shù)僅為0.75。根據(jù)企業(yè)電能質(zhì)量現(xiàn)狀，對于其諧波治理按本文所述方法，計算得到無源濾波器的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 濾波器參數(shù)表Tab.2 The parameter list of filter

安裝濾波補(bǔ)償裝置后中頻變低壓側(cè)各次諧波電流值：

圖4 濾波裝置投入前中頻變400 V母線電壓波形Fig.4 Thevoltage waveformon 400 V bus before the filter device inputs

圖5 濾波裝置投入后中頻變400 V母線電流波形Fig.5 The current waveformon 400 V bus after the filter device inputs

圖4 ～5、表3分析可見，當(dāng)濾波補(bǔ)償裝置投入后，中頻爐400 V低壓側(cè)電能質(zhì)量得到了極大的改善：各次諧波電流均在標(biāo)準(zhǔn)限制值以內(nèi)；不計背景諧波情況下，中頻變400 V母線電壓總畸變率UTHD=2.37%，遠(yuǎn)低于國標(biāo)允許值（5%）；濾波補(bǔ)償裝置投入以后400 V母線平均功率因數(shù)提高到0.94以上，滿足要求。

3 結(jié)束語

文章所使用的濾波器參數(shù)設(shè)計是通過無功需求來計算的，該方法對于各諧波治理皆普遍適用，最后鋼廠的測量結(jié)果證明該設(shè)計方法可以很好的濾除諧波電流，提高功率因數(shù)，對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行也具有十分重要的意義，應(yīng)該推廣應(yīng)用。

表3 諧波測試電流值/ATab.3 The Harmonics current value/A

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