基于濾波器的電能質量提高措施研究

田川 鄧守麗

摘要：文中以單調諧濾波器、二階高通濾波器、C型高通濾波器這三種運用范圍較廣的典型濾波器為例進行研究，總結了這三種濾波器應采用的設計模型、計算公式，并對濾波器的阻抗特性進行編程計算。在實際運用中，采用某個以中頻加熱爐為主要諧波源的鍛造廠為例，基于其廠內的大量實測數據，對其加設濾波器組，并運用Matlab中Simulink仿真平臺進行仿真，驗證濾波器對于整廠電能質量的提高效果。

關鍵詞：諧波抑制；無功補償；LC無源濾波器；Matlab仿真

引言

隨著電力電子技術的迅速發展，特別是在冶金、礦山、電氣化鐵道、電力輸送等工業系統中大量采用可控硅技術及其硅整流設備和換流逆變設備，這些非線性負荷在系統中產生大量諧波，從而惡化了電能質量并導致經濟損失。現在雖然提出了有源濾波等新興的技術來抑制諧波，但由于其容量較小，成本較高，因此實際工程應用中大多數仍然采用技術較為成熟的無源濾波器，相對來說價格便宜，容易實現。常用的無源濾波器有單調諧、二階高通、C型高通三種，下面介紹其設計原理。

一、LC無源濾波器介紹

1.1 濾波器濾波原理

電氣元件主要有三類：電容、電感和電阻。其中電阻的阻值R與系統頻率無關，而電感和電容的感抗和容抗都和系統頻率相關，電感的感抗，所以頻率越高，感抗值越大。電容元件和電感則相反，因為，所以頻率越高，容抗越小。因為感抗和容抗均和頻率有關，當達到某一系統頻率的時候，有可能會使得感抗和容抗相等，感抗為負值，而容抗為正值，二者相加和為零，這種現象稱為諧振，在諧振狀態下電路是呈電阻性的。此時該頻率的諧波電流就會流入該濾波器而不是電網。無源濾波器則利用這一特性，即LC元件對于不同頻率的交流電電抗不同，對交流電流進行濾波。

1.2 幾種典型LC無源濾波器阻抗特性計算

1）單調諧濾波器

對于次數不為n的諧波，單調諧濾波器呈現出來的阻抗則大于Rfn，從而濾波支路分流較少，達不到濾波的效果。因此單調諧濾波器只能根據預期設定的頻率參數濾除某一次的諧波。

在濾波器設計過程中主要還涉及到兩個概念，調諧次數l和品質因數q。由于濾波器含有電感性和電容性元件，因此當系統和濾波器電抗值和電容值相等時有可能會發生諧振。因此在設計濾波器時，為了避免其在整數次諧波處發生諧振，特意將諧振點設計的左移一些，讓電抗值稍稍小于電容值，避免諧振的發生。而調諧次數l就是左移之后的諧振點所對應的諧波次數。

2）高通濾波器

高通濾波器又被稱為減幅濾波器，預先給濾波器設定一個截止頻率，當頻率高于這個臨界頻率值的時候就會被識別并濾除。在幾種高通濾波器中，一階高通對于電容器的容量要求比較高，基波的損耗也比較大，因此一般不采用。二階高通濾波器在這幾種中濾波性能相對而言是較好的，而且濾波器的結構簡單，但它和三階高通濾波器比起來基波損耗又比較大；三階高通濾波器和二階的相比就是多了一個電容器C2，它的容量比C1要小的多，其基波損耗比較小，但是它的濾波性能不太好，實際應用也比較少；C型濾波器的性能則比二階高通稍弱，但比三階高通稍好一些，因為C2與L在基波頻率時會發生諧振，因而可以大大減少基波損耗，有比較高的應用價值，但是它的結構復雜，因此成本較高，而且它對于元件參數的變化和基波頻率的偏差也比較敏感。本文中采用的高通濾波器為二階高通濾波器和C型濾波器。

1.3 濾波器容量分配原則

因為濾波器不僅有濾除諧波的作用，很多情況下還需要其兼顧補償無功容量的要求，因此必須知道系統需要補償的無功容量為多少，如何在各個濾波器中進行分配。一般若負荷容量為SLMVA，補償之前功率因數角為Φ1，補償之后功率因數角為Φ2，那么需要濾波器來補償的無功容量為：

二、Simulink實例仿真

本文采取系統仿真的方法，在Matlab中的Simu-link仿真平臺繪制出系統的接線圖，并通過三種濾波器配置方案的濾波前后波形效果對比選出最佳方案。

此處列舉了浙江某鍛造廠的配電系統為例，測得其原始的諧波數據，將其錄入到搭建的模擬系統中來對其諧波進行仿真和濾波。

已知系統原本的功率因數為0.85，假設需要將其補償到0.98的水平，則由

可以計算得出系統需要補償的總無功容量為123.968kvar，下面根據實際情況設計出三個備選濾波方案。

方案一：考慮到該系統中5、7、11次諧波最為嚴重，因此先考慮加裝三個單調諧濾波器分別濾除這三種諧波。由

得知濾波器的容量分配公式，按照這種方法求得5、7、11次濾波器各自的容量為：69.58kVar、27.612kVar、26.77kVar。將計算出的參數設置到濾波器模型中并加以二次仿真。

方案二：一共加裝5、7、11、13次的四個單調諧濾波器，因此對于無功容量需要重新分配，同樣按照

得出5、7、11、13次單調諧濾波器的容量分別為：56.457kVar、22.40kVar、21.72kVar、23.388kVar。

根據下圖諧波含量分析結果可知此時系統的5、7、11、13次諧波含量均已達標，且波形較方案一也有較大改善。

方案三：考慮采用高通濾波器同時濾除兩種諧波。

根據下圖諧波含量分析結果可知方案三的系統11、13次諧波含量均未達標，且波形較濾波前改觀不大，因此效果不如方案二理想。

總結上述三種方案，就波形效果來說，方案一和方案二的波形較方案三更為可觀，而方案一和方案二相比，方案二的波形更為平滑，接近正弦；就諧波含量來說，方案三兩種諧波超標，因此完全不可取，方案二的濾波效果完全符合要求，方案一只有13次諧波略微超標，因此從理論上來說方案二的濾波效果在各方面都最好，但是方案二比方案一的投資更大，因此最終在一、二兩種方案中進行抉擇取決于用戶的取舍，看用戶更傾向于降低成本還是追求效果。但總體來說，兩種方案都可以大大地提高電能質量，防止諧波流入電網，因此達到了提高電能質量的最終目的。

結語

本文分析了常用的三種濾波器的阻抗特性及參數設計過程，并在實際系統中采取三種不同濾波器的組合方案解決諧波問題，發現濾波器的采用對于諧波的治理和抑制十分有效，不同的濾波器組合可以達到不同的效果，但最終都可以達到提高一定電能質量的目的，同時通過仿真結果得出了單調諧濾波器和高通濾波器各自濾波效果和經濟性的比較，在實際安裝的過程中，可以采用文中所述的仿真方式，綜合考慮用戶的經濟需求和效果需求，選用更為理想的濾波方案。

參考文獻：

[1]李永強.無源濾波器優化設計方法的研究[D].鄭州：鄭州大學碩士學位論文，2009.

[2]祖 謙.電力有源濾波技術研究[D].沈陽：東北大學碩士學位論文，2006.

[3]袁 川，阮 廣，賈 玲.無源濾波器設計及其在諧波治理中的應用[J].四川電力技術，2005，5（11）：28-30.