供電系統(tǒng)諧波治理技術講座

無源電力濾波器的設計與調試

華北電力大學電氣工程學院

一、無源LC濾波器根本原理和結構

LC濾波器仍是應用最多、最廣的濾波器。

1、常用的兩種濾波器：調諧濾波器和高通濾波器。

2、濾波器設計要求

1〕使注入系統(tǒng)的諧波減小到國標允許的水平；

2〕進行基波無功補償，供應負荷所需的無功功率。

3、單調諧濾波器

由圖主電路可求：

調諧頻率：

調諧次數(shù)：

在諧振點：∣z∣＝R

特征阻抗：

品質因數(shù)：

q為設計濾波器的重要參數(shù)，典型值q=30～60。

4、高通濾波器

用于吸收某一次數(shù)及其以上的各次諧波。如下圖。

復數(shù)阻抗：

截止頻率：

結構參數(shù)：，一般取m=0.5~2；

q=0.7

~

1.4

依據(jù)以上三式可設計高通濾波器的參數(shù)。

二、濾波器設計內容和計算公式

1、濾波器參數(shù)選擇原那么

原那么：最小投資；母線

THDU

和進入系統(tǒng)的諧波電流最小；滿足無功補償?shù)囊螅槐ＷC平安、可靠運行。

參數(shù)設計、選擇前必須掌握的資料：

1〕系統(tǒng)主接線和系統(tǒng)設備〔變壓器、電纜等〕資料；

2〕系統(tǒng)和負荷的性質、大小、阻抗特性等；

3〕諧波源特性〔諧波次數(shù)、含量、波動性能等〕；

4〕無功補償要求；要到達的濾波指標；

5〕濾波器主設備參數(shù)誤差、過載能力、溫度等要求。

以上資料是濾波器參數(shù)選擇、設計必要條件。

案例設計問題：沒有系統(tǒng)最終規(guī)模的諧波資料……

2、濾波器結構及接線方式選擇

由一組或數(shù)組單調諧濾波器組成，有時再加一組高通濾波器。工程接線可靈活多樣，但推薦采用電抗器接電容低壓側的星形接線，主要優(yōu)點是：

1〕任一電容擊穿短路電流小；

2〕設備承受的僅為相電壓；

3〕便于分相調諧。

高通濾波器多采用二階減幅型結構〔基波損耗小，頻率特性好，結構簡單〕。經(jīng)濟原因高通濾波器多用于高壓。

1、濾波器參數(shù)選擇原那么

原那么：最小投資；母線

THDU

和進入系統(tǒng)的諧波電流最小；滿足無功補償?shù)囊螅槐ＷC平安、可靠運行。

參數(shù)設計、選擇前必須掌握的資料：

1〕系統(tǒng)主接線和系統(tǒng)設備〔變壓器、電纜等〕資料；

2〕系統(tǒng)和負荷的性質、大小、阻抗特性等；

3〕諧波源特性〔諧波次數(shù)、含量、波動性能等〕；

4〕無功補償要求；要到達的濾波指標；

5〕濾波器主設備參數(shù)誤差、過載能力、溫度等要求

以上資料是濾波器參數(shù)選擇、設計必要條件。

本案例1段母線濾波器接線〔圖紙拷貝〕……。

3、濾波器設計參數(shù)的分析處理

參數(shù)設計必須應依據(jù)實測值或絕對可靠的諧波計算值，但根據(jù)具體情況可作一些近似處理：

1〕母線短路容量較小或換算得到的系統(tǒng)電抗〔包括變壓器〕XS較大時，可忽略系統(tǒng)等值電阻RS；

2〕系統(tǒng)原有諧波水平應通過實測得到，在濾波器參數(shù)設計時，新老諧波電流源應一起考慮；

3〕L、C制造、測量存在誤差，以及f、T變化可能造成濾波器失諧，誤差分析是參數(shù)設計必須考慮的問題；

4〕參數(shù)設計涉及技術指標、平安指標和經(jīng)濟指標，往往需經(jīng)多個方案比擬后才能確定。

4、濾波器方案與參數(shù)的分析計算

1〕確定濾波器方案

確定用幾組單調諧濾波器，選高通濾波器截止頻率，以及用什么方式滿足無功補償?shù)囊蟆?/p>

例如：三相全波整流型諧波源，可設5、7、11次單調諧濾波器，高通濾波器截止頻率選12次。無功補償要求沉著量需求平衡角度，通過計算綜合確定。

2〕濾波器根本參數(shù)的分析

電容器根本參數(shù)：額定電壓UCN、額定容量QCN、基波容抗XC，而XC=3

U2CN/

QCN〔這里QCN

是三相值〕。

為保證電容器平安運行，電壓應限制在一定范圍內。

3〕濾波器參數(shù)的初步計算〔按正常條件〕

設h次諧波電壓含有率為HRUh，通過推導可得到：

其中，q

為濾波器的最正確品質因數(shù)。以上是從保證電容器電壓要求初步選擇的參數(shù)。但為保證電容器的平安運行還應滿足過電流和容量平衡的要求，公式如下：

4〕濾波器參數(shù)的初步計算

串聯(lián)電抗器參數(shù)

以上為單調諧濾波器參數(shù)的初步選擇。

5〕濾波器參數(shù)的最后確定

濾波器最終參數(shù)需通過大量、屢次頻率特性仿真計算結果確定；并根據(jù)要求指標進行校驗。

為保證平安運行，還要選斷路器、避雷器、保護等。

自動調諧濾波器〔改變電感

L〕能提高濾波效果。但由于技術經(jīng)濟的原因，目前應用不普遍。

5、濾波器參數(shù)指標的校驗

1〕電壓平衡

：校驗支路濾波電容器的額定電壓

2〕電流平衡：校驗濾波電容器的過電流水平，IEC為1.45倍。

3〕容量平衡：QCN=

QC1〔基波容量〕+ΣQ

h

(諧波容量)；

對濾波支路僅考慮I1

和Ih

通過時，近似有：

6、其它分析、計算工作

1〕濾波支路等值頻偏〔總失諧度〕的計算

2〕濾波支路品質因數(shù)q值的計算

其中，δs為濾波器接點看進去的系統(tǒng)等值阻抗角。

3〕濾波器性能和二次保護等分析計算

濾波器設計的技術性很強，需有專門的程序。除參數(shù)計算外，要能對濾波器的諧波阻抗、綜合阻抗、諧波放大、局部諧振〔串、并聯(lián)〕等濾波性能進行分析。

三、案例濾波器設計方法介紹

1、案例簡介

2、諧波數(shù)據(jù)合成中頻爐屬交－直－交供電，換流脈動數(shù)為6，特征諧波值為6K±1次諧波。非對稱觸發(fā)等原因，存在非特征諧波。

福建中試測試：線2、線4和中頻爐饋線；各諧波電壓畸變率全部超標，5、11、13及以上諧波電流超標。

非在電網(wǎng)最小方式、鋼廠非滿負荷下的測試，測試結果偏小；及今后8臺爐投運超標肯定更大。

設計問題：沒有單臺電爐諧波測試數(shù)據(jù)，沒有新供電方案下負荷同時運行測試數(shù)據(jù)，需根據(jù)經(jīng)驗及現(xiàn)有供電方案諧波測試數(shù)據(jù)進行分析獲取設計數(shù)據(jù)。

按電爐變80％負荷率合成各母線諧波電流……。

3、基波無功容量計算

按母線電爐全部運行功率因數(shù)大于0.9，單爐運行功率因數(shù)應小于1，治理前平均功率因數(shù)取0.85條件，通過程序計算各段母線的三相基波補償容量：

10KV

I段：Q=3.8MVAR

10KV

II段：Q=2.65MVAR

605頻爐線：

Q=1.9MVAR4、考核標準計算和濾波器配置選擇

根據(jù)各母線的短路容量，計算各段母線電爐運行過程中的諧波考核標準；以及比照合成的諧波電流水平，選擇、配置各段母線的濾波器。

總電壓畸變率國標規(guī)定的限值

各級電網(wǎng)諧波電壓限值〔%〕

電壓〔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

允許注入電網(wǎng)的各次諧波電流國標規(guī)定限值〔局部〕

短路容量不同時的換算公式：

根據(jù)短路容量換算案例的各母線諧波電流允許值。

標稱電壓〔KV〕

基準短路容量〔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

標稱電壓〔KV〕

基準短路容量〔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

標稱電壓〔KV〕

基準短路容量〔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

003.3

001.5

003.0

(605)010.0

080.0

001.0

001.9

001.9

000.9

001.8

與合成的案例諧波比擬：各母線諧波電流均超標，由于裝置的非同時觸發(fā)，存在非特征諧波超標的現(xiàn)象。因此只能對主要的頻譜進行設置濾波器；由于電爐運行方式大幅度變化，特別是10KV

I段負荷變化較大，受基波無功補償容量限制，參數(shù)設計存在難度及影響其濾波效果。

綜合考慮：各母線配置5、7、11、13次濾波器。

5、濾波器參數(shù)設計〔以10KV

I段為例〕

由于中頻爐諧波為連續(xù)頻譜諧波，以及基波補償電容器的限制，濾波器參數(shù)設計很難滿足要求，經(jīng)幾十次分析、比擬，確定的案例最終單相參數(shù)如下：

H5

H7

H11

H13

合計

電容器〔μF〕

27.51592

20.77733

22.98421

三相電容器安裝容量〔kvar〕

1830

1350

1860

1269

6309

三相基波輸出容量〔kvar〕

900

666

1108

726

3400

電抗器〔毫亨〕

14.74522

9.96178

2.39522

2.61115

考慮的問題：濾波效果，電壓、電流、容量是否能夠平衡，是否存在諧波放大，無功是否過補等，通過對參數(shù)進行屢次仿真，調整、比擬和評估設計效果，……。

1段母線補償電容器和濾波器同時運行仿真例如：

僅濾波器投入運行的仿真例如。……。

四、設備定貨、施工和現(xiàn)場調試

1、擬合標準指標與產(chǎn)品定貨

按設計參數(shù)選配、擬合標準規(guī)格電容器，考慮電抗器調節(jié)范圍，提出溫升、耐壓、損耗等指標。

電容器要求+誤差，電抗器±5%可調，電容器質量…。

注意濾波電容器，干式、油侵電容器等問題……。

2、工程施工需要注意的問題

LC濾波器屬工程，結合用戶現(xiàn)場條件、情況，設計單位應提供完善的工程資料，安裝、施工要求；由于濾波器現(xiàn)場安裝，要求工程單位按設計施工、保證質量；做詳細安裝檢查，保證連接正確，防止相序、設備接線錯誤

案例施工中的問題：連接、保護……

3、現(xiàn)場調試主要要求和方法

1〕要求：保證系統(tǒng)可靠運行，防止系統(tǒng)與濾波器諧振造成的諧波放大；投切過電壓限制在有效范圍內；保證濾波本身平安運行，不會導致電容、電感、電阻等不發(fā)生穩(wěn)態(tài)過負荷，以及投、切時的過電壓、過電流不損壞本體設備。

其中，多數(shù)與設計有關……。

2〕步驟：測量各種工況諧波；計算系統(tǒng)和濾波器頻率特性，研究是否可能出現(xiàn)諧波放大，決定濾波器是正調偏還是負調偏；計算調整后的過電壓、過電流；分析、考慮配置的保護，避雷器對投切、斷路器重燃過電壓有重要作用；編寫濾波器投入方案，測量考核濾波效果。

案例調試中發(fā)生的問題：……。

3〕方法：

幅頻特性法：諧振時Z=R，濾波器電流最大；電阻上的電壓最大，濾波器總電壓最小；因此，通過觀測兩個電壓與預估的電壓比擬，可確定調諧回路的諧振。

缺點：誤差大，有計算誤差、試驗誤差和觀測誤差。

相頻特性法：把電阻電壓和濾波器總電壓分別送示波器兩個通道進行相角比擬，可確定濾波器是否諧振。可采用同軸或不同軸兩種方法。同軸法看到的是點重合或相反，因此誤差大；不同軸法通過橢圓變成直線確定諧振，因此觀察比擬容易，準確，工作量小。

放電振蕩法：過程如圖

放電時測量R上電壓，記錄波形；

測量周波時間，可計算諧振頻率。

缺點：每測一次都需充、放

電一次，過程復雜，也不夠準確。

因此，三種方法中，相頻特性法比擬實用，而且可用頻率計實際測量諧振頻率；改變信號發(fā)生器頻率，還可以測量濾波器的阻抗頻率特性。

實際工程一般采用-5%〔負偏〕調諧濾波器。

4、案例工程運行測試結果〔1段母線〕

投運前：

電壓〔V〕

電流〔A〕

功率因數(shù)

電壓總畸變率%

電流總畸變率%

9800

540

0.88

10.1

5.1

投運后：

電壓〔V〕

電流〔A〕

功率因數(shù)

電壓總畸變率%

電流總畸變率%

10200

560

0.99

1.5

4.2

投運后各次諧波電流的95%最大值

五、關于電弧爐諧波治理的簡介

1、電弧爐負荷特點和治理要求

1〕三相負荷電流嚴重不對稱，嚴重時負序可達正序的50%～60%，熔化期也占20%。需解決不平衡問題；

2〕含有2、3、4、5、7等次諧波，產(chǎn)生的諧波電流頻譜廣，含有偶次諧波，諧波治理要求高；

3〕電弧爐隨機運行在開路--短路--過載狀態(tài)，很大的功率沖擊，引起PCC母線電壓變動，存在電壓閃變問題。

4〕電爐變壓器和短網(wǎng)消耗大量無功，因此運行功率因數(shù)非常低，增大電網(wǎng)損耗、降低電壓水平。

小容量電弧爐可用

LC

無源濾波器，但對設計的要求比擬高，一般采用C型電力濾波器。

2、常用SVC形式和TCR補償原理

常用的SVC有晶閘管控制電抗器〔TCR〕、自飽和電抗器〔SR〕和晶閘管投切電容器〔TSC〕三種。

TCR原理、結構，以及相關工程、技術問題如下：

3、TCR補償與LC濾波的原理區(qū)別

1〕電弧爐負荷三相不平衡、無功沖擊是根本原因，要求進行動態(tài)、分相補償，TCR是解決問題的必須手段。同時解決電弧爐負荷產(chǎn)生、存在的問題。

TCR為動態(tài)補償裝置，響應時間在20ms內。

2〕LC濾波器以治理諧波為主，兼顧補償系統(tǒng)無功。目前一般應用場合，不具備動態(tài)補償功能。

電力機車諧波治理可采用投切方式〔非動態(tài)〕。

3〕采用那種類型的裝置，涉及到負荷性質、濾波〔

或補償〕效果、可行性和工程投資等。

解決問題是類型選擇的原那么。TCR設計方法略。