供电系统谐波治理技术讲座供电系统谐波治理技术讲座

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：∣z ∣＝R 特征阻抗：
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：
截止频率：
结构参数： ，一般取m=0.5~2； q=0.7 ~ 1.4 依据以上三式可设计高通滤波器的参数。

二、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、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，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
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。

无功补偿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QCN 是三相值）。

为保证电容器安全运行，电压应限制在一定范围内。

3）滤波器参数的初步计算（按正常条件）
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：
4）滤波器参数的初步计算 串联电抗器参数
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
2）电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平
，IEC 为1.45倍。

3）容量平衡：QCN= QC1（基波容量）+ΣQ h (谐波容量)； 对滤波支路仅考虑I1 和Ih 通过时，近似有：
6、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）滤波支路品质因数q 值的计算
其中，δs 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
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、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=3.8MVAR
10KV II段：Q=2.65MVAR
605频炉线：Q=1.9MVAR
4、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
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：
根据短路容量换算案例的各母线谐波电流允许值。

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、比较，确定的案例最终单相参数如下：
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：
投运后：
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）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。