諧波治理中無源濾波裝置的設計與應用

黃 炯，丁小兵，邱 嘯，汪 洋

（舟山電力局，浙江 舟山 316021）

諧波治理中無源濾波裝置的設計與應用

黃 炯，丁小兵，邱 嘯，汪 洋

（舟山電力局，浙江 舟山 316021）

結合實例，對無源濾波裝置的設計進行了理論分析，采用濾波裝置設計專用仿真軟件對分析結果進行仿真驗證。仿真結果及實際運行效果證明，無源濾波裝置能夠有效解決諧波污染問題，且具有結構簡單、操作方便等優點。

諧波；治理；無源濾波裝置；應用

船舶制造行業中有大量的用電負荷為電焊機、龍門吊、變頻電源等非線性負荷，在生產過程中將產生大量的諧波。諧波使輸電線路、變壓器、電容器等用電設備的溫度升高，損耗增加，降低設備的利用率和經濟效益；諧波也可以加速高壓電氣設備的絕緣老化甚至引起絕緣擊穿，影響電氣設備的安全運行；諧波還會影響繼電保護及計量裝置的靈敏度， 容易引起誤動作[1]。 為治理諧波，可采用簡單有效的無源濾波裝置。

1 無源濾波裝置數學模型

1.1 無源濾波裝置工作原理

無源濾波裝置主要由濾波電容器與濾波電抗器組合而成，與諧波源并聯，除了濾除諧波外，還兼顧無功補償的需要。根據船舶制造行業的諧波特征，無源濾波裝置選擇由單調諧濾波支路組成， 其等效電路原理圖所圖1（a）所示[2]。

濾波裝置對 n 次諧波（ωn=nωs）的阻抗為：

式中：下標 fn 表示第 n 次單調諧濾波裝置。

由式（1）作出濾波裝置阻抗隨頻率變化的關系曲線如圖1（b）所示。 單調諧濾波裝置是利用串聯 L、 C 諧 振 原 理 構 成 的 ， 在 諧 振 點 處 ， Zfn=Rfn。因 Rfn很 小 ， n 次 諧 波 電 流 主 要 由 Rfn分 流 ， 很 少流 入 電 網 中 。 而 對 于 其 他 次 數 的 諧 波 ，濾波裝置分流很少。因此，只要將濾波裝置的諧振次數設定為與需要濾除的諧波次數一樣，則該次諧波將大部分分流入濾波裝置，從而實現濾除該次諧波的目的。

圖1 單調諧濾波支路

1.2 無源濾波裝置參數確定

首先根據分配的無功補償容量求電容 C，調諧在n次諧波頻率的單調諧濾波電容器和電抗器的關系是：

由于系統諧波電壓最終會被限制在比較小的數值內，可以忽略，即可認為系統交流母線電壓只含基波分量 U（1）。 這樣， 濾波支路除流過 n 次諧波電流 Ifn外， 流過由 U（1）引起的基波電流 If（1）為：

則濾波裝置的基波無功容量即補償容量為：

其中補償容量 Q1為已知， 按無功補償容量分配值，可以確定電容器參數值C為：

式中： QC（n）為 n 次濾波裝置分配的無功補償容量；n 為諧振次數； U（1）為系統額定線電壓。

根據諧振頻率求電感L：

如電感內部所含電阻r不夠，則需外加串聯電阻。 電抗器本身的品質因數用qL表示， 則外加電阻的阻值為：

2 案例分析

以浙江某造船公司為例進行分析。該公司1號主變 6 kV 側電壓電流測試波形及主要次諧波測試數據分別如圖2、表1所示。

由表1可知，該造船公司5次諧波電流超標嚴重，其它各次諧波電流均在國家標準范圍之內。根據此現狀，對于諧波的治理可以采用無源濾波裝置，需要設計1個5次單調諧濾波器，設計計算后的參數如表2所示。

按照此設計參數，采用濾波裝置設計專用仿真軟件對其進行仿真分析。由諧波潮流仿真數據可知，該無源濾波裝置投運后，系統各次諧波電壓含有率及各次諧波電流含有量均得到了明顯改善，達到了國家標準的要求。

表1 諧波測試數據（無源濾波裝置投運前）

表2 無源濾波裝置設計參數

圖2 系統單相電壓電流測試波形

圖3、表3分別為無源濾波裝置投運后 1號主變 6 kV側電壓電流測試波形及主要次諧波測試數據。

圖3 系統單相電壓電流測試波形

由圖2與圖4， 表1與表3對比可知： 該無源濾波裝置投運后，造船公司的系統諧波電壓、諧波電流波形均得到了有效的改善；5次諧波電流由投運前的 15．98 A 降低到 2．40 A， 濾除率達到 84%， 電壓總諧波畸變率由投運前的 2．44%降低到 1．07%， 降低了 56%， 各項諧波指標均達到國家標準。

表3 諧波測試數據（無源濾波裝置投運后）

3 結語

船舶制造行業用電設備產生的諧波主要以5次、7次為主，其它次特征諧波相對較小。浙江某造船公司實際運行情況證明，所設計的無源濾波裝置在保證濾波效果的前提下，具有結構簡單、維護方便、運行可靠等優點，適宜在船舶制造行業諧波治理中應用。

[1]周 勇 ， 任 偉 ．配 電 系 統 的 諧 波 問 題 與 對 策[J]．鄭 州 大 學學報（工學版），2006，27（3）∶107－109．

[2]王 兆 安 ， 楊 君 ， 劉 進 軍 ．諧 波 抑 制 和 無 功 功 率 補 償[M]．北京：機械工業出版社，2004．

（本文編輯：楊 勇）

Design and Application of Passive Filters in Harmonic Suppression

HUANG Jiong， DING Xiao-bing， QIU Xiao， WANG Yang
（Zhoushan Power Bureau， Zhoushan Zhejiang 316021， China）

This paper performs an theoretical analysis of passive filter’s design,and the results are verified by filter simulation and design software.The simulation and actual operating results prove that passive filters can effectively solve the problem of harmonic pollution with advantages like simple structures and easy operation.

harmonic；suppression；passive filter；application

TM714.3

： B

： 1007-1881（2010）06-0020-03

2010-04-14

黃 炯（1965-）， 男， 浙江諸暨人， 高級經濟師，從事電力需求側管理研究。