諧波治理中無源濾波裝置的設(shè)計與應(yīng)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(shè)計與應(yīng)用

黃 炯，丁小兵，邱 嘯，汪 洋

（舟山電力局，浙江 舟山 316021）

結(jié)合實例，對無源濾波裝置的設(shè)計進(jìn)行了理論分析，采用濾波裝置設(shè)計專用仿真軟件對分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗證。仿真結(jié)果及實際運(yùn)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(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

諧波；治理；無源濾波裝置；應(yīng)用

船舶制造行業(yè)中有大量的用電負(fù)荷為電焊機(jī)、龍門吊、變頻電源等非線性負(fù)荷，在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的諧波。諧波使輸電線路、變壓器、電容器等用電設(shè)備的溫度升高，損耗增加，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益；諧波也可以加速高壓電氣設(shè)備的絕緣老化甚至引起絕緣擊穿，影響電氣設(shè)備的安全運(yùn)行；諧波還會影響繼電保護(hù)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(shù)學(xué)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(lián)，除了濾除諧波外，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?。根?jù)船舶制造行業(yè)的諧波特征，無源濾波裝置選擇由單調(diào)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(biāo) fn 表示第 n 次單調(diào)諧濾波裝置。

由式（1）作出濾波裝置阻抗隨頻率變化的關(guān)系曲線如圖1（b）所示。 單調(diào)諧濾波裝置是利用串聯(lián) L、 C 諧 振 原 理 構(gòu) 成 的 ， 在 諧 振 點(diǎn) 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(wǎng) 中 。 而 對 于 其 他 次 數(shù) 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(shù)設(shè)定為與需要濾除的諧波次數(shù)一樣，則該次諧波將大部分分流入濾波裝置，從而實現(xiàn)濾除該次諧波的目的。

圖1 單調(diào)諧濾波支路

1.2 無源濾波裝置參數(shù)確定

首先根據(jù)分配的無功補(bǔ)償容量求電容 C，調(diào)諧在n次諧波頻率的單調(diào)諧濾波電容器和電抗器的關(guān)系是：

由于系統(tǒng)諧波電壓最終會被限制在比較小的數(shù)值內(nèi)，可以忽略，即可認(rèn)為系統(tǒng)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(bǔ)償容量為：

其中補(bǔ)償容量 Q1為已知， 按無功補(bǔ)償容量分配值，可以確定電容器參數(shù)值C為：

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

根據(jù)諧振頻率求電感L：

如電感內(nèi)部所含電阻r不夠，則需外加串聯(lián)電阻。 電抗器本身的品質(zhì)因數(shù)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(jìn)行分析。該公司1號主變 6 kV 側(cè)電壓電流測試波形及主要次諧波測試數(shù)據(jù)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(biāo)嚴(yán)重，其它各次諧波電流均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。根據(jù)此現(xiàn)狀，對于諧波的治理可以采用無源濾波裝置，需要設(shè)計1個5次單調(diào)諧濾波器，設(shè)計計算后的參數(shù)如表2所示。

按照此設(shè)計參數(shù)，采用濾波裝置設(shè)計專用仿真軟件對其進(jìn)行仿真分析。由諧波潮流仿真數(shù)據(jù)可知，該無源濾波裝置投運(yùn)后，系統(tǒng)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(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 諧波測試數(shù)據(jù)（無源濾波裝置投運(yùn)前）

表2 無源濾波裝置設(shè)計參數(shù)

圖2 系統(tǒng)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(yùn)后 1號主變 6 kV側(cè)電壓電流測試波形及主要次諧波測試數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)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(yùn)后，造船公司的系統(tǒng)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(yùn)前的 15．98 A 降低到 2．40 A， 濾除率達(dá)到 84%， 電壓總諧波畸變率由投運(yùn)前的 2．44%降低到 1．07%， 降低了 56%， 各項諧波指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

表3 諧波測試數(shù)據(jù)（無源濾波裝置投運(yùn)后）

3 結(jié)語

船舶制造行業(yè)用電設(shè)備產(chǎn)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(yùn)行情況證明，所設(shè)計的無源濾波裝置在保證濾波效果的前提下，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，適宜在船舶制造行業(yè)諧波治理中應(yīng)用。

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

[2]王 兆 安 ， 楊 君 ， 劉 進(jìn) 軍 ．諧 波 抑 制 和 無 功 功 率 補(bǔ) 償[M]．北京：機(jī)械工業(yè)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(jīng)濟(jì)師，從事電力需求側(cè)管理研究。