谐波治理中无源滤波装置的设计与应用

黄 炯，丁小兵，邱 啸，汪 洋

（舟山电力局，浙江 舟山 316021）

谐波治理中无源滤波装置的设计与应用

黄 炯，丁小兵，邱 啸，汪 洋

（舟山电力局，浙江 舟山 316021）

结合实例，对无源滤波装置的设计进行了理论分析，采用滤波装置设计专用仿真软件对分析结果进行仿真验证。仿真结果及实际运行效果证明，无源滤波装置能够有效解决谐波污染问题，且具有结构简单、操作方便等优点。

谐波；治理；无源滤波装置；应用

船舶制造行业中有大量的用电负荷为电焊机、龙门吊、变频电源等非线性负荷，在生产过程中将产生大量的谐波。谐波使输电线路、变压器、电容器等用电设备的温度升高，损耗增加，降低设备的利用率和经济效益；谐波也可以加速高压电气设备的绝缘老化甚至引起绝缘击穿，影响电气设备的安全运行；谐波还会影响继电保护及计量装置的灵敏度， 容易引起误动作[1]。 为治理谐波，可采用简单有效的无源滤波装置。

1 无源滤波装置数学模型

1.1 无源滤波装置工作原理

无源滤波装置主要由滤波电容器与滤波电抗器组合而成，与谐波源并联，除了滤除谐波外，还兼顾无功补偿的需要。根据船舶制造行业的谐波特征，无源滤波装置选择由单调谐滤波支路组成， 其等效电路原理图所图1（a）所示[2]。

滤波装置对 n 次谐波（ωn=nωs）的阻抗为：

式中：下标 fn 表示第 n 次单调谐滤波装置。

由式（1）作出滤波装置阻抗随频率变化的关系曲线如图1（b）所示。 单调谐滤波装置是利用串联 L、 C 谐 振 原 理 构 成 的 ， 在 谐 振 点 处 ， Zfn=Rfn。因 Rfn很 小 ， n 次 谐 波 电 流 主 要 由 Rfn分 流 ， 很 少流 入 电 网 中 。 而 对 于 其 他 次 数 的 谐 波 ，滤波装置分流很少。因此，只要将滤波装置的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分分流入滤波装置，从而实现滤除该次谐波的目的。

图1 单调谐滤波支路

1.2 无源滤波装置参数确定

首先根据分配的无功补偿容量求电容 C，调谐在n次谐波频率的单调谐滤波电容器和电抗器的关系是：

由于系统谐波电压最终会被限制在比较小的数值内，可以忽略，即可认为系统交流母线电压只含基波分量 U（1）。 这样， 滤波支路除流过 n 次谐波电流 Ifn外， 流过由 U（1）引起的基波电流 If（1）为：

则滤波装置的基波无功容量即补偿容量为：

其中补偿容量 Q1为已知， 按无功补偿容量分配值，可以确定电容器参数值C为：

式中： QC（n）为 n 次滤波装置分配的无功补偿容量；n 为谐振次数； U（1）为系统额定线电压。

根据谐振频率求电感L：

如电感内部所含电阻r不够，则需外加串联电阻。 电抗器本身的品质因数用qL表示， 则外加电阻的阻值为：

2 案例分析

以浙江某造船公司为例进行分析。该公司1号主变 6 kV 侧电压电流测试波形及主要次谐波测试数据分别如图2、表1所示。

由表1可知，该造船公司5次谐波电流超标严重，其它各次谐波电流均在国家标准范围之内。根据此现状，对于谐波的治理可以采用无源滤波装置，需要设计1个5次单调谐滤波器，设计计算后的参数如表2所示。

按照此设计参数，采用滤波装置设计专用仿真软件对其进行仿真分析。由谐波潮流仿真数据可知，该无源滤波装置投运后，系统各次谐波电压含有率及各次谐波电流含有量均得到了明显改善，达到了国家标准的要求。

表1 谐波测试数据（无源滤波装置投运前）

表2 无源滤波装置设计参数

图2 系统单相电压电流测试波形

图3、表3分别为无源滤波装置投运后 1号主变 6 kV侧电压电流测试波形及主要次谐波测试数据。

图3 系统单相电压电流测试波形

由图2与图4， 表1与表3对比可知： 该无源滤波装置投运后，造船公司的系统谐波电压、谐波电流波形均得到了有效的改善；5次谐波电流由投运前的 15．98 A 降低到 2．40 A， 滤除率达到 84%， 电压总谐波畸变率由投运前的 2．44%降低到 1．07%， 降低了 56%， 各项谐波指标均达到国家标准。

表3 谐波测试数据（无源滤波装置投运后）

3 结语

船舶制造行业用电设备产生的谐波主要以5次、7次为主，其它次特征谐波相对较小。浙江某造船公司实际运行情况证明，所设计的无源滤波装置在保证滤波效果的前提下，具有结构简单、维护方便、运行可靠等优点，适宜在船舶制造行业谐波治理中应用。

[1]周 勇 ， 任 伟 ．配 电 系 统 的 谐 波 问 题 与 对 策[J]．郑 州 大 学学报（工学版），2006，27（3）∶107－109．

[2]王 兆 安 ， 杨 君 ， 刘 进 军 ．谐 波 抑 制 和 无 功 功 率 补 偿[M]．北京：机械工业出版社，2004．

（本文编辑：杨 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

黄 炯（1965-）， 男， 浙江诸暨人， 高级经济师，从事电力需求侧管理研究。