國家電力部門越來越重視電網(wǎng)諧波造成的電網(wǎng)污染，其使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設備出現(xiàn)許多異常現(xiàn)象和故障。為此，我公司結合高校資源等研究無源電力濾波裝置。 　　一、設計目標　　a) 使得負載注入電網(wǎng)的諧波電流滿足國家標準要求；　　b) 補償負載所需無功，提高功率因數(shù)；　　二、設計準則　　a) 諧波性能指標達到國家要求　　 i. 諧波電壓要求　　　　 ii. 諧波電流要求　　表2 注入公共連接點的諧波電流允許值　　　　　　b) 在滿足濾波要求的情況下，裝置經(jīng)濟價格最低；　　c) 保證在正常失諧的情況下濾波器仍能滿足各項技術要求；　　d) 電網(wǎng)阻抗變化會對濾波裝置尤其是單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響，同時電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設計時應予以考慮。　　三、設計方法　　a) 需測量參數(shù)　　 i. 各次諧波電流電壓幅值，；　　 ii. 系統(tǒng)短路容量Sk；　　 iii. 電壓等級U；　　 iv. 系統(tǒng)功率因數(shù)；　　 v. 變壓器容量S；　　b) 補償無功功率計算　　設目標功率因數(shù)為，一般為0.9以上，則需補償?shù)臒o功功率Q可由下式算出，　　　　得到需要補償?shù)臒o功功率后，一般原則是將其平均分配至各濾波支路，以保證各支路基波損耗接近；若需補償無功功率較大，可以選擇在無源濾波支路外并聯(lián)一條無功補償支路；　　c) 無源濾波支路參數(shù)計算　　常用的無源濾波支路接線方式如圖3所示，其中單調(diào)諧濾波器，二階高通濾波器以及C型阻尼高通濾波器較常用。其中單調(diào)諧濾波器主要針對諧波電流較大的低次諧波，二階及C型阻尼高通濾波器主要應用于濾除高次諧波。本計算程序主要針對上述三種濾波器進行參數(shù)計算。　　　　圖3 濾波器常用接線方式　　 i. 單調(diào)諧支路參數(shù)計算方法　　單調(diào)諧支路參數(shù)計算主要包括確定C、L、R的大小，額定電流，額定電壓等部分。　　1． 根據(jù)系統(tǒng)諧波電流情況確定單調(diào)諧支路的諧振頻率f；　　2． 根據(jù)諧波電流的大小計算所需電容器C的容量，計算公式為　　　　其中為電容器容量，為相電壓有效值，為該次電流諧波有效值。若繼續(xù)考慮無功補償要求，可以按平均分配的原則增大，滿足系統(tǒng)的無功補償需要；　　3． 根據(jù)計算出所需電容C的大小，計算公式為　　　　 其中為系統(tǒng)的基波角速度，為電容器的額定電壓；　　4． 根據(jù)C和支路諧振頻率計算電感L的大小，計算公式為　　　　其中n為諧波電流次數(shù)，為了增加系統(tǒng)魯棒性，計算時基波頻率取49.7Hz；　　5． 根據(jù)濾波效果選取濾波支路品質(zhì)印數(shù)Q，一般Q選取范圍是30－60，假設電抗器電阻為，則需要加的電阻器R的大小為　　　　考慮到散熱以及成本問題，在濾波效果滿足要求的情況下，可以不加電阻器；　　6． 得到濾波器參數(shù)C、L、R之后，計算出支路阻抗的頻率特性，根據(jù)圖4所示模型計算流入電網(wǎng)的諧波電流　　　　圖4 諧波源負載模型　　圖中諧波源等效為一個電流源并聯(lián)其內(nèi)阻，即負載電抗的形式。流入濾波裝置電抗Z的諧波電流為，流入電網(wǎng)電抗的諧波電流為，其中等效電抗　　　　流入電網(wǎng)的諧波電流為　　　　若流入電網(wǎng)的諧波電流滿足國家標準，則進行下一步的校核，若不滿足要求，則降低R的大小，并對C、L參數(shù)進行微調(diào)，進一步減少流入電網(wǎng)的諧波電流；　　7． 計算濾波器正常失諧情況下，濾波性能是否能夠達到標準，若不能達到標準需要進一步調(diào)整C、L、R參數(shù)；　　8． 計算電網(wǎng)阻抗和濾波支路的等效并聯(lián)阻抗，檢驗是否在特征頻率下發(fā)生并聯(lián)諧振，若發(fā)生并聯(lián)諧振則需要進一步微調(diào)C、L、R參數(shù)；　　9． 當C、L、R參數(shù)滿足上述所有要求的情況下，進一步校核各器件的額定電流以及額定電壓，使得電容器的額定電流電壓容量滿足　　　　　　　　其中U，I，Q依次為電壓電流容量，C1，Ch，CN依次為基波諧波和額定值。　　 ii. 高通濾波器支路　　高通濾波器和C型阻尼高通濾波器的設計方法類似，下面以高通濾波器為例說明其C、L、R參數(shù)的設計方法。　　1． 與單調(diào)諧濾波器設計思路類似，根據(jù)需要補償?shù)臒o功功率確定電容C的大小；　　2． 根據(jù)濾波需要設計所需的截止頻率f，一般取高于最高次單調(diào)諧濾波器的諧振頻率；　　3． 根據(jù)C和f計算R的大小，滿足　　　　4． 對于高通濾波器，定義m　　　　一般取m在0.5-2之間。計算得出電抗器L的大小。　　5． 對于C型阻尼高通濾波器，可以根據(jù)截至頻率f和C確定，為　　　　其中為系統(tǒng)角頻率，為截止頻率對應的角頻率。得到后，設計電抗器L的參數(shù)，使其滿足和在基波頻率下發(fā)生串連諧振。另外，也可以利用和步驟5中同樣的方法確定L的大小，并利用諧振關系確定的大小。　　6． 和單調(diào)諧濾波器類似，檢驗正常情況下的濾波效果，在失諧情況下的濾波效果，以及是否會和系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振。若各項要求都滿足，則確定濾波器的參數(shù)，否則對參數(shù)進行微調(diào)；　　7． 計算濾波支路的電壓電流大小，計算得出各元件的額定電壓電流大小；　　四、計算程序清單，使用方法詳見程序注釋以及算例設計。（計算程序基于MATLAB R2006a軟件）　　i．系統(tǒng)阻抗計算程序 (cal_sys_imp.m)　　ii．單調(diào)諧濾波器參數(shù)計算程序 (cal_tune_para.m)　　iii．高通濾波器參數(shù)計算程序 (cal_highpass_para.m)　　iv． C型高通濾波器參數(shù)計算程序 (cal_c_highpass_para.m)　　v．無功補償參數(shù)計算程序 (cal_reactive_para.m)　　vi．系統(tǒng)性能仿真程序 (system_simulation.mdl, system_analysis.m)　　五、算例設計　　本節(jié)針對某軋鋼廠諧波治理項目，使用第四節(jié)中的程序，計算濾波支路以及無功補償支路的參數(shù)。本節(jié)圖文并茂，盡可能詳細的演示了如何使用第四節(jié)中的程序，可作為以后設計諧波治理裝置的參考。　　某軋鋼廠諧波治理項目　　本系統(tǒng)為軋鋼廠低壓側系統(tǒng)，變壓器為10/0.4KV、其容量為1600KW。已　　知工廠主要用電設備為軋鋼機（132KW*2組，DC電機），平整機（75KW，DC電機），分卷機（45KW*2組，DC電機）。另有電爐480KW一組、280KW一組，后續(xù)可能上一組300KW電爐。　　在以下情況下測量諧波含量：測量時只有（132KW*2組，DC電機）運行，其它均未投運。其中5次、7次、11次諧波電流見表，功率因數(shù)為0.3，變壓器短路容量為5MVA。　　5次、7次、11次諧波電流