(整理)电力无源滤波补偿装置设计与分析的探讨.
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低压配电系统无功补偿滤波设计说明一、引言无功补偿滤波器是低压配电系统中的一种重要设备,通过对无功功率进行补偿和滤波,可以提高系统的功率因数,减少谐波污染,保证系统的稳定运行。
本文将详细介绍低压配电系统无功补偿滤波器的设计原理和注意事项。
二、无功补偿滤波器原理无功补偿滤波器通常由电容器和电感器组成。
通过调节电容器和电感器的容值和电感值,可以实现对无功功率的补偿和滤波。
在低压配电系统中,负载通常具有较大的无功功率,导致系统的功率因数下降。
无功补偿滤波器可以通过优化电容器和电感器的组合,实现对负载无功功率的补偿。
同时,滤波器中的电感器可以对电网中的谐波进行滤除,减少谐波污染。
三、无功补偿滤波器设计步骤1.确定滤波器的功率根据低压配电系统的实际负载情况,确定无功补偿滤波器的功率。
通常,滤波器的功率应略大于负载的无功功率。
2.选择电容器和电感器根据滤波器的功率和电网的频率,选择合适的电容器和电感器。
电容器的容值应按照滤波器的功率和电网频率进行计算,电感器的电感值应使得滤波器在电网频率下具有最佳的谐波滤除效果。
3.设计滤波器的连接方式根据实际的系统要求,选择滤波器的连接方式。
常见的连接方式包括单电容滤波器、双电容滤波器和电感滤波器等。
4.进行滤波器的电流和电压设计根据滤波器的功率和连接方式,计算滤波器的电流和电压。
滤波器的电流和电压设计应满足系统的安全要求,同时考虑滤波器的耐受能力和寿命。
5.进行滤波器的谐波分析和调整通过对滤波器的谐波分析,确定滤波器的谐波滤除效果。
根据实际需要,对滤波器进行调整,以达到最佳的谐波滤除效果。
四、无功补偿滤波器设计注意事项1.安全性滤波器内部的电容器和电感器应具有良好的安全性能,能够承受系统的电流和电压冲击,防止发生电弧、爆炸等事故。
2.稳定性滤波器的设计应具有良好的稳定性,能够适应负载的变化,保证系统的补偿效果和滤波效果。
3.谐波滤除效果滤波器应具备良好的谐波滤除效果,能够滤除电网中的谐波,减少谐波对系统的影响。
无源电力滤波装置设计方法说明摘要:国家电力部门越来越重视电网谐波造成地电网污染,其使电力系统地发供用电设备岀现许多异常现象和故障.为此,我公司结合高校资源等研究无源电力滤波装置.关键词:电网污染电力滤波供电国家电力部门越来越重视电网谐波造成地电网污染,其使电力系统地发供用电设备岀现许多异常现象和故障.为此,我公司结合高校资源等研究无源电力滤波装置一.设计目标a)使得负载注入电网地谐波电流满足国家标准要求;b)补偿负载所需无功,提高功率因数;二.设计准则a)谐波性能指标达到国家要求i.谐波电压要求ii.谐波电流要求表2注入公共连接点地谐波电流允许值b)在满足滤波要求地情况下,装置经济价格最低;c)保证在正常失谐地情况下滤波器仍能满足各项技术要求;d)电网阻抗变化会对滤波装置尤其是单调谐滤波器地滤波效果有较大影响,同时电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振地可能,设计时应予以考虑.三•设计方法a)需测量参数i.各次谐波电流电压幅值心,9;ii.系统短路容量S k;iii.电压等级U ;iv.系统功率因数'J ;v.变压器容量S;b)补偿无功功率计算设目标功率因数为^一般为0.9以上,则需补偿地无功功率Q可由下式算岀,0小(血升-血砒得到需要补偿地无功功率后,一般原则是将其平均分配至各滤波支路,以保证各支路基波损耗接近;若需补偿无功功率较大,可以选择在无源滤波支路外并联一条无功补偿支路;c)无源滤波支路参数计算常用地无源滤波支路接线方式如图3所示,其中单调谐滤波器,二阶高通滤波器以及C型阻尼高通滤波器较常用.其中单调谐滤波器主要针对谐波电流较大地低次谐波,二阶及C型阻尼高通滤波器主要应用于滤除高次谐波.本计算程序主要针对上述三种滤波器进行参数计算图3滤波器常用接线方式i.单调谐支路参数计算方法单调谐支路参数计算主要包括确定 C.L.R地大小,额定电流,额定电压等部分1.根据系统谐波电流情况确定单调谐支路地谐振频率f;2.根据谐波电流地大小计算所需电容器C地容量,计算公式为2叫丄其中;「为电容器容量,-弋=为相电压有效值,•〔为该次电流谐波有效值.若继续考虑无功补偿要求,可以按平均分配地原则增大L,满足系统地无功补偿需要;3•根据.计算岀所需电容C地大小,计算公式为其中•:;为系统地基波角速度,:为电容器地额定电压;4.根据C和支路谐振频率计算电感L地大小,计算公式为其中n为谐波电流次数,为了增加系统鲁棒性,计算时基波频率取49.7Hz ;5.根据滤波效果选取滤波支路品质印数Q,—般Q选取范围是30- 60,假设电抗器电阻为\ 则需要加地电阻器R地大小为考虑到散热以及成本问题,在滤波效果满足要求地情况下,可以不加电阻器;6.得到滤波器参数 C.L.R之后,计算岀支路阻抗地频率特性,根据图4所示模型计算流入电网地谐波电流图4谐波源负载模型图中谐波源等效为一个电流源[并联其内阻,即负载电抗,地形式.流入滤波装置电抗Z地谐波电流为「,流入电网电抗 ..地谐波电流为',其中等效电抗【心砒尹心解知丹I加&你博』流入电网地谐波电流为乔可打若流入电网地谐波电流满足国家标准,则进行下一步地校核,若不满足要求,则降低R地大小,并对C丄参数进行微调,进一步减少流入电网地谐波电流;7.计算滤波器正常失谐情况下,滤波性能是否能够达到标准,若不能达到标准需要进一步调整C.L.R参数;8.计算电网阻抗和滤波支路地等效并联阻抗,检验是否在特征频率下发生并联谐振,若发生并联谐振则需要进一步微调 C.L.R参数;9.当C.L.R参数满足上述所有要求地情况下,进一步校核各器件地额定电流以及额定电压使得电容器地额定电流电压容量满足Q 、、+ Q 、、二 1.妙、其中U,I,Q 依次为电压电流容量,C1,Ch,CN 依次为基波谐波和额定值 .ii.高通滤波器支路高通滤波器和 C 型阻尼高通滤波器地设计方法类似,下面以高通滤波器为例说明其 C.L.R 参数地设计方法. 1 .与单调谐滤波器设计思路类似,根据需要补偿地无功功率 L 确定电容C 地大小;3 .根据C 和f 计算R 地大小,满足2血4 .对于高通滤波器,定义mL一般取m 在0.5-2之间.计算得岀电抗器 L 地大小5 .对于C 型阻尼高通滤波器,可以根据截至频率 f 和C 确定 『,为其中「为系统角频率,-为截止频率对应地角频率 .得到;后,设计电抗器L 地参数,使其满 足和j 在基波频率下发生串连谐振.另外也可以利用和步骤 5中同样地方法确定 L 地大小,并利用谐振关系确定;地大小. 6 .和单调谐滤波器类似,检验正常情况下地滤波效果 ,在失谐情况下地滤波效果 ,以及是否会 和系统阻抗发生并联谐振.若各项要求都满足,则确定滤波器地参数,否则对参数进行微调;2 .根据滤波需要设计所需地截止频率f, 一般取高于最高次单调谐滤波器地谐振频率;四.计算程序清单, 使用方法详见程序注释以及算例设计.(计算程序基于MATLAB R2006a软件)i.系统阻抗计算程序(cal_sys_imp.m)ii.单调谐滤波器参数计算程序(cal_tune_para.m)iii.高通滤波器参数计算程序(cal_highpass_para.m)iv. C 型高通滤波器参数计算程序(cal_c_highpass_para.m)v.无功补偿参数计算程序(cal_reactive_para.m)vi.系统性能仿真程序(system_simulation.mdl, system_analysis.m)五.算例设计本节针对某轧钢厂谐波治理项目,使用第四节中地程序,计算滤波支路以及无功补偿支路地参数.本节图文并茂,尽可能详细地演示了如何使用第四节中地程序,可作为以后设计谐波治理装置地参考.某轧钢厂谐波治理项目本系统为轧钢厂低压侧系统,变压器为10/0.4KV. 其容量为1600KW. 已知工厂主要用电设备为轧钢机( 132KW*2 组,DC 电机) ,平整机( 75KW,DC 电机) ,分卷机(45KW*2组,DC电机).另有电炉480KW —组.280KW —组,后续可能上一组300KW 电炉.在以下情况下测量谐波含量:测量时只有( 132KW*2组,DC电机)运行,其它均未投运其中 5 次.7 次.11 次谐波电流见表,功率因数为0.3,变压器短路容量为5MVA.。
浅谈无功补偿与无源滤波用电设备正常工作不但要从电源取得有功功率,还需要获取无功功率。
如果电网中的无功功率不足,用电设备就没有足够的能力建立正常工作的电磁场,导致端电压下降,从而影响用电设备的正常运行。
电网输出的功率包括两部分:一是有功功率:直接消耗电能,把电能转变为机械能、热能、化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;二是无功功率:不消耗电能,只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率。
实际上用电设备正常工作不但要从电源取得有功功率,还需要获取无功功率。
如果电网中的无功功率不足,用电设备就没有足够的能力建立正常工作的电磁场,导致端电压下降,从而影响用电设备的正常运行。
但是从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷的需要,所以在电网中常常使用一些无功补偿装置来补充无功功率,以保证用户对无功功率的需要,这样用电设备才能在额定电压下工作。
无功补偿是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路,能量在两种负荷之间相互交换,这样,感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。
无功补偿可以增加电网中有功功率的比例常数,减少发、供电设备的设计容量,减少投资,降低线损等。
在无功补偿中,串联电抗的无功补偿电容器能够达到避免谐振滤除谐波等功能,在IEC标准中,将电容器与串联电抗器构成的设备统称为滤波器。
无源滤波器由LC等被动元件组成,将其设计为某频率下极低阻抗,对相应频率谐波电流进行分流,其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。
采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流,是抑制谐波污染的有效措施。
通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波,其实质就是根据电容电阻固有的阻抗特性,对某一特定频率的谐波呈低阻抗,为负载谐波电流提供较低的阻抗通道,与电网阻抗形成分流的关系,使大部分该频率的谐波流入滤波器,而不流入电网,其滤波特性由系统和滤波器的阻抗比所决定,所以滤波器一旦制成,性能参数难以变动,滤波特性受系统参数的影响较大;当波电流增大时,滤波器负担随之加重,可能造成滤波器过载;除此之外,无源滤波器只能消除特定的几次谐波,而对某些次谐波会产生放大作用。
电力系统无功补偿及谐波滤波技术研究摘要:电力系统中的无功补偿和谐波滤波技术是重要的电能质量控制手段。
本文将就电力系统中无功补偿技术和谐波滤波技术进行研究,分析其原理、应用和最新发展。
引言:随着电力系统的不断发展和供电质量要求的提高,无功补偿和谐波滤波技术在电力系统中扮演着重要的角色。
如何有效地进行无功补偿和谐波滤波,已成为电力系统领域内的热点问题。
本文对无功补偿和谐波滤波技术进行研究和分析,旨在为电力系统设计和运维提供参考。
一、无功补偿技术研究1. 无功补偿技术的原理和分类无功补偿技术是通过改变电力系统中负载的无功功率来实现无功功率的平衡。
主要包括静态无功补偿设备(如电容器、电感器、静态无功发生器等)和动态无功补偿设备(如STATCOM、SVC等)。
通过对各种无功补偿设备的工作原理、特点和适用范围进行研究,可以为电力系统的无功补偿提供技术支持。
2. 无功补偿技术在电力系统中的应用无功补偿技术广泛应用于电力系统中,其主要目的是提高电力系统的功率因数、降低输电损耗、改善电压质量等。
在不同的电力系统中,根据系统的需求和运行特点,选择合适的无功补偿技术能够提高系统的稳定性和可靠性。
3. 无功补偿技术的最新发展随着电力系统的智能化发展,无功补偿技术也不断升级和更新。
目前,一些新型的无功补偿设备如电力电子补偿器(DSTATCOM)、多功能无功补偿器(MVAR)等,已经成为电力系统无功补偿的新方向。
此外,通过与电力系统的自动化和通信技术相结合,实现对无功补偿设备的智能化控制和管理,既提高了无功补偿的精度,又降低了维护成本。
二、谐波滤波技术研究1. 谐波滤波技术的原理和分类谐波滤波技术是通过对电力系统中的谐波进行滤除,使谐波电压和电流的失真程度降低。
常见的谐波滤波器包括被动滤波器、主动滤波器和混合滤波器。
通过对各种谐波滤波器的特点和适用范围进行研究,可以为电力系统的谐波控制提供技术支持。
2. 谐波滤波技术在电力系统中的应用谐波滤波技术广泛应用于电力系统中,其主要目的是降低谐波对电力系统的影响,提高电能质量。
电力电子技术中的无源电力滤波器研究引言在现代社会中,电力电子技术已经成为不可或缺的领域之一。
电力电子技术在电动车、换流器、逆变器、照明系统等领域中得到了广泛应用。
无源电力滤波器是电力电子技术中的一项重要发明,能够为电子设备提供有效的滤波效果。
本文将探讨电力电子技术中的无源电力滤波器在研究方面的一些进展和展望。
一、无源电力滤波器概述无源电力滤波器是指不需要任何外部能源输入的一种滤波器。
传统的滤波器通常需要外部能源驱动才能发挥作用,而无源电力滤波器采用的是被动元器件(包括电容器、电感器、阻抗等)来完成信号的滤波处理,因此无源电力滤波器具有成本低、能耗低、使用寿命长等优点。
二、无源电力滤波器的分类1. 低通滤波器低通滤波器可以过滤掉高于一定频率的信号,留下低于该频率的信号。
低通滤波器通常用于直流电源、电动机控制器、UPS、充电器等领域中。
2. 高通滤波器高通滤波器可以过滤掉低于一定频率的信号,留下高于该频率的信号。
高通滤波器通常用于音频设备、功率放大器等领域中。
3. 带通滤波器带通滤波器可以只让一定频率范围内的信号通过,而滤除其他频率的信号。
带通滤波器通常用于模数转换器、数字信号处理器等领域中。
4. 带阻滤波器带阻滤波器可以滤除一定频率范围内的信号,而让其他频率的信号通过。
带阻滤波器通常用于激光干扰消除、音频音效器等领域中。
三、无源电力滤波器的设计和应用无源电力滤波器的设计需要考虑到多个参数,如选择合适的元器件、滤波器的截止频率等。
其中电容器和电感器是无源电力滤波器中最常用的元器件,它们可以分别用于低通滤波器和高通滤波器中。
在实际应用中,无源电力滤波器的应用越来越广泛。
以直流电压调节器为例,无源电力滤波器能够对输入电压进行有效的滤波,避免直流电源中的电压波动对整个直流电路产生不利影响。
此外,在照明系统中,无源电力滤波器可以有效地滤除变流器输出端的高频噪音,并减少照明灯具的闪烁现象。
四、无源电力滤波器的未来研究方向无源电力滤波器已经获得了广泛的应用和研究,然而随着电力电子技术的发展,无源电力滤波器的研究仍面临一些挑战。
电力系统无源滤波器设计方法研究近年来,随着电力系统的不断发展和扩大规模,电力质量的问题也日益严重。
其中,谐波是电力系统中一种重要的电能质量问题,它产生的原因各种各样,如电弧炉、电动机、电子设备等。
谐波会给电网带来许多不良影响,例如电网损耗增加、设备温升、谐波扰动等。
因此,为了解决电力系统中的谐波问题,设计无源滤波器成为一项重要的研究工作。
一、无源滤波器的工作原理无源滤波器是一种可以消除电力系统中各种谐波的电路,它不需要外加电源,并不改变电网的工作状态。
无源滤波器主要由电感和电容组成,通过合理地选择电感和电容的数值,可以使其在一定频段内具有谐波抑制的功能。
在电力系统中,谐波的波形通常为非正弦波,因此,无源滤波器的关键是选择适当的频率响应特性以适应谐波频率的变化。
常用的无源滤波器包括LC滤波器、π型滤波器和L型滤波器等。
二、LC滤波器设计方法LC滤波器是一种常见的无源滤波器,它由串联的电感和并联的电容组成。
针对电力系统中的不同谐波频率,可以通过适当选择电感和电容的数值,使得LC滤波器在不同频段内具有谐波抑制的效果。
LC滤波器的设计方法如下:1. 确定电感和电容的数值:根据电力系统中谐波频率的分布情况,可以选择合适的电感和电容数值。
通常情况下,电感与电容数值锁定于常见数值,如1mH、10μF等。
2. 验证电感和电容数值:通过仿真软件(如PSpice、Matlab等)可以对电路进行仿真验证。
根据仿真结果,可以调整电感和电容数值,以使滤波器在目标频段内具有较好的谐波抑制效果。
3. 搭建实际电路:根据设计得到的电感和电容数值,可以搭建实际的LC滤波器电路。
在搭建过程中,应注意电感和电容的连接方式和布局,以确保电路的正常工作。
4. 实际测试和调整:将搭建好的LC滤波器电路接入电力系统中,对系统中的谐波进行实测。
根据实测结果,可以对电路进行进一步的调整和优化,以达到较好的滤波效果。
通过上述设计方法,可以设计出具有良好谐波抑制效果的LC滤波器,从而改善电力系统的电能质量,保障电力系统的正常运行。
无源滤波器的设计及仿真研究摘要由于大量非线性电力负荷的增加,给电网的正常运行带来了功率因数降低、电磁干扰和谐波污染的问题。
功率因数过低,将会导致大量的电能浪费、设备利用率降低和电压偏差过大等;谐波电流的存在,则会引起波形畸变、电力设备基波负载容量下降和电力装置产生谐振等严重问题,有的电力系统甚至引起电力设备损坏事故。
文章介绍了无功补偿的必要性以及谐波的产生与危害性,指出无功补偿和谐波治理装置的现状,并结合具体案例做出了相关分析。
关键词:电网无功补偿谐波治理引言随着全球工业化进程的不断加快。
对地球环境的污染和破坏也空前加剧。
为此,在全世界范围内掀起了环境保护的高潮。
当今时代是高度强调环境保护和生态保护的时代,这是全球全人类和全社会的共识。
电力系统也面临着污染,公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的一种污染。
电力电子装置就是公用电网中最主要的谐波源,随着电力电子装置的应用日益广泛。
电网中的谐波污染也日趋严重。
电网谐波对电气设备的正常运行危害很大,它可导致电容器过流损坏,电动机力矩不稳,继电保护装置误动作,计算机等敏感电器发生功能错误。
本文的内容安排如下:第一部分介绍了本课题的研究背景,无功补偿和谐波治理的意义以及无功补偿装置与谐波治理装置的现状。
第二部分介绍了无源滤波器的设计方法。
第三部分结合工程实际,给出了某大型冶金企业谐波治理与无功补偿的两种方案,并对其中一种方案进行了仿真。
最后,针对两种方案比较其优劣。
第一章无功补偿与谐波治理的意义和现状无功补偿和谐波治理是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、电工理论等领域的重大课题,由于电力电子装置应用日益广泛,谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。
同时,也由于电力电子技术的飞速进步,在谐波治理和无功补偿方面也取得了一些突破性的进展。
一、无功补偿与谐波治理的意义无功补偿与谐波治理都与供电系统的电能质量密切相关。
谐波治理本身就属于改善电能质量的范畴,而无功补偿装置在补偿负荷或系统无功功率的同时也直接调节了系统电压,在一些枢纽变电站利用电力电容器和相控电抗器及现代电力电子控制技术组成的静止无功补偿器(SVC)直接作为电压调控的手段,由于其响应迅速调控精准,工程应用十分满意。
电力无源滤波补偿装置设计与分析的探讨一、电力网络的谐波分析1、电网谐波简化等效电路及其基本特性首先分析在没有电容设备且不考虑输电线路的的电容时,电力系统的谐波阻抗Zsn 可由下式近似表示:式中:Rsn——--—-———系统n次谐波电阻;Xsn--—--——-—n次谐波电抗,Xsn=nXsXs—--——————-工频短路电抗;其次设定并联电抗的基波容抗为Xc,n次谐波容抗为Xcn,则由此可知,并联电容后,系统的谐波等效电路如下所示:系统的n次谐波阻抗变为了Zsn'由下式表示:电力系统中主要谐波源为电流源,其主要特征是外阻抗变化时电流不变。
其简化电路和谐波等效电路如此下图:由图(b),根据谐波电流在系统支路和电容器支路中的分配与各支路的阻抗成反比,可得到回路的基本特性方程:式(1)、式(2)表达了以相对单位值表示的系统支路与电容器支路谐波电流与回路各参数之间的关系。
经过坐标变换可知,式(1)、式(2)均为等边双曲线方程.2、谐波电流谐振特性曲线的物理意义对图2的曲线所画定的区域做一个概括介绍:⑴、抑制谐波的滤波补偿区图2中以ξ=0垂线划界,其右侧ξ为正值,即,所以,电容器支路对该次谐波成感性。
此时,两支路电流均为正值,即其方向都与谐波源电流流出方向一致,见图1(b).线路参数决定的ξ值落在该区域时,系统和电容器两支路谐波电流都不会被放大,其和等于谐波源电流Ia。
所以,该区域是抑制谐波的滤波补偿区.⑵、自然补偿区图2中以ξ=0垂线左侧区域ξ为负值,即,此时,电容器支路对该次谐波均成容性,系统和电容器两支路谐波电流都受到不同程度的放大。
但是,在ξ<-2的区域,系统谐波电流只受到轻度放大,电容器支路仅流入部分谐波电流。
这一区域对应于电网没有显著的谐波负荷时的无功补偿状态,即电容器支路不串电抗或仅串电抗率很低的电抗仍能进行正常的无功补偿,故该区域可称为自然补偿区。
⑶、谐波电流的谐振区在的区域,电容器支路和系统支路谐波电流都会被严重放大甚至发生谐振,特别是ξ=-1是并联谐振的中心点.此处,谐波电流被极度放大,其数值取决于回路的Q值,可达到原值的几十至几百倍。
电力系统中无源滤波器的设计与应用研究随着现代电力系统的快速发展,电力质量日益成为人们关注的焦点。
在电力质量研究中,滤波器的使用越来越广泛。
其中,无源滤波器作为一种非常重要的滤波器,在电力系统中也有着广泛的应用。
本文将介绍无源滤波器的基本概念、设计方法和应用研究,以期对电力系统中无源滤波器的理解和应用有所帮助。
无源滤波器的基本概念无源滤波器是一种不需要外部电源就能实现滤波功能的电路。
它的原理基于电路元件的内部电性质,通过合理地设计电路结构和元件参数,将信号中的某些频率分量从电路中滤除或者衰减。
无源滤波器种类繁多,其中比较常用的包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
在电力系统中,无源滤波器的应用主要针对电源电压或电流中的高次谐波成分。
高次谐波是指频率高于基波频率的整数倍的谐波成分。
它们主要是由非线性负载(如电子电器等)的工作方式所产生的,会导致电力系统中电压失真和谐波污染问题。
因此,通过采用适当的无源滤波器可以有效地减少高次谐波并降低谐波污染。
无源滤波器的设计方法无源滤波器的设计方法包括两个方面:设计电路结构和选择元件参数。
其中,设计电路结构主要是指选择基本电路框图,包括所要实现的滤波器类型、级数和基本电路单元等。
选择元件参数则需要根据所要实现的滤波器特性和工作条件,如电源电压和负载电阻等,来确定电容、电感和电阻等元件的数值和阻抗。
对于无源滤波器的设计,目前主要有两种方法:一种是传统的频率响应法,另一种是基于网络函数的多带通滤波器设计。
传统的频率响应法是指根据滤波器的时间响应和频率响应之间的关系,利用傅里叶变换和拉普拉斯变换等工具,将滤波器的特性转化为一组频响特性曲线,然后通过对这些曲线的分析和合成,得到所要实现的滤波器电路结构和元件参数。
而基于网络函数的多带通滤波器设计则是指利用网络函数的性质和设计算法,通过网络函数的分解和组合,将滤波器设计转化为线性代数系统问题,并通过求解矩阵方程组,得到所要实现的滤波器电路结构和元件参数。
电力无源滤波补偿装置设计与分析的探讨一、电力网络的谐波分析1、电网谐波简化等效电路及其基本特性首先分析在没有电容设备且不考虑输电线路的的电容时,电力系统的谐波阻抗Zsn可由下式近似表示:式中:Rsn---------系统n次谐波电阻;Xsn---------n次谐波电抗,Xsn=nXsXs----------工频短路电抗;其次设定并联电抗的基波容抗为Xc,n次谐波容抗为Xcn,则由此可知,并联电容后,系统的谐波等效电路如下所示:系统的n次谐波阻抗变为了Zsn’由下式表示:电力系统中主要谐波源为电流源,其主要特征是外阻抗变化时电流不变。
其简化电路和谐波等效电路如此下图:由图(b),根据谐波电流在系统支路和电容器支路中的分配与各支路的阻抗成反比,可得到回路的基本特性方程:式(1)、式(2)表达了以相对单位值表示的系统支路与电容器支路谐波电流与回路各参数之间的关系。
经过坐标变换可知,式(1)、式(2)均为等边双曲线方程。
2、谐波电流谐振特性曲线的物理意义对图2的曲线所画定的区域做一个概括介绍:⑴、抑制谐波的滤波补偿区图2中以ξ=0垂线划界,其右侧ξ为正值,即,所以,电容器支路对该次谐波成感性。
此时,两支路电流均为正值,即其方向都与谐波源电流流出方向一致,见图1(b)。
线路参数决定的ξ值落在该区域时,系统和电容器两支路谐波电流都不会被放大,其和等于谐波源电流Ia。
所以,该区域是抑制谐波的滤波补偿区。
⑵、自然补偿区图2中以ξ=0垂线左侧区域ξ为负值,即,此时,电容器支路对该次谐波均成容性,系统和电容器两支路谐波电流都受到不同程度的放大。
但是,在ξ<-2的区域,系统谐波电流只受到轻度放大,电容器支路仅流入部分谐波电流。
这一区域对应于电网没有显著的谐波负荷时的无功补偿状态,即电容器支路不串电抗或仅串电抗率很低的电抗仍能进行正常的无功补偿,故该区域可称为自然补偿区。
⑶、谐波电流的谐振区在的区域,电容器支路和系统支路谐波电流都会被严重放大甚至发生谐振,特别是ξ=-1是并联谐振的中心点。
此处,谐波电流被极度放大,其数值取决于回路的Q值,可达到原值的几十至几百倍。
显然,电容器无功补偿和滤波都必须调整回路参数,避开这一区域。
⑷、全滤波补偿区ξ=0处电容器支路,即对该次谐波呈串联谐振状态。
此时由于对该次谐波阻抗为0,该次谐波全部流入该电容支路。
于是该点就是滤除该次谐波最佳位置,实际的滤波支路工作点就在该点附近。
此外,ξ= 1时,两组曲线有唯一的交点(1,1/2),此时系统支路与电容器支路各负担谐波电流的一半。
3、针对谐波电流谐振特性曲线的各区域的特性展开详细讨论⑴、自然补偿区的分析如上所述自然补偿区指图2左端ξ<-2的区域,通常ξ值为较大的负数,电容器支路虽是容性,但只会引起谐波电流的轻度放大。
故系统和电容器支路都不存在显著的谐波问题,一般只有变压器和电机等设备在运行中可能会产生的3次和5次谐波以及一些小容量的非线性负荷。
因此,电容器支路可以不采取抑制谐波和滤波的措施,即电容器支路可以不采取抑制谐波或滤波措施,即电容器支路不串电抗(如大多数低压侧补偿柜)或仅串0.1~1%的限流电抗(如某些高压补偿柜)。
由式3 ,在该区域X L/X L=0~0.01;通常,如,则ξ<(-11~-4)。
可以看出,如果无功补偿容量相对较小,例如的场合,补偿不会带来显著谐波问题。
但是如果电网内遇到较高次谐波或补偿电容器串有较大的电抗率,造成ξ的绝对值减小时,谐波放大问题就会变得严重。
在ξ= 2时注入电网的谐波电流就能达到2In。
应当看到, 根据ξ的表达式在此区域内电容器支路增设电抗(如采用1%的电抗)仅能限制涌流,并不能抑制谐波,反而是随着电抗率的提高, 对谐波的放大作用会增强。
除非电抗率或谐波次数的增加足以使ξ值跨越谐振区[-2<ξ<-1/2 ]而进入感性区(ξ变为正值),谐振才能受到抑制。
此外,数值对谐波放大起着关键性作用。
此值减小时若的绝对值变小,谐波放大问题会变得严重,甚至进人并联谐振区。
例如小容量的配电变压器二次侧投人较大的无功补偿容量,不仅有可能发生过补偿,造成无功倒送,而且会使ξ值接近-1,而进人谐振区。
在处理无功补偿问题时,这是必须注意的。
⑵、滤波补偿区的分析图中ξ>0的区域,其特点是系统中存在显著的谐波源而电容器支路串联有足够大的电抗,使得因而呈感性。
此时电容器支路作为无功补偿设备兼有部分滤波功能,故称之为滤波补偿区。
由式3可知,在为零或很小的情况下,ξ对于各次谐波都是负值,都难免遇到谐波放大或谐振问题使得无功补偿无法进行(常见的现象是电容器支路谐波电流过载、电容器早期损坏、熔断器动作、控制器失灵等)。
在电容器支路中串联了足够大的电抗使得ξ再变为正值,则电容器支路对谐波呈感性。
系统谐波电流就不再被放大。
电容器支路流进了部分谐波电流,分流了注人系统的部分谐波电流。
即此时电容器支路不仅能对基波进行有效的无功补偿,而且还能滤去部分谐波电流。
由可知,为使3次及以上谐波在电容器支路呈感性, 所串电抗率必须满足条件:, 即大于11.1%,同理,为使5次、7次、11次及以上谐波在电容器支路呈感性的条件分别为:,即大于4%;,即大于2.04%;,即大于0.826%;通常在系统谐波不超标的情况下只要求电容器能顺利进行无功补偿就行了,并不要求电容器支路能滤掉全部谐波。
为此电容器支路电抗率针对3次、5次、7次、11次谐波分别选取比串联谐振值11.1%、4%、2.04%、0.83%和稍大一些的数值,即取13%、6%、4% 和1%,可以看出这里对3次、5次、7次、11次谐波选取的电抗率都比申联谐振值大2%左右。
如果(通常在20~200之间)则在这几种情况下,ξ值都正好接近2,也就是电容器支路承担的相应次谐波电流都是,即都滤掉。
当然如果更大一些,则ξ值也更大一些,滤除的要少一些,反之对较小的电源系统则滤除的会多一些。
在其他条件不变的情况下,电抗率增加,若ξ值上升,电容器支路滤除的谐波电流就减少。
同样,谐波次数增高,滤波部分也减少。
例如串6%的电抗,设,则会滤掉5次谐波电流的约33%,7次谐波电流的约20%,11次谐波电流的约16%,23次谐波电流的约14.7%和49次谐彼电流的约14.4%等。
值得指出针对较高次谐波选取的值,对于较低次谐波因ξ值可能变为负值而使该次谐波放大。
如针对5次谐波电抗率取6%时,对3次谐波这对3次谐波略有放大-5.1,这对3次谐波略有放大。
如系统短路容量较小则ξ可能落入[-2,-1/2]的区间而造成3次谐波谐振。
在处理实际问题时,应进行必要的验算,以防止谐波谐振。
至于对11次及以上谐波电抗率也取4%,则对5次、7次谐波也有滤波作用,否则取2%就会放大3次、5次谐波。
但对含有高幅值谐波电流的负载, 上述滤波补偿方式也只能做到不放大、不谐振和滤掉一小部分谐波。
在某些特征谐波超标的情况下, 必须加装针对该次谐波的调谐滤波器以及高通滤波器。
⑶、并联谐振区的分析前面两节已经涉及ξ在-2到-1/2区间回路发生谐波电流并联谐振的问题,谐振的中心位在ξ=-1处。
在处理谐振问题时,既要注意谐振点位置,也要注意严重放大区谐波次数的上、下边界(此时Icn,Isn被放大到2I N〕。
由式(3)推导,令ξ=1可求出谐振中心点的谐波次数:令ξ=2可求得下界谐波次数:令ξ= -1/2可求得上界谐波次数:于是对于既定的线路参数,并联谐振区可能发生谐波谐振的谐波次数的范围为:不难看出,电容器安装点比值越大或电容器支路电抗率愈大则谐振中心点谐波次数n0就越低,反之则越高。
如,则;;;在不变的情况下,增加值,则n0下降,且变小,即严重放大区变窄。
实例:某补偿装置S D=12MV A,Q C=100kVar,,可求出,即对11次谐波谐振,又,,如果串入6%电抗器则,;即串电抗率为6%的电抗器后,即避开了11次谐波谐振(此时),且严重放大区谐振次数范围变窄。
同理由式、可知对3次、5次、7次谐波有:即谐波电流放大20%;,即谐波电流滤除了29%;,即谐波电流滤除了17%;即此时电容器支路和系统中3次谐波不在谐振区,但被放大20%,而5次、7次谐波则被电容器支路部分滤除。
⑷、全滤波补偿区的分析ξ= 0 时,电容器支路电容与电抗,对该次谐波串联谐振,其阻抗≈0,此时电容器除对基波进行无功补偿外,还吸收了从谐波源流出的该次谐波全部电流(若不计滤波支路的电阻)。
实际的滤波器参数总有一定的偏差,滤波工作点在偏调谐位置,并可在一个工作区域内变化,譬如要求-0.091<ξ<+0.414。
现作粗浅探讨如下:1)、工作区的确定ξ从串联谐振点ξ=0增大时,流人电容器支路的谐波电流减少,而注人系统的谐波电流则增加。
我们不妨参照滤波器通频带的规定,取电容器支路谐波电流下降到谐波源电流I N的1/√2定做滤波器通频带的上边界。
在此边界上电容器支路谐波电流相对单位值由式(2)可知,与此对应有ξ=0.414。
ξ从0开始向负值变化时,电容器支路变为容性,注人系统和流进滤波电容器的谐波电流迅速增大。
考虑到电容器支路谐波电流的过负荷能力有限,不妨规定电容器支路内该次谐波电流增加到110%作为滤波器的下边界。
此时ξ=-0.0909。
因此,滤波器的工作区间可确定为-0.091<ξ<+0.414。
表列出滤波器工作区各点各参的数值:2)、关于滤波调谐工作点由式(3)可知,ξ值与5个参数有关;如果X L、X C和频率都很精确,当然取ξ= 0值做滤波工作点最为理想,此时,ξ值不受变化影响。
而实际上X L、X C总会有一定的偏差,电网频率也会在土1%的范围内变化。
电气参数变化导致ξ值出现负值时容易导致系统谐波电流放大。
ξ值向正方向变化则没有出现谐振的危险,因此,滤波器起始工作点若计算值宜按若值“宁正勿负”的原则选取,即按工作区中间值,例如ξ=0.253选取。
此时可允许电气参数有较宽的变化范围。
如起始工作点取ξ=0, 则当C、L下降时,ξ值会变为负值。
例如对于5次谐波滤波器,如C和L都下降2%,则就变为-0.00157,如果,则已超出了下限。
如果选择ξ= 0.0413,则当C和L都下降2%时,ξ变为0.0639 ,仍超不出下边界(见表1)对高次谐波调谐的滤波器对低次谐波,ξ则为负值,如回路未并低次调谐滤波器,则在一定的条件下可能引起低次谐波谐振,因此,调谐滤波器应对低次谐波进行验算。
而低次谐波滤波器对高次谐波,ξ为正值,不会谐振且有部分滤波作用。
因此,为避免投切滤波器时发生谐振,滤波装置各路滤波器的投切次序:投人时,应先低次后高次;切除时,应则先高次后低次。
4、谐波电流谐振特性曲线的各区域的特性的小结采用相对单位值表示的谐波电流特性曲线(两组双曲线)可方便、明了、快捷地分析系统和电容器支路谐波电流随网络参数变化的关系。