基于滤波器的电能质量提高措施研究

田川 邓守丽

摘要：文中以单调谐滤波器、二阶高通滤波器、C型高通滤波器这三种运用范围较广的典型滤波器为例进行研究，总结了这三种滤波器应采用的设计模型、计算公式，并对滤波器的阻抗特性进行编程计算。在实际运用中，采用某个以中频加热炉为主要谐波源的锻造厂为例，基于其厂内的大量实测数据，对其加设滤波器组，并运用Matlab中Simulink仿真平台进行仿真，验证滤波器对于整厂电能质量的提高效果。

关键词：谐波抑制；无功补偿；LC无源滤波器；Matlab仿真

引言

随着电力电子技术的迅速发展，特别是在冶金、矿山、电气化铁道、电力输送等工业系统中大量采用可控硅技术及其硅整流设备和换流逆变设备，这些非线性负荷在系统中产生大量谐波，从而恶化了电能质量并导致经济损失。现在虽然提出了有源滤波等新兴的技术来抑制谐波，但由于其容量较小，成本较高，因此实际工程应用中大多数仍然采用技术较为成熟的无源滤波器，相对来说价格便宜，容易实现。常用的无源滤波器有单调谐、二阶高通、C型高通三种，下面介绍其设计原理。

一、LC无源滤波器介绍

1.1 滤波器滤波原理

电气元件主要有三类：电容、电感和电阻。其中电阻的阻值R与系统频率无关，而电感和电容的感抗和容抗都和系统频率相关，电感的感抗，所以频率越高，感抗值越大。电容元件和电感则相反，因为，所以频率越高，容抗越小。因为感抗和容抗均和频率有关，当达到某一系统频率的时候，有可能会使得感抗和容抗相等，感抗为负值，而容抗为正值，二者相加和为零，这种现象称为谐振，在谐振状态下电路是呈电阻性的。此时该频率的谐波电流就会流入该滤波器而不是电网。无源滤波器则利用这一特性，即LC元件对于不同频率的交流电电抗不同，对交流电流进行滤波。

1.2 几种典型LC无源滤波器阻抗特性计算

1）单调谐滤波器

对于次数不为n的谐波，单调谐滤波器呈现出来的阻抗则大于Rfn，从而滤波支路分流较少，达不到滤波的效果。因此单调谐滤波器只能根据预期设定的频率参数滤除某一次的谐波。

在滤波器设计过程中主要还涉及到两个概念，调谐次数l和品质因数q。由于滤波器含有电感性和电容性元件，因此当系统和滤波器电抗值和电容值相等时有可能会发生谐振。因此在设计滤波器时，为了避免其在整数次谐波处发生谐振，特意将谐振点设计的左移一些，让电抗值稍稍小于电容值，避免谐振的发生。而调谐次数l就是左移之后的谐振点所对应的谐波次数。

2）高通滤波器

高通滤波器又被称为减幅滤波器，预先给滤波器设定一个截止频率，当频率高于这个临界频率值的时候就会被识别并滤除。在几种高通滤波器中，一阶高通对于电容器的容量要求比较高，基波的损耗也比较大，因此一般不采用。二阶高通滤波器在这几种中滤波性能相对而言是较好的，而且滤波器的结构简单，但它和三阶高通滤波器比起来基波损耗又比较大；三阶高通滤波器和二阶的相比就是多了一个电容器C2，它的容量比C1要小的多，其基波損耗比较小，但是它的滤波性能不太好，实际应用也比较少；C型滤波器的性能则比二阶高通稍弱，但比三阶高通稍好一些，因为C2与L在基波频率时会发生谐振，因而可以大大减少基波损耗，有比较高的应用价值，但是它的结构复杂，因此成本较高，而且它对于元件参数的变化和基波频率的偏差也比较敏感。本文中采用的高通滤波器为二阶高通滤波器和C型滤波器。

1.3 滤波器容量分配原则

因为滤波器不仅有滤除谐波的作用，很多情况下还需要其兼顾补偿无功容量的要求，因此必须知道系统需要补偿的无功容量为多少，如何在各个滤波器中进行分配。一般若负荷容量为SLMVA，补偿之前功率因数角为Φ1，补偿之后功率因数角为Φ2，那么需要滤波器来补偿的无功容量为：

二、Simulink实例仿真

本文采取系统仿真的方法，在Matlab中的Simu-link仿真平台绘制出系统的接线图，并通过三种滤波器配置方案的滤波前后波形效果对比选出最佳方案。

此处列举了浙江某锻造厂的配电系统为例，测得其原始的谐波数据，将其录入到搭建的模拟系统中来对其谐波进行仿真和滤波。

已知系统原本的功率因数为0.85，假设需要将其补偿到0.98的水平，则由

可以计算得出系统需要补偿的总无功容量为123.968kvar，下面根据实际情况设计出三个备选滤波方案。

方案一：考虑到该系统中5、7、11次谐波最为严重，因此先考虑加装三个单调谐滤波器分别滤除这三种谐波。由

得知滤波器的容量分配公式，按照这种方法求得5、7、11次滤波器各自的容量为：69.58kVar、27.612kVar、26.77kVar。将计算出的参数设置到滤波器模型中并加以二次仿真。

方案二：一共加装5、7、11、13次的四个单调谐滤波器，因此对于无功容量需要重新分配，同样按照

得出5、7、11、13次单调谐滤波器的容量分别为：56.457kVar、22.40kVar、21.72kVar、23.388kVar。

根据下图谐波含量分析结果可知此时系统的5、7、11、13次谐波含量均已达标，且波形较方案一也有较大改善。

方案三：考虑采用高通滤波器同时滤除两种谐波。

根据下图谐波含量分析结果可知方案三的系统11、13次谐波含量均未达标，且波形较滤波前改观不大，因此效果不如方案二理想。

总结上述三种方案，就波形效果来说，方案一和方案二的波形较方案三更为可观，而方案一和方案二相比，方案二的波形更为平滑，接近正弦；就谐波含量来说，方案三两种谐波超标，因此完全不可取，方案二的滤波效果完全符合要求，方案一只有13次谐波略微超标，因此从理论上来说方案二的滤波效果在各方面都最好，但是方案二比方案一的投资更大，因此最终在一、二两种方案中进行抉择取决于用户的取舍，看用户更倾向于降低成本还是追求效果。但总体来说，两种方案都可以大大地提高电能质量，防止谐波流入电网，因此达到了提高电能质量的最终目的。

结语

本文分析了常用的三种滤波器的阻抗特性及参数设计过程，并在实际系统中采取三种不同滤波器的组合方案解决谐波问题，发现滤波器的采用对于谐波的治理和抑制十分有效，不同的滤波器组合可以达到不同的效果，但最终都可以达到提高一定电能质量的目的，同时通过仿真结果得出了单调谐滤波器和高通滤波器各自滤波效果和经济性的比较，在实际安装的过程中，可以采用文中所述的仿真方式，综合考虑用户的经济需求和效果需求，选用更为理想的滤波方案。

参考文献：

[1]李永强.无源滤波器优化设计方法的研究[D].郑州：郑州大学硕士学位论文，2009.

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[3]袁 川，阮 广，贾 玲.无源滤波器设计及其在谐波治理中的应用[J].四川电力技术，2005，5（11）：28-30.