國家電力部門越來越重視電網諧波造成的電網污染，其使電力系統的發供用電設備出現許多異常現象和故障。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；　　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) 電網阻抗變化會對濾波裝置尤其是單調諧濾波器的濾波效果有較大影響，同時電網阻抗與濾波裝置有發生并聯諧振的可能，設計時應予以考慮。　　三、設計方法　　a) 需測量參數　　 i. 各次諧波電流電壓幅值，；　　 ii. 系統短路容量Sk；　　 iii. 電壓等級U；　　 iv. 系統功率因數；　　 v. 變壓器容量S；　　b) 補償無功功率計算　　設目標功率因數為，一般為0.9以上，則需補償的無功功率Q可由下式算出，　　　　得到需要補償的無功功率后，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一條無功補償支路；　　c) 無源濾波支路參數計算　　常用的無源濾波支路接線方式如圖3所示，其中單調諧濾波器，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計算。　　　　圖3 濾波器常用接線方式　　 i. 單調諧支路參數計算方法　　單調諧支路參數計算主要包括確定C、L、R的大小，額定電流，額定電壓等部分。　　1． 根據系統諧波電流情況確定單調諧支路的諧振頻率f；　　2． 根據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。若繼續考慮無功補償要求，可以按平均分配的原則增大，滿足系統的無功補償需要；　　3． 根據計算出所需電容C的大小，計算公式為　　　　 其中為系統的基波角速度，為電容器的額定電壓；　　4． 根據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，為了增加系統魯棒性，計算時基波頻率取49.7Hz；　　5． 根據濾波效果選取濾波支路品質印數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C、L、R之后，計算出支路阻抗的頻率特性，根據圖4所示模型計算流入電網的諧波電流　　　　圖4 諧波源負載模型　　圖中諧波源等效為一個電流源并聯其內阻，即負載電抗的形式。流入濾波裝置電抗Z的諧波電流為，流入電網電抗的諧波電流為，其中等效電抗　　　　流入電網的諧波電流為　　　　若流入電網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參數進行微調，進一步減少流入電網的諧波電流；　　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整C、L、R參數；　　8． 計算電網阻抗和濾波支路的等效并聯阻抗，檢驗是否在特征頻率下發生并聯諧振，若發生并聯諧振則需要進一步微調C、L、R參數；　　9． 當C、L、R參數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參數的設計方法。　　1． 與單調諧濾波器設計思路類似，根據需要補償的無功功率確定電容C的大小；　　2． 根據濾波需要設計所需的截止頻率f，一般取高于最高次單調諧濾波器的諧振頻率；　　3． 根據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，可以根據截至頻率f和C確定，為　　　　其中為系統角頻率，為截止頻率對應的角頻率。得到后，設計電抗器L的參數，使其滿足和在基波頻率下發生串連諧振。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，以及是否會和系統阻抗發生并聯諧振。若各項要求都滿足，則確定濾波器的參數，否則對參數進行微調；　　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．系統阻抗計算程序 (cal_sys_imp.m)　　ii．單調諧濾波器參數計算程序 (cal_tune_para.m)　　iii．高通濾波器參數計算程序 (cal_highpass_para.m)　　iv． C型高通濾波器參數計算程序 (cal_c_highpass_para.m)　　v．無功補償參數計算程序 (cal_reactive_para.m)　　vi．系統性能仿真程序 (system_simulation.mdl, system_analysis.m)　　五、算例設計　　本節針對某軋鋼廠諧波治理項目，使用第四節中的程序，計算濾波支路以及無功補償支路的參數。本節圖文并茂，盡可能詳細的演示了如何使用第四節中的程序，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　　本系統為軋鋼廠低壓側系統，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，功率因數為0.3，變壓器短路容量為5MVA。　　5次、7次、11次諧波電流