谐波抑制和无功补偿-毕业论文.doc

摘要非线性负载的大量应用给电网带来了严重的谐波污染，并由此产生了一系列电能质量问题，而各种敏感负载对电网的供电质量又提出了更高的要求。无源电力滤波器因其结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用低，成为电力系统中最普遍的谐波抑制设备。本文对无源电力滤波器的参数设计方法进行了深入的研究。详细分析各种无源电力谐波器结构和工作原理，并在其基础上对影响滤波器性能的有关参数进行了深入分析，重点研究了等值频偏、品质因数、无功补偿容量特性及系统谐波阻抗对单调谐滤波器和高通滤波器性能的影响。以此作为滤波装置设计的理论基础，为工程设计提供了理论准则。本文通过分析滤波装置设计方案的制定策略，推导最小电容器安装容量法、无功补偿容量分配法及过电压限制法等工程设计方法设计滤波器参数的流程，并在MATLAB电力系统仿真环境下，通过仿真验证了工程设计法。对电力系统无源滤波装置，在常规调谐滤波器的设计思路上，考虑实际滤波器受电网中的负载和自身元件特性的影响，工作在失谐状态下，采取最佳偏调谐设计的方法设计单调谐滤波器。在给定容量时，对全调谐、经验偏调谐、最佳偏调谐设计进行计算，对比结果，得出最佳偏调谐设计所得相对容量较小滤除谐波能力更好的优点。由于交流调谐滤波器的工作原理及其缺点，针对严重影响调谐滤波器滤波效果的失谐问题和单个LC支路只能抑制单次谐波的缺陷，以及交流调谐滤波器不能实现动态补偿问题，为了对其进行改进，学习研究了多种可变电抗器。关键词: 无源电力滤波器；谐波抑制；滤波效益；失谐AbstractWide-range application of nonlinear load has brought serious harmonic pollution to power grid,as well as a series of power quality problems.However,some sensitive load has tougher and tougher requirement on power quality.Therefore,Passive power filter(PPF)is most widely used as harmonic-eliminating device in power system,because of simple configuration,low investment,high reliability,and low operation cost.This paper penetrates on aprofound and detailed study on the parameter design of PPF.First,this paper analyses the configuration and working principle of PPF.Moreover,a thorough analysis is conducted on the factors which are related tothe filters characteristics,including the effects of equivalent frequency offset,quality factor,reactive power capacity of the single tuned filter(STF)and highpass filter(HPF),the system equivalent harmonic impedance etc. As thefoundation of designing filter,this step would supply the design principles for the coming engineering design methods.What is more,this paper analyzes the decision strategy of setting the filter group,and deduces the theory of engineering methods used to design the filter parameters,such as minimal capacitor installed capacity method,reactive power allocating method and over-voltage limitation method.All these methods are realized by simulation under MATLAB.To the electrical power system harmonic suppression, this article profits from the conventional harmonious filter the design mentality, considering the actual filter influenced by the electrical network load and own part characteristic, works under the detune condition, adopts the best harmonious design method to design the signal-tuned filter. When assigns the capacity, carry on computation to entire harmonious, the experience harmonious and the best harmonious design, contrast the result, obtains the best harmonious design has smaller relative capacity merit with the varying filtering parameter .From the view of solving detuning problem,which is the main cause of deterioration of filtering perfoumance,and covering the shortage that single LC branch only can mitigate single harmonics. Tunable filter can not be achieved the exchange of dynamic compensation. In order to improve their, Study a wide variety of transformer reactorKeywords：Passive power filter;Harmonics elimination; Filtering efficient; detune condition目录1绪论11.1谐波的产生及危害11.2谐波抑制与无功补偿的关系21.3谐波的抑制31.4本文的主要任务52 交流无源滤波器原理及性能研究62.1引言62.2结构型式及其特性62.2.1单调谐滤波器72.2.2高通滤波器82.3影响滤波器性能的参数研究92.3.1影响单调谐滤波器性能的参数研究92.3.2影响高通滤波器性能的参数研究112.3.3系统等值谐波阻抗对滤波器参数的影响研究132.4本章小结143 滤波装置工程设计方法研究153.1引言153.2滤波装置设计准则153.3设计步骤163.4滤波装置设计方案的制定173.5单调谐滤波器设计方法研究183.6高通滤波器设计方法研究223.7工程设计实例243.7.1基于最小容量安装法设计电容器仿真研究253.7.2补偿效果的分析273.8本章小结284单调谐滤波器的优化设计294.1失谐对滤波器设计的影响294.1.1失谐度与谐波电流的关系294.1.2失谐对滤波性能的影响304.1.3失谐对滤波元件参数的要求304.2应对失谐的滤波器设计策略314.2.1偏调谐设计策略314.2.2单调谐滤波器的最佳偏调谐设计324.2.3以滤波器容量最小为目标的偏谐率优化324.2.4给定容量条件下以滤波效果最高为目标的偏谐率优化334.3单调谐滤波器的设计与仿真344.3.1谐波系统344.3.2单调谐滤波器的仿真例证354.4本章小结385交流调谐滤波器改进方法的研究395.1交流调谐滤波器的改进思路395.2电抗器可调方案395.3本章小结416结论与展望42谢 辞44参考文献45I配电系统的谐波抑制和无功功率补偿研究1绪论1.1谐波的产生及危害电力系统中，谐波的定义是指对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解后，除了得到与电网基波频率相同的分量外，还有一系列大于基波频率的分量，这部分电量被称为谐波。近年来, 随着各种整流、换流设备、电弧炉、各种电力电子设备、非线性负荷以及多种家用电器和照明设备等的大量使用，电力系统的谐波问题随着电力电子装置的广泛应用变的越来越突出。相对传统的电路和电力调节装置，电力电子装置具有高功率因数、高功率密度、高可靠性及低噪音、维护成本低等优点，这种装置提高了电能的利用率，但是其本身的非线形使得电网电压和电流不再为正弦波，而是畸变为含有各次谐波的电压和电流。谐波电压和电流的出现，严重危害了功用电网及其他系统的正常工作。谐波的危害主要体现在以下几个方面：(1)谐波对电网的影响谐波电流在电网线路中会产生附加有功功率损耗。谐波电流虽然通常数值不大，但其频率较高，导线的集肤效应造成的谐波电阻较大，从而引起的附加损耗增加，降低了发电、输电及用电设备的效率。谐波电流中的无功分量同时会降低电网的功率因数(2)引起过电压和过电流谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振，这种谐振会使谐波电流放大几倍至几十倍，从而危及电容器和其他供用电设备的安全运行。严重时会将电容器和电抗器烧毁。(3)谐波对电机的危害谐波对旋转电机会引起附加损耗和过热。谐波电流通过定子绕组由于集肤效应会造成谐波损耗。另外，谐波电流会产生与谐波频率相对应的旋转磁场，在转子绕组中感应出谐波电流，从而在转子中产生损耗和过热现象。谐波同时会引起机械振动，对电机也有很大的危害。其中，正负序的谐波电流在电动机中会产生N倍基频的谐波转矩，它的平均转矩虽然可以忽略，但其产生的脉动转矩会引起电机的机械振动和噪音谐波对变压器的影响主要是发生谐振时，电流过大，铁心严重饱和，可危及变压器的安全。谐波电流流过变压器，还会增加其铜耗和铁耗。(4)谐波对继电保护和电力测量的影响许多电能仪表和继电保护设备是针对正弦波及其过零点校验设计的，谐波容易引起继电保护和自动装置误动作或拒绝动作。不同类型的继电器设计性能和工作原理不同，故谐波的影响有较大差别。谐波对大多数继电器的影响并不大，但对部分晶体管型继电器可能有很大影响。在存在谐波的情况下，由于没有统一的表征功率的定义，同一仪表对同一电气量进行测量时，按照不同定义所的得的结果可能会相差20%30%。另外，对于采用平均值测量法的仪表，由于需要按正弦波转换成有效值，当存在谐波时，结果有误差。(5)谐波对通信系统的干扰谐波干扰会引起通信系统的噪音，降低通信的清晰度，干扰严重时会引起通信信号的丢失。在谐波和基波共同作用下引起的电话铃响，甚至会危及设备和人身安全。1.2谐波抑制与无功补偿的关系现代电力配电网中谐波抑制和无功功率补偿不再是两个独立的问题，二者相互之间有非常紧密的联系，主要表现在5:(1)无功补偿与谐波抑制都与电力电子技术有密切的关系，而各种电力电子装置目前已成为供用电系统最为主要的谐波源，同时其功率因数也很低，消耗大量的无功功率。(2)补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，如LC滤波器、有源电力滤波器中的许多类型都可以补偿无功功率，高功率因数整流器既限制了谐波，也提高了功率因数。(3)很多无功补偿装置，如晶闸管控制电抗器(TCR)在正常运行时会产生大的特征谐波注入电网，因此必须采取措施将这些谐波滤除或减弱。在波形畸变情况下, 视在功率S 与有功功率P 和无功功率Q 之间的关系变为: （1-1）视在功率减去有功功率后余下的包括两部份, 现用一数学量D 来表示所余下的其中一部份伏安值(习惯上D 就称之为畸变功率), 这样, 视在功率就成为三维空间向量和, 即: （1-2）畸变功率D 具有无功功率的性质。因此,谐波电流可以看作是无功功率的增加(谐波无功功率)。它与电磁无功功率在电网中流动时一样, 会增加线路和变压器的铜损耗, 并使供电网络的功率因数降低。1.3谐波的抑制要解决配电系统的谐波和无功补偿问题必须综合考虑滤波和补偿这两方面的因素，能满足要求的实现方法有很多，经过学习比较，这里主要研究两种常见的滤波装置。一种是无源滤波器；一种是有源滤波器。1、无源滤波器无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段，是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器，电抗器和电阻组合而成。一个简单的串联LC电路与谐波源并联，应用其谐振原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流不再流入电网，达到抑制谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐LC滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次上的谐波。无源滤波器的优点：因其结构简单，电压和容量可以做的很大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因素；维护方便；造价低，运行费用也低；对某一次高次谐波的吸收效果明显；设计制造经验成熟。因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。无源滤波器虽然存在上述诸多优点，但它也有不足之处。无源滤波器的滤波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路，因此由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点：(1)只能抑制按设计要求规定的谐波成分，抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果。而实际工程设计时考虑到设计投资，不可能依靠增加滤波器的办法解决。(2)滤波特性受系统参数影响较大，滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感，在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此一个实际的滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。(3)当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，从而会产生谐波放大现象，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。(4)当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。(5)装置体积大，损耗大。(6)滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题，国内外的设计研究人员研究出若干解决办法，通过采取优化设计，在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必要采用其它滤波方式来抑制谐波。2、有源电力滤波器有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服LC无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点，与传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来主要有：(1)实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。(3)即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿用。(4)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。(5)能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。(6)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。基于有源滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义，具有广阔的应用前景。但目前国内的有源滤波器还处于研发阶段技术还不够成熟，应用的有源滤波器大都是国外进口产品，如ABB公司，价格昂贵，只有少数的工厂和企业在用。因此在这里选用无源滤波装置。从工作原理来看，滤波装置可分为两类。一类为有源滤波器，即该滤波器本身为一谐波源，其发生的谐波与负荷产生的谐波大小相等，但方向相反，正好抵消了负荷产生的谐波，从而达到消除谐波的目的。这类滤波器目前仅有小容量的装置投人使用，尚须进一步研究。另外一类是无源滤波器，它是采用电容、电感谐振的原理来达到“吸收”谐波的目的。由于其中有电容器，所以可以实现滤波兼并补双重作用。1.4本文的主要任务1、通过研究，收集整理数据，了解配电网电能质量的特点。2、对无功功率补偿与谐波抑制方法进行理论分析，包括谐波畸变波形时域分析，正弦波形畸变指标，电力系统的主要谐波源，谐波对电力系统的危害和影响，电网谐波的指标等。3、研究并分析各种既能补偿无功功率又能抑制谐波的装置，分析不同装置的特点，选择一种适用于配电网的装置建立仿真模型。4、重点研究无源滤波器，对无源滤波器的性能进行研究，无源滤波器的优缺点，以及研究影响无源滤波器性能的各种因素，并运用传统的工业设计法设计无源滤波器。5、针对无源单调谐滤波器失谐问题进行改进并建立仿真。6、对配电系统加入补偿装置前后分别进行仿真分析，从配电系统电流波形上对比分析加入补偿装置前后对配电系统的影响。2 交流无源滤波器原理及性能研究2.1引言无源电力滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。滤波装置通常由若干个无源滤波器并联而成，每个滤波器在一个谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻特性，从而吸收谐波电流，使流入交流系统的谐波电流减小，达到抑制谐波的目的。滤波器投入电网中工作时，往往与谐波源并联滤除特定次谐波电流。在基波下，滤波器通常呈容性，除了起滤波作用外，还可兼顾无功补偿的需要。在设计滤波器时，需明确无源电力滤波器的基本类型与工作原理；明确哪些参数会对滤波器的滤波特性、无功补偿特性造成影响；在系统频率发生偏移时，滤波器的性能会随之受到怎样的影响；在不同的品质因数下，单调谐滤波器、高通滤波器工作性能将发生什么样的变化；单调谐滤波器与高通滤波器的基波无功补偿占总安装容量的比例孰大孰小，哪个无功补偿效率更高。这些问题将在本章进行分析。本章首先对单调谐波滤波器、高通滤波器的结构型式和工作原理进行分析；并对影响单调谐滤波器、高通滤波器性能的参数展开详细研究，其中包括单调谐滤波器的品质因数、频率偏移、无功补偿容量对工作性能的影响，及高通滤波器的品质因数、频率偏移、截止频率、功率损耗、无功补偿容量等指标对其性能的影响；最后，对系统谐波阻抗的确定及系统谐波阻抗与滤波器性能的关系做出分析。在滤波器设计时，应充分考虑以上参数对滤波器的影响。2.2结构型式及其特性目前常用的无源电力滤波器电路结构有单调谐滤波器(Single tuned filter,简称为STF)、高通滤波器(High pass filter,简称为HPF)等；其中，常见的高通滤波器又有二阶、三阶和C型几种，如图2.1所示。工程上实用的无源滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成，每组单调谐滤波器调谐于需要滤除的谐波频率上或者谐波频率附近，当需要滤除更高频率的谐波电流而幅值又较小时可以再加一组高通滤波器。下面分别将对两种典型的滤波器单调谐滤波器与高通滤波器的阻频特性、工作原理进行分析。图2.1无源滤波器的分类2.2.1单调谐滤波器单调谐滤波器的电路原理如图2.2所示，由电容器C 、电抗器L、电阻R串联而成。易知，其阻抗与角频率之间的关系为 （2-1） 图2.2 单调谐滤波器结构及其阻抗频率曲线单调谐滤波器频率阻抗特性如图2.2所示，其中n为谐振次数。在谐振角频率时，电容的容抗与电感的感抗大小相等，此时电容、电感相应的电抗值。此时，滤波器的阻抗=R，呈纯阻性，且阻抗值最小。当时，呈容性；而当时，呈感性。单调谐滤波器的工作原理是：在理想情况下，如果滤波器的谐振频率正好等于某一次谐波电流频率，则对于该次谐波电流，滤波器所呈现的阻抗为极小值=R。通常R取值较小时，该次谐波电流将通过低值电阻R分流，使注入交流系统的谐波电流较小，从而使相应的谐波电压大为降低，达到对该次谐波进行抑制的目的。在极端情况R=0时，滤波器对于该次谐波的阻抗为零，相应的谐波被完全抑制。2.2.2高通滤波器二阶高通滤波器，阻抗与频率之间的关系为： （2-2）图2.3二阶高通滤波器结构及其阻抗频率曲线从二阶高通滤波器的结构和以上的阻抗表达式均可看出，当R时，高通滤波器将转化成单调谐滤器，其谐振频率为；当时，=R，滤波器的阻抗为R所限制。二阶高通滤波器频率阻抗特性如图2.3所示。可以看出，高通滤波器在高于某个频率之后很宽的频带范围内呈低阻抗特性()，用来吸收若干较高次的谐波，为截止频率对应的谐波次数。二阶高通滤波器的工作原理是：将其电路结构等效看作是一阶高通滤波器与调谐滤波器并联。对于低次谐波电流，电容元件呈高阻抗特性，因此低次谐波电流无法通过；对于中频谐波电流，电容元件与电感元件调谐，构成低阻抗回路，因此次中频谐波电流通过；对于高次谐波电流，电容元件与电阻元件构成一阶高通滤波器，对高次谐波呈低阻抗特性，使其通过。因此，高通滤波器可使中高频的谐波电流通过，从而实现高通滤波的功能。2.3影响滤波器性能的参数研究本节将对影响滤波性能的参数进行探讨。其中包括单调谐滤波器调谐锐度、频偏特性等；高通滤波器频率响应特性、品质因数特性、频偏特性等对滤波器的性能等；系统等效阻抗特性对滤波性能的影响。2.3.1影响单调谐滤波器性能的参数研究1、等值频偏对滤波器性能的影响分析在电力系统运行过程中，实际频率与其额定值总有一定偏差，因而使各次谐波频率发生相应的偏移。这样，当取滤波器的谐振频率为额定频率下的某次谐波频率时，一旦系统频率发生偏移，该次谐波的实际频率值将不再与理想谐振角频率相等，这时滤波器所呈现的阻抗将偏离其极小值，从而使滤波器抑制谐波的效果变坏，这种情况称为滤波器的失谐。当考虑失谐因素时，很明显，滤波器的性能将不能像前面所说的那样简单地仅由谐振频率下的阻抗来决定，而必须考虑谐振频率附近的阻抗特性。为此，令实际谐振频率 （2-3）对理想谐振频率偏差的相对值(亦称频偏或失谐度)： （2-4）另外，电容器和电感线圈的参数，在运行过程中将因周围温度的变化、自身发热和电容器绝缘老化的影响而发生变化，而且安装和调试过程中可能存在误差，从而使实际参数和相应的谐振频率偏离其设计值，这也造成滤波器的失谐。在滤波器设计中，常将由参数偏差L和C所引起的谐振频率相对变化量，应用谐振频率与LC乘积的平方根成反比的关系，等效地近似处理为系统频率的偏差，从而得出总的等值频率偏差或总失谐度 （2-5）式中 通常电网频率最大变化范围为1%，所以（即49.5Hz-50.5Hz）。实际上对于因温度影响使滤波器参数变化而造成的失谐，可以随季节变化改变元件参数，使滤波器调谐在所要求的谐振频率附近尽可能小的范围内。电容值的偏差与电容器制造误差、成组的配合精度、电容的温度系数及运行温度变化等因素有关。电感值的偏差与电抗器制造误差及电感量的调整方式（抽头调节或是连续调节）等有关。在工程中，常取，则。2、调谐锐度对滤波器性能的影响分析定义，在谐振频率下L或C的电抗与R之比 （2-6）其中，Q称为滤波器的调谐锐度，或电感线圈的品质因数。工程中的单调谐滤波器的Q值常常达到100及以上，以减少能量损耗。由式(2-6)可以得出 （2-7）同时，考虑频偏，由(2-1)、(2-3)、得 （2-8）在频率偏差不大的范围内，可以近似地认为 （2-9） (2-10)由滤波器阻抗模的表达式(2-10)，可以得出不同的品质因数下，单调谐滤波器的频偏阻抗特性曲线，如图2.4所示。可知，Q值越大，在理想谐振点处，滤波器阻抗越小。图2.4不同品质因数下单调谐滤波器阻抗频偏特性当时，R0，。在谐振频率点，滤波器阻抗为零。但在频率发生偏移时，滤波器阻抗变化比较大，在较小频偏率下，滤波器性能会发生较大的变化。因而，在滤波器设计过程中，如果最大频偏率下，某一Q值不能达到滤波的要求，则应减小，来降低值，使滤波器的阻抗特性曲线平坦些，以满足频偏情况下的滤波要求。当时，或，此时，滤波器阻抗完全呈阻性，对于频率不敏感，无法起到对于特定次谐波滤除的作用。实际上，电感线圈总是具有一定的电阻，即Q值为有限值。一般最佳Q值在30-60之间。2.3.2影响高通滤波器性能的参数研究1、截止频率对滤波器性能的影响分析对于高通滤波器，由于电感L被电阻R旁路，其并联合成阻抗不可能超过电阻值，因此，它不像单调谐滤波器那样，只对某一频率呈现低阻抗，而是有一较低的阻抗频率范围。当频率时，滤波器阻抗明显增加，使低次谐波电流难以通过，此频率称为截止频率。反之时，阻抗较小，变化也不大，称为通频带。通常截止频率 （2-11）对应的截止谐波次数为式中为基波频率。2、调谐锐度对滤波器性能的影响分析对于高通滤波器，调谐锐度Q值的定义可以效仿单调谐滤波器的定义： （2-12）其中，为谐波频率下，滤波器上电感的阻抗值。在上式中，Q值和n有关。我们规定当n满足时的Q值为高通滤波器的品质因数。因此有但注意，在高通滤波器所定义的值与单调谐滤波器中定义的值不同，但是用Q值反映滤波器的调谐锐度则是一致的。正如前述，在单调谐滤波器电路中，串联电阻越小，则其调谐曲线越尖锐，而在高通滤波器中，由于电阻是与电感并联连接的，因此电阻越大，曲线就越尖锐。所以这样定义的高通滤波器的Q值，也是用来表示滤波器的调谐锐度。图2.5不同品质因数下高通滤波器的频率阻抗特性通常记 （2-13）参数m的值一般在0.5-2范围内，故Q值大约为0.7-1.4。不同的值，影响高通滤波器的阻抗频率特性，如图2.5所示。通常，高通滤波器的运行特性对频率和元件参数偏差是不敏感的，所以可不考虑频偏对其的影响。2.3.3系统等值谐波阻抗对滤波器参数的影响研究滤波的目的是为了抑制交流系统中的谐波电压或流入系统的谐波电流，因此还须考虑到系统阻抗对滤波的影响。当计及交流系统阻抗时，滤波的效果就应由滤波器和交流系统的综合阻抗来确定。1、滤波器与系统等值电路在分析谐波源对滤波器及系统的影响时，不考虑系统原有基波恒压源的作用，将滤波器以外的支路并联，作为系统等值谐波阻抗，其等效电路如图2.6所示。图2.6系统谐波等效电路可以求得母线n次谐波电压为 （2-14） 流入系统的n次谐波电流为 （2-15）流入滤波器的n次谐波电流为 （2-16）2、滤波效益对滤波器性能的影响分析将流入系统的n次谐波电流与总谐波电流之比称之为流入系统的n次谐波系数： （2-17）越小，流入系统的n次谐波电流比例就越小，n次谐波电流引起系统的谐波电压也就越小，也就是滤波器的滤波效益越好。因此，值就是滤波器滤波效益好坏的一个指标。必须指出，的大小不仅取决于，也决定于，因为是相量和，不是简单的算术和，最小时，不一定使最小。流入滤波器的n次谐波电流与总谐波电流之比为流入滤波器的n次谐波系数: （2-18）,是一组用于表示滤波器滤波效益好坏的重要指标，对于滤波器的性能评价起着重要的作用。下面对,与谐波抑制的效果进行分析。(1)当时， 。此时，谐波源电流将全部流入系统，而未流入滤波器，滤波器完全未起滤波作用；(2)当时，。此时，谐波源电流将全部流入滤波器，没有谐波流入系统。这是滤波器投入网中最理想的状态；(3)当时，。此时，系统与滤波器对谐波电流分流；(4)当时，。此时，系统与滤波器之间发生并联谐振，谐波放大，有可能造成滤波器元件损坏，这种情况应尽力避免。2.4本章小结本章首先详细分析了单调谐滤波器、二阶高通滤波器的结构型式和工作原理，并给出了其频率阻抗关系；其次分析了影响单调谐滤波器、高通滤波器工作性能的参数，其中包括等值频偏、调谐锐度、截止频率（高通滤波器）等；并对谐波阻抗对滤波器谐波抑制性能的影响进行了分析。以上的研究为下一步滤波装置的工程设计提供了理论基础。3 滤波装置工程设计方法研究3.1引言滤波装置的设计是一个较复杂的问题。电网产生的谐波往往含有各次谐波分量，采用单一的滤波器不能满足滤波的要求，因此滤波装置通常由不同型式的滤波器组合而成。滤波装置设计时，常常先拟定若干种滤波器组合方案，再通过技术性、经济性分析进行设计。而且由于在基波下，滤波装置呈电容性，它可兼作无功补偿装置，所以滤波装置的设计应该与无功补偿问题综合考虑。本章中首先将介绍滤波器工程设计的基本准则、设计前所需的原始数据、设计方案的确定（装设几组滤波器，单调谐还是高通滤波器）；在确定滤波方案后，对无功补偿容量分配法、最小电容安装容量法、过电压限制法等方法的单调谐滤波器、高通滤波器的设计进行了分析；最后，运算得出基于无功补偿容量分配法、最小电容安装容量法等工程方法的参数设计。3.2滤波装置设计准则滤波装置设计的基本任务是：在确定的系统和谐波源的条件下，以最少的投资，达到注入系统的各次谐波电流和母线电压畸变率的规定指标，同时还满足无功补偿容量的要求，并保证装置安全可靠和经济运行。以下简要介绍在滤波器设计过程中，需要遵循和考虑的一些因素。1、谐波抑制指标根据谐波管理规定，滤波性能的下列指标都应满足规定要求：单次谐波电压正弦波形畸变率 （3-1）式中为交流母线基波电压有效值；为交流母线处谐波电流注入电网引起的第n次谐波电压有效值。单次谐波电流正弦波形畸变率 （3-2）式中为注入交流系统的基波电流有效值；为注入交流系统的第n次谐波电流有效值。总电压正弦波形畸变率DFU （3-3）总电流正弦波形畸变率DFI （3-4）若需要考虑对通信系统的干扰，则滤波性能还应满足电话谐波波形系数THFF或电话干扰系数TIF指标的规定要求。对于高压线路对通信的干扰，则通常采用等值干扰电流或采用作为指标。2、经济指标工程中，交、直流侧滤波装置所占的投资比重相当大。据某些典型工程报导，滤波装置约占换流站总投资的20。由于滤波装置由各种不向型式的滤波器组合而成。其结构比较复杂，因此，从满足技术要求的角度来说，往往有多种不同的滤波装置方案。在工程设计中，需要对这些不同方案作经济分析，以取得最佳方案。3、无功补偿容量由于滤波装置在基波下呈电容性，它可兼作无功补偿装置，所以滤波装置的设计应该与无功补偿问题结合起来考虑。滤波装置无功补偿的目标是应尽可能使系统功率因数接近于1，但是要避免过补偿。4、滤波器之间的相互影响 滤波装置中的各滤波器之间是相互影响的。理论计算和实际经验表明，各滤波器间的影响常比交流系统谐波阻抗的影响大得多，尤其是当系统谐波阻抗较大而各滤波器阻抗较小时，这种相互的影响更为明显。3.3设计步骤滤波器参数设计首先是由外在条件确定滤波电容器的容量，然后按照调谐条件等确定滤波电感和滤波电阻（或品质因数）。滤波器设计内容可概括如下：(1)考察用户配电系统的结构和运行参数。譬如，电压、频率及其变化范围，系统谐波阻抗特性，系统背景谐波等；(2)调查用户负荷特性，如负荷性质（尤其是谐波源负荷性质）、负荷运行工况、实测负荷谐波电流和母线电压谐波水平；(3)协商滤波器的滤波指标和无功补偿要求；(4)初步确定滤波器的型式、并联支路个数、无功补偿解决方式；(5)建立配电系统谐波分析等值电路；(6)根据滤波性能要求，从滤波元件安全角度及基波无功补偿要求确定滤波器容量和滤波电容；(7)根据调谐关系确定滤波电感和电阻（或品质因数）；(8)依据等值电路，完成配电系统谐波分析和仿真，计算滤波性能指标，进行滤波元件安全性校验，然后，根据差距反复进行调整。滤波元件安全校验包括电阻器、电抗器和电容器。对于附加电阻器，主要校验其包括基波和谐波在内的功率损耗；对于电抗器，主要按其承载电流来校验。滤波电容器的安全校验指标包括电压、过电流和过容量三个方面，不同标准有着不同的表达方式和要求。由于交流系统中可能存在其它谐波源，它们会在滤波器中流过附加的谐波电流，因此设计滤波器时应该考虑这些背景谐波的影响。如果缺乏准确的资料，则可以进行粗略的估计。例如，在某