低压无源滤波与无功补偿装置的设计(附件)
随着电力电子装置越来越多的应用，消耗了无功功率，产生了大量的谐波电流，对电网造成了严重的污染。低压无源滤波与无功补偿装置可实现对低压系统中的谐波治理和补偿无功功率的作用。本文主要对低压无源滤波与无功补偿装置进行了分析设计。首先对无功功率和谐波的相关概念进行了介绍，对比分析了现有的低压电能优化装置。其次进行了相关的理论分析，对低压无源滤波装置的参数设计步骤进行了详细的研究。在此基础上对现场数据进行分析，通过分析可知，5、7、11次谐波已超出国家标准。然后结合具体数据对装置进行设计，包括电容器的额定电压、电感的额定容量、电感值等参数的设计。然后对电压和电流安全性进行校核，形成了器件参数表。本文通过PSIM仿真软件进行了滤波效果的仿真验证，考虑到并联谐振的安全性，采用MATLAB软件进行了频率扫描。通过仿真可知此滤波器不仅对于5、7、11次谐波的滤除有较好的效果，也适合各滤波支路的单独投切滤波，并且都不会与系统发生谐振。本文提出的设计方案为谐波治理和滤波器的设计提供了参考，具有一定的理论和实用价值。关键词 低压，谐波，无功补偿，滤波器，仿真
目 录
1 引言 1
1.1 选题背景 1
1.2 无功功率的产生原因与危害 1
1.3 谐波的产生原因与危害 2
1.4 现有的低压电能优化装置 3
1.5 无源滤波与无功补偿装置的关键问题 6
2 低压无源滤波与无功补偿装置的工作原理 9
2.1 电路结构及其性能分析 9
2.2 参数设计的总体流程 12
3 无源滤波与无功补偿装置设计 14
3.1 现场分析 14
3.2 具体的参数设计 18
3.3 滤波与补偿效果的验证 24
4 低压无源滤波与无功补偿装置的安全性分析 30
4.1 并联谐振产生的原因与危害 30
4.2 频率扫描 31
4.3 设计结果 37
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
1 引言
1.1 选题背景
随着科学技术和经济的发展，电力电子器件的在生活中 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的应用越来越多，导致电网中存在大量谐波电流，另外大多数电力电子装置的功率因数很低，从而配电网功率因数低和存在大量谐波电流就成为了困扰用户和供电系统的严重问题，不仅给电网带来额外负担，也影响了供电质量。电能质量指标越限和恶化现象导致敏感性负荷发生生产故障的事故屡有发生。频率、电压、波形是衡量电能质量的标准，超出一定范围的频率波动、电压有效值的偏差或者波形的畸变都会对电力用户以及电网安全和经济运行等带来不良的影响。
无源滤波器，也被称为LC滤波器，它是通过将电感、电容和电阻相组合，形成了不同的滤波电路从而达到滤波和功率补偿的目的。其中，无源滤波器主要包括单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器。无源滤波器不仅可以滤除某一次的谐波，而且还能滤除回路中的多次谐波。目前，市场上最常用的无源滤波器结构是在回路中串联电感和电容，从而对主要次谐波形成旁路且阻抗较小。一直以来，无源滤波器都因其在电网中有很好的谐波治理和无功功率补偿作用而在日常生产生活中使用非常广泛和普遍。[1~2]
1.2 无功功率的产生原因与危害
在电力系统中，因为所存在的电感、电容元件，在系统中不仅是存在着有功功率，而且存在着无功功率。无功功率是在正弦电路中当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一，无功经过不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡，是电能质量的重要指标之一。无功功率的传输不仅会产生很大的有功损耗，而且沿传输途径还会产生很大的电压降落，并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列的负面影响：[3~4]
电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，使用户内部的启动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投资费用增大。在传送同样的有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损失增大。
电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。
降低了电网的功率因数，造成大量的电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗提高了将近一倍。
对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许的温升。为了保证转子绕组正常工作，不允许发电机达到预定的出力。此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。
目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重。如果不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内被动，这不仅使电气设备得不到充分利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏、系统瘫痪。此外，对于诺如电弧炉、轧钢机这些冲击性无功负荷，还会产生电压的剧烈被动，使电网的供电质量恶化。解快这些问题的有效方祛就是进行无功功率补偿，减少无功功率在电网中的流动，从而降低线路的电能损耗并提高系统的功率因数，改善电网的运行条件。[5]
1.3 谐波的产生原因与危害
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。[6]
谐波产生的原因是多种多样的。比较常见的有两类：第一类是由于非线性负载而产生的谐波；第二类是由于逆变负荷而产生谐波。
谐波主要是通过与电网相连的各种非线性负载产生的。引起电力系统谐波的主要谐波源有：
（1）电力变压器的非线性励磁；
（2）旋转电动机引起的谐波；
（3）电弧炉引起的波形畸变；
目 录
1 引言 1
1.1 选题背景 1
1.2 无功功率的产生原因与危害 1
1.3 谐波的产生原因与危害 2
1.4 现有的低压电能优化装置 3
1.5 无源滤波与无功补偿装置的关键问题 6
2 低压无源滤波与无功补偿装置的工作原理 9
2.1 电路结构及其性能分析 9
2.2 参数设计的总体流程 12
3 无源滤波与无功补偿装置设计 14
3.1 现场分析 14
3.2 具体的参数设计 18
3.3 滤波与补偿效果的验证 24
4 低压无源滤波与无功补偿装置的安全性分析 30
4.1 并联谐振产生的原因与危害 30
4.2 频率扫描 31
4.3 设计结果 37
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
1 引言
1.1 选题背景
随着科学技术和经济的发展，电力电子器件的在生活中 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
的应用越来越多，导致电网中存在大量谐波电流，另外大多数电力电子装置的功率因数很低，从而配电网功率因数低和存在大量谐波电流就成为了困扰用户和供电系统的严重问题，不仅给电网带来额外负担，也影响了供电质量。电能质量指标越限和恶化现象导致敏感性负荷发生生产故障的事故屡有发生。频率、电压、波形是衡量电能质量的标准，超出一定范围的频率波动、电压有效值的偏差或者波形的畸变都会对电力用户以及电网安全和经济运行等带来不良的影响。
无源滤波器，也被称为LC滤波器，它是通过将电感、电容和电阻相组合，形成了不同的滤波电路从而达到滤波和功率补偿的目的。其中，无源滤波器主要包括单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器。无源滤波器不仅可以滤除某一次的谐波，而且还能滤除回路中的多次谐波。目前，市场上最常用的无源滤波器结构是在回路中串联电感和电容，从而对主要次谐波形成旁路且阻抗较小。一直以来，无源滤波器都因其在电网中有很好的谐波治理和无功功率补偿作用而在日常生产生活中使用非常广泛和普遍。[1~2]
1.2 无功功率的产生原因与危害
在电力系统中，因为所存在的电感、电容元件，在系统中不仅是存在着有功功率，而且存在着无功功率。无功功率是在正弦电路中当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一，无功经过不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡，是电能质量的重要指标之一。无功功率的传输不仅会产生很大的有功损耗，而且沿传输途径还会产生很大的电压降落，并使电网的视在功率增大，这将对系统产生以下一系列的负面影响：[3~4]
电网总电流增加，从而会使电力系统中的元件，如变压器、电器设备、导线等容量增大，使用户内部的启动控制设备、量测仪表等规格、尺寸增大，因而使初投资费用增大。在传送同样的有功功率情况下，总电流的增大，使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压损失增大。
电网的无功容量不足，会造成负荷端的供电电压低，影响正常生产和生活用电；反之，无功容量过剩，会造成电网的运行电压过高，电压波动率过大。
降低了电网的功率因数，造成大量的电能损耗，当功率因数由0.8下降到0.6时，电能损耗提高了将近一倍。
对电力系统的发电设备来说，无功电流的增大，对发电机转子的去磁效应增加，电压降低，如过度增加励磁电流，则使转子绕组超过允许的温升。为了保证转子绕组正常工作，不允许发电机达到预定的出力。此外，原动机的效率是按照有功功率衡量的，当发电机发出的视在功率一定时，无功功率的增加，会导致原动机效率的相对降低。
目前，随着电力电子技术的迅速发展，工厂大量使用大功率开关器件组成的设备对大型、冲击型负载供电，这使电能质量问题日益严重。如果不进行无功补偿，在正常运行时，会反复地使负载的无功功率在很大的范围内被动，这不仅使电气设备得不到充分利用，网络传输能力下降，损耗增加，甚至还会导致设备损坏、系统瘫痪。此外，对于诺如电弧炉、轧钢机这些冲击性无功负荷，还会产生电压的剧烈被动，使电网的供电质量恶化。解快这些问题的有效方祛就是进行无功功率补偿，减少无功功率在电网中的流动，从而降低线路的电能损耗并提高系统的功率因数，改善电网的运行条件。[5]
1.3 谐波的产生原因与危害
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。[6]
谐波产生的原因是多种多样的。比较常见的有两类：第一类是由于非线性负载而产生的谐波；第二类是由于逆变负荷而产生谐波。
谐波主要是通过与电网相连的各种非线性负载产生的。引起电力系统谐波的主要谐波源有：
（1）电力变压器的非线性励磁；
（2）旋转电动机引起的谐波；
（3）电弧炉引起的波形畸变；
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