CN102044877A - 基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法 - Google Patents

基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法 Download PDF

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黄莹
黎小林
刘映尚
徐政
李普明
薛英林
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Abstract

本发明涉及基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器的设计方法。将该三调谐滤波器等效为3个单调谐滤波器，进而得到三调谐滤波器的相应参数，具体包括有如下步骤：(1)根据系统谐波特性，确定等效的3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为Q1、Q2、Q3，所要抑止的谐波次数分别为N1、N2、N3；(2)计算出3个单调谐滤波器的电容电感参数；(3)将3个单调谐滤波器等效为1个三调谐滤波器，三调谐滤波器的参数通过等效公式计算得到。本发明首先给出单调谐滤波器参数计算的方法和精确公式。在三调谐滤波器的参数计算过程中，通过把三调谐滤波器等效成3个单调谐滤波器，先计算得到各个单调谐滤波器参数，再经过等效公式得到三调谐滤波器参数。本发明设计方法具有物理概念明确、工程实现方便的优势，可在电网中广泛应用。

Description

基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法
技术领域
本发明涉及电工学技术领域，特别是涉及一种仅以无源电气元件作为网络部件的频率选择二端对网络，即三调谐无源谐波滤波器的等效设计方法，适用于治理公用电网谐波和无功补偿。
背景技术
近年来大量电力电子器件开始用于全球电力系统中，如直流输电换流站，大量非线性负荷，电力公司为改善功率因数而大量增加使用的电容器组，工业界为了提高系统的可靠性和效率而广泛使用的电力电子变流器等。另外在我国，伴随改革开放政策的进行，我国经济有了飞速增长，电力电量需求以及对电能质量的要求随之也有了爆发式的增长。远距离、大容量直流输电以及柔性交流输电技术的应用，电气化铁路的建设，这些都会产生谐波问题。半导体电子工业近年来的发展，催生了一批精密设备的诞生，这些精密设备与以往粗笨的电力设备相比，对电能质量更加敏感。此外这些设备本身也作为谐波源，对电能质量有着破坏作用。因而，现今工厂、医院等具有精密仪器的部门对电力公司提供电能的质量要求也在越来越高。因此也将对谐波的治理，抑制，检测摆到了更加重要的位置上。
作为谐波源，非线性设备可以被划分为以下几类：
（1）传统的非线性设备，包括变压器，旋转电机，电弧炉等。
（2）现代电力电子器件等非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广泛应用的电子控制设备和开关、电源、晶闸管控制装置等。
加装交流滤波装置是治理电网谐波污染的有效措施之一。现有的交流滤波装置主要有无源谐波滤波器、有源谐波滤波器和混合谐波滤波器。传统的无源滤波器，因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。
目前，三调谐滤波器在电力系统中得到了广泛的应用。相对于单调谐滤波器，三调谐滤波器可以同时消除3个不同频率的谐波，而且其中只有一个谐振回路需要承受全部的冲击电压，因而与同样功能的3个单调谐滤波器相比，投资小，损耗低，占地面积小，经济性好。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种设计合理，方便实用的基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法。
本发明的技术方案是：本发明基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法，其将该三调谐滤波器等效为3个单调谐滤波器，进而得到三调谐滤波器的相应参数，具体包括有如下步骤：
(1) 根据系统谐波特性，确定等效的3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为Q1、Q2、Q3，所要抑止的谐波次数分别为N1、N2、N3；
(2) 计算出3个单调谐滤波器的电容电感参数；
(3) 将3个单调谐滤波器等效为1个三调谐滤波器，三调谐滤波器的参数通过等效公式计算得到。
2、根据权利要求1所述的基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法，其特征在于上述单调谐滤波器由电容元件Ca、电感元件La和电阻元件Ra串联而成，交流滤波器需要同时实现滤波和无功补偿功能，所以滤波器元件的参数需要由线路电压、滤波要求、无功功率输出要求和经济性共同决定，设单调谐滤波器所要输出的无功功率为Q1，滤波器所要抑止的谐波次数为N1，母线基波电压为U1，则单调谐滤波器的参数计算公式如下：
                                         (1)
Figure 211176DEST_PATH_IMAGE002
                                          (2)
最基本的三调谐滤波器由3个谐振电路串联而成，可以等效成3个单调谐滤波器，再通过已确定的单调谐滤波器所要输出的无功功率，所要抑止的谐波次数和交流母线的基波电压，计算出3个单调谐滤波器的电容和电感值；在忽略电阻条件下，再由3个单调谐滤波器参数计算出三调谐滤波器的L、C参数； 
设3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为Q1、Q2、Q3，所要抑止的谐波次数分别为N1、N2、N3，母线基波电压为U1，通过式(1)-(2)，计算出3个单调谐滤波器的电容和电感值，由此确定Ca、La、Cb、Lb、Cc、Lc；
则3个单调谐滤波器的导纳为
Figure 435484DEST_PATH_IMAGE003
                      (3)
三调谐滤波器的导纳为
Figure 700243DEST_PATH_IMAGE004
 
Figure 719015DEST_PATH_IMAGE005
                                        (4)
导纳相等，得到6个等式
Figure 570689DEST_PATH_IMAGE006
                                        (5)
Figure 536371DEST_PATH_IMAGE007
Figure 717954DEST_PATH_IMAGE008
                                   (6)
Figure 110889DEST_PATH_IMAGE009
                         (7)
Figure 745133DEST_PATH_IMAGE010
                     (8)
Figure 248927DEST_PATH_IMAGE011
Figure 550595DEST_PATH_IMAGE012
                       (9)
Figure 176748DEST_PATH_IMAGE013
                                (10)
由上面6个等式，经计算得到三调谐滤波器的参数计算公式，由于公式过长，增加4个中间变量Z1-Z4：
Figure 734506DEST_PATH_IMAGE014
                              (11)
Figure 198166DEST_PATH_IMAGE016
             (12)
Figure 932904DEST_PATH_IMAGE017
                               (13)
Figure 387336DEST_PATH_IMAGE019
Figure 398017DEST_PATH_IMAGE020
                          (14)
三调谐滤波器L、C参数计算公式如下
Figure 365973DEST_PATH_IMAGE006
                                       (15)
Figure 901253DEST_PATH_IMAGE021
                                   (16)
Figure 612857DEST_PATH_IMAGE022
                                      (17)
Figure 415728DEST_PATH_IMAGE023
                                      (18)
Figure 554585DEST_PATH_IMAGE024
                                      (19)
Figure 75697DEST_PATH_IMAGE025
                                      (20)
本发明由于采用首先给出单调谐滤波器参数计算的方法和精确公式，在三调谐滤波器的参数计算过程中，通过把三调谐滤波器等效成3个单调谐滤波器，先计算得到各个单调谐滤波器参数，再经过等效公式得到三调谐滤波器参数的设计方法。本发明设计方法具有物理概念明确、工程实现方便的优势， 是一种设计合理，方便实用的基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法，可在电网中广泛应用。
附图说明
图1为三调谐滤波器的结构示意图；
图2为3个等效三调谐滤波器的结构示意图；
图3为三调谐滤波器和3个等效单调谐滤波器的阻抗频率特性图。
具体实施方式
本发明基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法，其将该三调谐滤波器等效为3个单调谐滤波器，进而得到三调谐滤波器的相应参数，具体包括有如下步骤：
(1) 根据系统谐波特性，确定等效的3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为Q1、Q2、Q3，所要抑止的谐波次数分别为N1、N2、N3；
(2) 计算出3个单调谐滤波器的电容电感参数；
(3) 将3个单调谐滤波器等效为1个三调谐滤波器，三调谐滤波器的参数通过等效公式计算得到。
2、根据权利要求1所述的基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法，其特征在于上述单调谐滤波器由电容元件Ca、电感元件La和电阻元件Ra串联而成，交流滤波器需要同时实现滤波和无功补偿功能，所以滤波器元件的参数需要由线路电压、滤波要求、无功功率输出要求和经济性共同决定，设单调谐滤波器所要输出的无功功率为Q1，滤波器所要抑止的谐波次数为N1，母线基波电压为U1，则单调谐滤波器的参数计算公式如下：
Figure 590991DEST_PATH_IMAGE001
                                         (1)
Figure 248369DEST_PATH_IMAGE002
                                          (2)
最基本的三调谐滤波器由3个谐振电路串联而成，可以等效成3个单调谐滤波器，再通过已确定的单调谐滤波器所要输出的无功功率，所要抑止的谐波次数和交流母线的基波电压，计算出3个单调谐滤波器的电容和电感值；在忽略电阻条件下，再由3个单调谐滤波器参数计算出三调谐滤波器的L、C参数； 
设3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为Q1、Q2、Q3，所要抑止的谐波次数分别为N1、N2、N3，母线基波电压为U1，通过式(1)-(2)，计算出3个单调谐滤波器的电容和电感值，由此确定Ca、La、Cb、Lb、Cc、Lc；
则3个单调谐滤波器的导纳为
                      (3)
三调谐滤波器的导纳为
Figure 65070DEST_PATH_IMAGE004
 
Figure 118477DEST_PATH_IMAGE005
                                        (4)
导纳相等，得到6个等式
Figure 958257DEST_PATH_IMAGE006
                                        (5)
Figure 376600DEST_PATH_IMAGE007
Figure 934620DEST_PATH_IMAGE008
                                   (6)
Figure 463821DEST_PATH_IMAGE009
                         (7)
Figure 158108DEST_PATH_IMAGE010
                     (8)
Figure 12931DEST_PATH_IMAGE011
Figure 792669DEST_PATH_IMAGE012
                       (9)
Figure 627026DEST_PATH_IMAGE013
                                (10)
由上面6个等式，经计算得到三调谐滤波器的参数计算公式，由于公式过长，增加4个中间变量Z1-Z4：
Figure 201544DEST_PATH_IMAGE015
                              (11)
Figure 468577DEST_PATH_IMAGE016
             (12)
Figure 605160DEST_PATH_IMAGE017
Figure 274039DEST_PATH_IMAGE018
                               (13)
Figure 267403DEST_PATH_IMAGE019
Figure 959415DEST_PATH_IMAGE020
                          (14)
三调谐滤波器L、C参数计算公式如下
Figure 696427DEST_PATH_IMAGE006
                                       (15)
Figure 656031DEST_PATH_IMAGE021
                                   (16)
Figure 85875DEST_PATH_IMAGE022
                                      (17)
Figure 265184DEST_PATH_IMAGE023
                                      (18)
                                      (19)
Figure 121461DEST_PATH_IMAGE025
                                      (20)
如下为具体的设计实例：
如设计1个基本的三调谐滤波器，假定3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为，Q1=28 MVAR，Q2=56 MVAR，Q3=56 MVAR。
3个滤波器所要抑止的谐波次数分别为，N1=3， N2=24，N2=37。
母线基波电压为，U1=525 kV。
根据工程经验，输入电阻参数R1=1500
Figure 456627DEST_PATH_IMAGE026
，R2=400
Figure 185549DEST_PATH_IMAGE026
。
计算得到3个单调谐滤波器的L、C参数为
Figure 202047DEST_PATH_IMAGE027
                                       (21)
通过式(17)-(20)，得到相应的三调谐滤波器的电容、电感参数为
Figure 700024DEST_PATH_IMAGE028
                                       (22)
利用Simulink建模仿真，三调谐滤波器和3个等效单调谐滤波器的阻抗频率特性如图2所示，两条特性曲线几乎完全重合。

Claims (2)

1.一种基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法，其特征在于将该三调谐滤波器等效为3个单调谐滤波器，进而得到三调谐滤波器的相应参数，具体包括有如下步骤：
(1) 根据系统谐波特性，确定等效的3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为Q1、Q2、Q3，所要抑止的谐波次数分别为N1、N2、N3；
(2) 计算出3个单调谐滤波器的电容电感参数；
(3) 将3个单调谐滤波器等效为1个三调谐滤波器，三调谐滤波器的参数通过等效公式计算得到。
2.根据权利要求1所述的基于单调谐滤波器等效的三调谐滤波器设计方法，其特征在于上述单调谐滤波器由电容元件Ca、电感元件La和电阻元件Ra串联而成，交流滤波器需要同时实现滤波和无功补偿功能，所以滤波器元件的参数需要由线路电压、滤波要求、无功功率输出要求和经济性共同决定，设单调谐滤波器所要输出的无功功率为Q1，滤波器所要抑止的谐波次数为N1，母线基波电压为U1，则单调谐滤波器的参数计算公式如下：
Figure 650084DEST_PATH_IMAGE001
                                         (1)
Figure 891709DEST_PATH_IMAGE002
                                          (2)
最基本的三调谐滤波器由3个谐振电路串联而成，可以等效成3个单调谐滤波器，再通过已确定的单调谐滤波器所要输出的无功功率，所要抑止的谐波次数和交流母线的基波电压，计算出3个单调谐滤波器的电容和电感值；在忽略电阻条件下，再由3个单调谐滤波器参数计算出三调谐滤波器的L、C参数； 
设3个单调谐滤波器所要输出的无功功率分别为Q1、Q2、Q3，所要抑止的谐波次数分别为N1、N2、N3，母线基波电压为U1，通过式(1)-(2)，计算出3个单调谐滤波器的电容和电感值，由此确定Ca、La、Cb、Lb、Cc、Lc；
则3个单调谐滤波器的导纳为
Figure 166833DEST_PATH_IMAGE003
                      (3)
三调谐滤波器的导纳为
Figure 810304DEST_PATH_IMAGE004
 
Figure 709252DEST_PATH_IMAGE005
                                        (4)
导纳相等，得到6个等式
                                        (5)
Figure 516988DEST_PATH_IMAGE007
Figure 14965DEST_PATH_IMAGE008
                                   (6)
Figure 848929DEST_PATH_IMAGE009
                         (7)
Figure 799568DEST_PATH_IMAGE010
                     (8)
Figure 682073DEST_PATH_IMAGE011
Figure 96874DEST_PATH_IMAGE012
                       (9)
Figure 39422DEST_PATH_IMAGE013
                                (10)
由上面6个等式，经计算得到三调谐滤波器的参数计算公式，由于公式过长，增加4个中间变量Z1-Z4：
Figure 477357DEST_PATH_IMAGE014
Figure 897974DEST_PATH_IMAGE015
                              (11)
Figure 432860DEST_PATH_IMAGE016
             (12)
Figure 546310DEST_PATH_IMAGE017
                               (13)
Figure 695848DEST_PATH_IMAGE019
Figure 321127DEST_PATH_IMAGE020
                          (14)
三调谐滤波器L、C参数计算公式如下
                                       (15)
Figure 18005DEST_PATH_IMAGE021
                                   (16)
                                      (17)
Figure 289903DEST_PATH_IMAGE023
                                      (18)
Figure 479576DEST_PATH_IMAGE024
                                      (19)
                                      (20)。
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