无源电力滤波器设计
无源滤波器的设计及仿真研究
无源滤波器的设计及仿真研究无源滤波器是一种滤波器，以被动元件（电阻、电感、电容等）构成，不需要外部电源驱动。
它在许多电子电路中被广泛应用，可以对电路信号进行滤波、放大、衰减等处理。
在本篇文章中，我们将介绍无源滤波器的设计及仿真研究方法。
首先，无源滤波器的设计需要确定滤波器的类型和特性。
常见的无源滤波器类型包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
根据实际需求选择合适的滤波器类型。
其次，根据设计要求和滤波器类型选择合适的滤波器传输函数。
传输函数可以决定滤波器的频率响应特性。
常见的传输函数有巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆(Elliptic)等。
接下来，根据选择的传输函数和滤波器类型，推导滤波器的网络结构。
无源滤波器的网络结构可以通过阻抗转换、阶梯电阻网络和π型网络等方法实现。
设计完成后，使用电路仿真软件进行无源滤波器的仿真研究。
常用的电路仿真软件有Multisim、PSPICE、LTspice等。
通过仿真研究，可以验证设计的滤波器的性能是否符合要求，进一步优化设计。
在电路仿真软件中，可以设置滤波器的输入信号和理想频率响应，然后观察输出信号的频率响应特性。
根据仿真结果，可以进行一系列的分析和优化，例如：调整电路元素数值、改变滤波器阶数、改变滤波器类型等。
最后，对设计完成的滤波器进行实验验证。
通过实验测量滤波器的频率响应特性，与仿真结果进行比较，评估滤波器的性能。
若有差异，可以进一步对滤波器进行调整和优化。
总结起来，无源滤波器的设计及仿真研究可以分为确定滤波器类型、选择传输函数、推导网络结构、电路仿真研究和实验验证等步骤。
通过设计和仿真优化，可以得到性能符合要求的滤波器。
无源滤波器设计概述
关于无源滤波器设计随着电网中非线性负载（如电力电子装置、可调速电机）应用的增多，供电质量日趋下降，电网中的谐波含量严重超过国家标准，对电力用户的安全用电构成威胁。
并且，国家对电力市场管制的开放，无疑加剧电力市场的竞争，一方面电力用户对供电电源的谐波含量的要求越来越高，另一方面电力公司对电力用户注入电网的谐波水平也提出了限制。
因此，对电网的经济安全运行起到十分重要的作用的电力滤波器有大量的市场需求和市场潜力。
概述电力系统是由电感、电阻、电容组成的网络，在一定的参数配合下可能会对某些频率产生谐振，诱发出过量的电压和电流。
因此，应当尽量避免谐振。
对于正常设计的电网来说，发生工频谐振的可能性很小。
但是，却有可能在某些高次谐波下谐振，使谐波电流和电压剧增，危害设备的运行和安全。
当谐波源产生的谐波大于规定限值时，应装设滤波装置。
在谐波源处装设滤波器，就地吸收谐波电流，可以使注入系统的谐波减少到很低的程度，这是当前最主要的抑制谐波的手段。
目前大量应用于在电力系统中的是无源交流滤波装置，由电力电容器、电抗器和电阻组成，可以抑制谐波并兼有一定的无功补偿作用。
无源滤波器结构简单、运行可靠、维护方便，成本低、技术成熟。
最理想的滤波器设计是能够将注入的全部谐波都进行衰减的单个宽频带结构，但需要的电容量非常大，比较经济的做法是使用单调谐滤波器将较低次的谐波衰减掉，由高通滤波器衰减较高次数的谐波。
无源谐波滤波器包括一组对应于某几次低次谐波的单调谐滤波器组和一个用于滤除高次谐波的高通滤波器。
运行特点使用无源滤波器的特点主要有：①滤波效果受电网阻抗影响大，会因制造误差、设备老化、电网频率变化造成滤波效果下降; 对谐波频率经常变化的负载滤波效果差。
②容易与电网产生谐振，产生并联或串联谐振，造成谐波放大;③对谐波进行抑制的同时引入一定量的无功，兼有谐波补偿和无功补偿功能;④可利用现有无功补偿设备容量;⑤不具有处理复杂频谱谐波的能力。
无源电力滤波器的设计与调试_secret
4
1、滤波器参数选择原则 原则：最小投资；母线 THDU 和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证 安全、可靠运行。
参数设计、选择前必须掌握的资料： 1）系统主接线和系统设备（变压器、电缆等）资料； 2）系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等； 3）谐波源特性（谐波次数、含量、波动性能等）； 4）无功补偿要求；要达到的滤波指标； 5）滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求 以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。 本案例 1 段母线滤波器接线（图纸拷贝）……。
4）参数设计涉及技术指标、安全指标和经济指标，往往需经多个方案比较后才能确定。 4、滤波器方案与参数的分析计算
1）确定滤波器方案 确定用几组单调谐滤波器，选高通滤波器截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要 求。 例如：三相全波整流型谐波源，可设 5、7、11 次单调谐滤波器，高通滤波器截止频率 选 12 次。无功补偿要求从容量需求平衡角度，通过计算综合确定。 2）滤波器基本参数的分析 电容器基本参数：额定电压 UCN、额定容量 QCN、基波容抗 XC，而 XC=3 U2CN/ QCN （这里 QCN 是三相值）。 为保证电容器安全运行，电压应限制在一定范围内。
1 段母线补偿电容器和滤波器同时运行仿真示例：
仅滤波器投入运行的仿真示例。……。
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四、设备定货、施工和现场调试
1、拟合标准指标与产品定货 按设计参数选配、拟合标准规格电容器，考虑电抗器调节范围，提出温升、耐压、损耗 等指标。 电容器要求+误差，电抗器±5%可调，电容器质量…。 注意滤波电容器，干式、油侵电容器等问题……。 2、工程施工需要注意的问题 LC 滤波器属工程，结合用户现场条件、情况，设计单位应提供完善的工程资料，安装、 施工要求；由于滤波器现场安装，要求工程单位按设计施工、保证质量；做详细安装检查， 保证连接正确，防止相序、设备接线错误 案例施工中的问题：连接、保护…… 3、现场调试主要要求和方法 1）要求：保证系统可靠运行，避免系统与滤波器谐振造成的谐波放大；投切过电压限 制在有效范围内；保证滤波本身安全运行，不会导致电容、电感、电阻等不发生稳态过负荷， 以及投、切时的过电压、过电流不损坏本体设备。 其中，多数与设计有关……。 2）步骤：测量各种工况谐波；计算系统和滤波器频率特性，研究是否可能出现谐波放 大，决定滤波器是正调偏还是负调偏；计算调整后的过电压、过电流；分析、考虑配置的保 护，避雷器对投切、断路器重燃过电压有重要作用；编写滤波器投入方案，测量考核滤波效 果。
第5章无源电力滤波器设计及应用实例
= hω1 ）的阻抗为：
Zh
=
Rh
+
j(ωh L −
1 )
ωhC
=
Rh
+
j(hω1L −
1 )
hω1C
（5-1）
单调谐滤波器的阻抗频率特性如图5-1（b）所示, 它利用 R、L、C 串联谐振电路在谐
振点呈现低阻抗的原理，如将电路谐振点调谐到h次谐波上，此时 Z h = Rh ，Rh 为电阻R在h
次谐波下的阻值。由于R很小，h次谐波电流主要由R 分流，很少流入电网中。而对于其他 次谐波，滤波器呈现较大的阻抗，所以分流很小。因此，只要将滤波器的谐振频率设定为与 需要滤除的谐波频率一致，则该次谐波电流将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的 目的。
5.3 滤波器设计要求和步骤
5.3.1 滤波器设计的要求
滤波器的设计应满足两个基本要求： 1．以最小的投资使谐波源注入系统的谐波减小到国家标准规定的允许水平。 2．满足基波无功补偿的要求。 在满足上面两个基本要求的前提下，滤波装置的设计涉及到以下一些指标： （1） 技术指标，包括滤波器构成、谐波电压、谐波电流、无功补偿容量； （2） 安全指标，包括电容器的过电压、过电流、容量平衡；
（5-3）
X T1 —基波时变压器绕组电抗。
3．其他用电负荷
除去提升机变流器外矿上的其他负荷可采用图5-6所示的等值电路。
为了计算等效参数，需要统计未投入并联电
容器时全矿井24小时的有功电度和无功电度，从
中减去提升机的有功电度和无功电度，即为全矿其
他负荷的一天内的有功电度和无功电度，进而可以
计算出有功功率 P 和无功功率 Q 。
接线的整流变压器使二次电压移相 30 0 ，组成 12 脉动整流装置，使 5、7、17、19，…次谐
无源电力滤波器设计38页PPT文档
GN24-10D/400 LAJ-10Q
FDDC-1.7/ 6/√3
AFM4100-1W
LKDGKL－6 ―165—3.03
Y5WR-10/27 FDDC-1.7/ 6/√3 AFM4100-1W
LKDGKL－6 ―75—3.54
Y5WR-10/27
Y5WR-10/27 Y5WR-10/27
TCR
H5滤波器
实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。
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6
无源电力滤波器基础知识
单调谐滤波器
滤波器对n次谐波（n nS ）的阻抗为：
二阶高其通阻滤抗波为器：Z Z nf njn R1 fnS C j( n(R 1 SL jn n 1 1S SC L)) 1
Zfn
Zn
R
R
n S )
0
1
2
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无源电力滤波器基础知识
双调谐滤波器
有两个谐振频率，同时吸收这两个频率的谐波，其作用等效于 两个并联的单调谐滤波器。
阻抗频率特性：
阻 抗
优点：双调谐滤波器投资较小，且基波损耗较频 小率 ； 缺点：其结构相对比复杂，调谐困难，故应用还较少。
在频漂及参数漂移下的滤波效果。
Z fn
最佳Q值为 Q opt ctg(2 m m /2)2 cos m sim n 1 m
25 20
（ 一般约在30~60内）
15
AB PB
10
C
5
D
0
(% )
-6 -4 -2 0 2 4 6
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无源电力滤波器设计方法
无源RC滤波器设计
无源RC滤波器设计设计无源RC滤波器的步骤如下：1.确定所需的滤波器类型（低通、高通、带通、带阻）以及截止频率。
在本文中，我们将以低通滤波器为例进行讲解。
低通滤波器允许低于截止频率的频率通过并削弱高于截止频率的频率。
2. 计算截止频率（fc）和阻抗匹配电阻（Rf）。
截止频率决定了滤波器的截止频率，阻抗匹配电阻用于将输入和输出阻抗匹配以获得更好的性能。
- 对于低通滤波器，截止频率（fc）计算公式为：fc = 1 /(2πRfC)，其中π是圆周率。
-对于阻抗匹配电阻（Rf），一般选择与电阻（R）相等。
这样可以使输入和输出的阻抗匹配，以避免信号损失。
3.根据截止频率计算电容（C）的值。
电容值的选择需要根据所需的截止频率和电阻（R）的取值来确定。
-电容值（C）计算公式为：C=1/(2πfR)，其中f为截止频率。
-在实际设计中，可以选择与标准电容值最接近的值，并根据需要进行微调。
4.确定电阻（R）的值。
电阻的取值也需要根据所需的截止频率和电容的取值来确定。
-电阻（R）的取值一般为标准电阻值，例如1KΩ、10KΩ等。
-在实际设计中，可以选择与标准电阻值最接近的值，并根据需要进行微调。
5.确定信号输入和输出的连接方式。
一般情况下，输入信号通过电容连接到滤波器的输入端，输出信号则通过电阻连接到滤波器的输出端。
设计无源RC低通滤波器实例：假设我们需要设计一个无源RC低通滤波器，其截止频率为10kHz。
现在，我们来计算电容和电阻的值。
根据截止频率计算电容（C）的值：C=1/(2πfR)=1/(2π*10kHz*R)其中，R为电阻值，为了简化计算，我们选择R=10KΩ。
C=1/(2π*10kHz*10KΩ)=1.59nF所以，选择最接近的标准电容值为1.5nF。
选择与电容值匹配的电阻值，我们选择R=10KΩ。
所以，设计出的无源RC低通滤波器的电路图如下：```----C(1.5nF)输入信号----，------，----输出信号----R(10KΩ)```需要注意的是，这只是一个示例设计，实际的设计可能会根据具体需求进行微调。
无源RC滤波器设计
+1 ×ω0
ωCl =
1+ 4QP2 2QP
−1 ×ωP
=
1+ 4QP2 2QP
−1 × ω0
ωCh ， ωCl 分别称为上截止频率和下截止频率。
（10） （11） （12）
通频带宽度 B 为
B = ωCh − ωCl
= ωP QP
= ω0 QP
（13）
品质因数 Q 为
Q = ω0 = ωp = Qp BB
1
一．无源滤波器的简介
1.无源滤波器定义
无源滤波器，又称 LC 滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次 或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成 低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。
带ωCl<ω<ωCh。因此它的功能是衰减ωCl 到ωCh 间的信号。通带ω>ωCh 也是有限的。
(a)低通滤波电路
(b)高通滤波电路
3
(c)带通滤波电路
(d)带阻滤波电路
图 1 各种滤波电路的幅频响应
二阶基本节低通、高通、带通和带阻滤波器的电压转移函数分别为：
H(S) =
Kω P 2
低通
S2
+
ωCh ，ωCl 分别称为上截止频率和下截止频率。
阻频带宽度 B 为
B = ωCh − ωCl
= ωP QP
= ω0 QP
（21）
品质因数 Q 为
Q = ω0 B
=
ωP B
= QP
（22）
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三．设计思路及电路仿真
1.无源低通滤波器
电力系统无源滤波器设计方法研究
电力系统无源滤波器设计方法研究近年来，随着电力系统的不断发展和扩大规模，电力质量的问题也日益严重。
其中，谐波是电力系统中一种重要的电能质量问题，它产生的原因各种各样，如电弧炉、电动机、电子设备等。
谐波会给电网带来许多不良影响，例如电网损耗增加、设备温升、谐波扰动等。
因此，为了解决电力系统中的谐波问题，设计无源滤波器成为一项重要的研究工作。
一、无源滤波器的工作原理无源滤波器是一种可以消除电力系统中各种谐波的电路，它不需要外加电源，并不改变电网的工作状态。
无源滤波器主要由电感和电容组成，通过合理地选择电感和电容的数值，可以使其在一定频段内具有谐波抑制的功能。
在电力系统中，谐波的波形通常为非正弦波，因此，无源滤波器的关键是选择适当的频率响应特性以适应谐波频率的变化。
常用的无源滤波器包括LC滤波器、π型滤波器和L型滤波器等。
二、LC滤波器设计方法LC滤波器是一种常见的无源滤波器，它由串联的电感和并联的电容组成。
针对电力系统中的不同谐波频率，可以通过适当选择电感和电容的数值，使得LC滤波器在不同频段内具有谐波抑制的效果。
LC滤波器的设计方法如下：1. 确定电感和电容的数值：根据电力系统中谐波频率的分布情况，可以选择合适的电感和电容数值。
通常情况下，电感与电容数值锁定于常见数值，如1mH、10μF等。
2. 验证电感和电容数值：通过仿真软件（如PSpice、Matlab等）可以对电路进行仿真验证。
根据仿真结果，可以调整电感和电容数值，以使滤波器在目标频段内具有较好的谐波抑制效果。
3. 搭建实际电路：根据设计得到的电感和电容数值，可以搭建实际的LC滤波器电路。
在搭建过程中，应注意电感和电容的连接方式和布局，以确保电路的正常工作。
4. 实际测试和调整：将搭建好的LC滤波器电路接入电力系统中，对系统中的谐波进行实测。
根据实测结果，可以对电路进行进一步的调整和优化，以达到较好的滤波效果。
通过上述设计方法，可以设计出具有良好谐波抑制效果的LC滤波器，从而改善电力系统的电能质量，保障电力系统的正常运行。
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优化设计方法 自适应进化设计
遗传算法设计 改进的遗传算法设计 、、、、、、
根据具体应用条件和要求，依某一个或两个指标为目标，用非线性规 划或遗传算法等进行优化设计，这些设计方法能实现一定程度的优化。
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无源电力滤波器设计方法
传统设计方法
参数选择合理应满足： 技术要求（谐波电压、谐波电流、无功补偿容量） 安全要求（电容器的过电压、过电流和容量平衡）
n2 n2
U 1
2 (1)
一旦该支路需要出的基波无功确定，则滤波器的相关参数C、L、R就可以确 定出来了。
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无源电力滤波器设计方法
➢ 按照电容器满足过电压、过电流要求和容量平衡选择电容器参数
✓ 电容器电压校验公式为：UC1 UCh 1.1UCN
✓ 电容器过电流校验公式为： IC21 IC2h 1.3ICN
无源电力滤波器的优缺点
优点: 具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、 运行费用较低等。
缺点: 易与电网阻抗发生谐振，不能实现动态补偿无功。
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
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无源电力滤波器设计方法
无源电力滤波器设计方法分为：
传统设计方法
该设计方法仅对部分指标基于工程经验的近似求解，无法实现优化； 即其LC参数的求取是通过反复计算和比较来实现的，以满足分组的无 功补偿和谐波标准的要求，很难实现全局优化。
0
1
2
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无源电力滤波器基础知识
双调谐滤波器
有两个谐振频率，同时吸收这两个频率的谐波，其作用等效于 两个并联的单调谐滤波器。
阻抗频率特性：
阻 抗
优点：双调谐滤波器投资较小，且基波损耗较频小率； 缺点：其结构相对比复杂，调谐困难，故应用还较少。
，
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无源电力滤波器基础知识
实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。
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无源电力滤波器基础知识
单调谐滤波器
滤波器对n次谐波（n n S ）的阻抗为：
二阶高通滤波器 Z 其阻抗为：Zn
fn
Rfn 1
jn
j(n S
1 ( SC R
1 L
n1 S
jn S
C L
) ) 1
Zfn
Zn
R
R
nS)
反之，不但不能抑制还可能放大谐波，产生谐振。
设计步骤
o 准备设计的原始数据 o 确定滤波装置的构成 o 滤波装置中各滤波器的初步设计 o 滤波装置的最后确定
常见滤波支路的设计
o 单调谐滤波器的设计 o 二阶高通滤波器设计
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无源电力滤波器设计方法
单调谐滤波器设计
失谐 总的等值频率偏差或总失谐度 eq
系统构成：
晶闸管控制电抗器（TCR） 6kV动补SVC装置 无源滤波器（PF）、有源滤波器（APF）
控制系统及保护装置 其中无源电力滤波器设置5次、7次、（11次支路）。
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项目简介
淮北项目原理接线图
35kV母线
6kV
APF
GN24-10D/400 LAJ-10Q
La
耦合 变压器
C1
C1
C
L1
CH
C1
C1
L
R1
L1
C
R
L2 C2
C2
R2
L2 R
R
LH
RH L2
R2 C2 C2 L2
R
(a)单(a调) 谐滤波(b器) ； (b)(c)双调谐滤波(d器) ； (e)
(f)
(g)
(c) 双调谐带高通特性的滤波器；(d)一阶高通滤波器
(e) 二阶高通滤波器；(f) 三阶高通滤波器； (g) C型高通滤波器
S( n )
Q(1)
Q( n )
1
sC
I2 f (1)
1
n sC
I2 f (n)
该支路输出的基波无功容量可为求得：
Q1 U(1) I f (1)
sC
n2 n2
1
U2 (1)
在安装容量最小时，该支路输出的最小基波无功通过求极值得到为：
Q1min
1 n
U (1) I f (n)
Cs min
10
C
5
D
0
(%)
-6 -4 -2 0 2 4 6
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无源电力滤波器设计方法
初步确定电容器参数
➢ 按照无功补偿容量进行计算
首先根据需要确定出系统所需要补偿的总基波无功Qc，按照一定 的原则把总的无功分配的各个滤波支路，常见的分配原则有：
1）按照谐波电流的大小进行分配
2）按照无功平衡时电容器总安装容量最小的原则进行分配
无源电力滤波器设计
谭东旭 2006年2月·珠海
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1
目录
1.项目简介 2.无源电力滤波器基础知识 3.无源电力滤波器常见设计方法 4.淮北项目无源部分设计及仿真 5.无源电力滤波器软件包的设计构思
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2
项目简介
淮北供电公司SVC工程
采用 TCR+PF+APF 方式，实现动态的无功补偿,兼对谐波 进行治理；
确定出各个滤波支路需要补偿的基波无功
C
U
Q1
2 (1) s
gn2 1 n2
Q1
sC
n
n2 2
U 1
2 (1)
L
1
n
2
C2
s min
R fn
X0 Qopt
n s L Qopt
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无源电力滤波器设计方法
➢ 按照滤波电容器安装容量进行计算
单调谐滤波器安装容量S（n）为电容器的基波和谐波无功容量之和：
GN24-10D/400 LAJ-10Q
FDDC-1.7/ 6/√3
AFM4100-1W
LKDGKL－6 ―165—3.03
Y5WR-10/27 FDDC-1.7/ 6/√3 AFM4100-1W
LKDGKL－6 ―75—3.54
Y5WR-10/27
Y5WR-10/27 Y5WR-10/27
TCR
H5滤波器
H7滤波器
H11滤波器
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3000kVar
2100kVar
900kVar 4800kVar
1800kVar
4
项目简介
新型并联混合型有源电力滤波器系统构成和原理
Ls
AC
零频偏滤波器
C5
C7
...
Zfh
L5
L7
La
APF
2020年4月22日
单相示意图
5
无源电力滤波器基础知识
几种常见无源电力滤波器原理电路图
f fn
1 ( L 2L
C ) C
式中，f=f-fn。
最佳调谐锐度值
需要选择最佳的品质因数，以保证滤波器对频率的选择性和滤波器
在频漂及参数漂移下的滤波效果。
Zfn
最佳Q值为
Qopt
ctg( m / 2 m
2)
cos m 1 2 m sin m
25 20
（ 一般约在30~60内）
15
AB PB