1背景介绍：
某铝业集团160kA整流系统有五个整流机组用于铝电解，为了提高功率因数以及解决整流系统产生的谐波电流问题，在每台整流机组22kV侧设计了无源滤波器，滤波器有3条滤波支路：5次、7次、12次滤波支路。但是实际运行过程中出现谐振，3次谐波电流被放大数倍，并且导致变压器严重损坏，于是拆除12次滤波支路，谐波电流放大问题得到解决，但是功率因数无法达到理想的状态，高次谐波电流也无法得到较好的抑制。
根据厂方要求，需要对无源滤波器进行改造，制定新的高压滤波方案，提高系统功率因数至0.98以上，并且使22kV谐波满足国标要求。
2情况分析
无源滤波器设计时，不可避免会出现谐振点，所以在设计单调谐滤波器时，需要考虑谐振点使其避开整流系统产生谐波，而不出现谐振。在多滤波支路的情况下，会出现多个谐振点，这就给无源滤波器设计带来难度。
原有系统滤波器示意图如图1所示
图1原有系统无源滤波器示意图
根据系统参数，我们建立无源滤波器数学模型，在系统阻抗不变情况下，通过软件仿真，得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图2所示：
图2系统阻抗固定情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线
在5次、7次支路基础上加入12次滤波支路，主要目的是滤除高次谐波(11次、13次及以上)。由图2可以看出，在频率为166Hz、299Hz、425Hz处发生谐振，尤其在166Hz处，增益较大为104倍，而且谐振点靠近150Hz(3次谐波)。可以看出流入电网5次谐波电流幅值为负载的0.022倍，说明滤波器对5次谐波电流滤波效率为97.8％；流入电网7次谐波电流幅值为的0.027倍，说明滤波器对7次谐波电流滤波效率为97.3％；流入电网11次谐波电流幅值为的0.058倍，说明滤波器对11次谐波电流滤波效率为94.2％；流入电网13次谐波电流幅值为的0.035倍，说明滤波器对13次谐波电流滤波效率为96.5％。总的来说，对5次、7次、11次、13次谐波的滤波效果还是不错的。但同时可以看出网侧3次谐波电流为负载的4.24倍，已经大于仅投入5次、7次支路时3次谐波电流时的2.02倍，而且166Hz谐振点靠近150Hz，如果谐振点再向150Hz方向偏移，就极有可能引起150Hz的电流被放大更多倍数，这就为系统可靠运行埋下隐患。
如果系统短路容量或其它因素引起系统阻抗发生变化，重新建立无源滤波器数学模型，通过仿真，得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图3所示：
图3系统阻抗发生变化情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线
由图3可以看出，谐振点已经非常接近150Hz，此时网侧150Hz频率处电流已经是负载该频率下电流的50.1倍，3次谐波发生谐振，这也就出现实际使用中3次非特征谐波放大现象，在设计12次滤波器支路时没有充分考虑到对3次谐波的放大作用，当系统阻抗发生变化时，就会发生谐振，所以这种情况下，为了保障安全只有拆掉12次滤波支路。
3解决方案
通过对系统问题分析，需要在原有滤波支路基础上增加新的滤波支路，主要从三方面出发设计新的滤波器：避免系统发生谐振、提高系统功率因数、滤除高次谐波。
综合考虑，在原有5次、7次滤波器基础上新增3次、11次滤波支路，经改造后的系统滤波器示意图如图4所示。
图4改造后系统无源滤波器示意图
根据系统参数，建立无源滤波器数学模型，在系统阻抗不变情况下，通过仿真，得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图5所示：
图5系统阻抗不变情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线
由图5可以看出谐振点上出现的都是间谐波，整数次谐波离谐振点偏远，没有引起整数次谐波发生谐振。电网侧5次谐波电流是负载的0.025，说明滤波器对5次谐波的滤除率为97.5%；电网侧7次谐波电流是负载的0.024，说明滤波器对7次谐波的滤除率为97.6%；电网侧11次谐波电流是负载的0.109，说明滤波器对11次谐波的滤除率为89.1%；电网侧13次谐波电流是负载的0.214，说明滤波器对13次谐波的滤除率为79.6%。可见对5次、7次、11次、13次谐波电流达到了很好的滤波效果，并且不会在整数次谐波处发生谐振。
如果系统短路容量或其它因素引起系统阻抗发生变化，重新建立无源滤波器数学模型，通过仿真，得到的负载电流与流入电网电流幅频特性曲线如图6所示：
图6系统阻抗发生变化情况下负载电流与电网电流幅频特性曲线
由图6可以看出，在系统短路容量降为1048MVA时，相当于系统阻抗变大，此时采用3次、5次、7次、11/13次滤波支路的方式，仍未在整数次谐波处发生谐振，而且整数次谐波偏离谐振点仍较远。
由理论分析可见，增加新的滤波支路后，不会发生谐振情况，即时系统阻抗变化，仍旧不会谐振，从而验证滤波器设计的安全性。
4效果说明
在整流机组不同工况下，对新增滤波器支路后的补偿效果进行测试，测试情况如下：
工况1：整流机组输出电流36kA时，新增滤波支路前后电压、电流分布：
表1工况1下增加滤波支路前后电流、电压分布
电压 | 基波(kV) | 3次(kV) | 5次(kV) | 7次(kV) | 11次(kV) | 13次(kV) | THDu(%) |
新增前 | 11.95 | 0.1 | 0.16 | 0.17 | 0.43 | 0.29 | 4.8 |
增加后 | 11.60 | 0.06 | 0.19 | 0.18 | 0.15 | 0.19 | 3.1 |
电流 | 基波(A) | 3次(A) | 5次(A) | 7次(A) | 11次(A) | 13次(A) | THDi(%) |
新增前 | 105.5 | 1.5 | 3.1 | 0.9 | 3.5 | 2.2 | 5.1 |
增加后 | 105.3 | 0.6 | 2.5 | 0.6 | 1.5 | 1.5 | 3.2 |
工况2：整流机组输出电流45kA时，新增滤波支路前后电压、电流分布
表2工况2下增加滤波支路前后电流、电压分布
电压 | 基波(kV) | 3次(kV) | 5次(kV) | 7次(kV) | 11次(kV) | 13次(kV) | THDu(%) |
新增前 | 11.74 | 0.11 | 0.17 | 0.08 | 0.38 | 0.35 | 4.7 |
增加后 | 11.91 | 0.011 | 0.18 | 0.08 | 0.18 | 0.20 | 2.8 |
电流 | 基波(A) | 3次(A) | 5次(A) | 7次(A) | 11次(A) | 13次(A) | THDi(%) |
新增前 | 139.4 | 2.15 | 3.15 | 1.59 | 3.99 | 2.9 | 4.6 |
增加后 | 135.4 | 1.8 | 2.4 | 0.6 | 0.9 | 1.2 | 2.5 |
由表1、表2可以看出，增加滤波支路后谐波电压、谐波电流在原有滤波支路基础上得到进一步滤除，尤其对3次谐波电流起到较好的抑制左右，并且各种工矿下，系统功率因数均达到0.99，验证了如前所述的理论分析，建立了高压无源滤波器多支路设计的一种设计方法。
项目实施后，不但达到了较好的治理效果，而且取得了较大的经济效益，使该铝业160KA电解供电系统的整流效率由实施前的97.37%提高到97.68%，提高了0.31%，整流机组功率因素提高了4%，按2008年计划用电量17.77亿千瓦时计算，年均节电560万千瓦时以上，年节约电费260万元以上。其谐波含量的减少，将进一步改善电网电压质量，谐波对电动机、电容量、电力线路绝缘、变压器、测量仪表、继电保护等装置的干扰将进一步降低，公司整个电力系统运行将更加安全。