无源滤波器设计

1.作者是IEEE终身会士，在设计谐波滤波器方面具有丰富经验，其设计的很多工业用大型滤波无源滤波器，已经成功运行超过18年。2.给出了7个典型的无源滤波器设计实例，包括电弧炉、输电系统、光伏电站和风电场等。如果读者有充分的建模工具和软件，就可以再现这些实例。3.书中众多实际研究场景、案例以及实际系统的仿真可以加强读者的理解，并且每个章节都用相关图例进行了说明。4.各章节之间有很强的关联性，按照认知逻辑、层层递进介绍谐波滤波器设计相关知识，便于读者理解和掌握。

近年来，电力电容器组在电力系统中的大量使用，使得电能质量问题备受关注。如何有效减少系统中的谐波，合理设计谐波滤波器是广大学者关心的问题。 《无源滤波器设计》从电容器组入手，介绍了电力系统及各组件建模、谐波在电力系统中渗透的影响、无源滤波器的设计和典型应用，还介绍了太阳能和风力发电等新能源应用与各种谐波的关系。

J.C. Das是美国电力系统研究公司的负责人和顾问，也是IEEE终身会士，IET（英国）会士和IEI（印度）终身会士，并在靠前外撰写或合作撰写了大约65篇技术论文。他为客户发布了200余份电力系统研究报告，用于解决和分析公用事业和工业电力系统中的问题。他撰写了3本书，其中包括 Wiley-IEEE 出版社出版的《弧闪故障危害与治理》一书。J.C. Das拥有美国佐治亚州和俄克拉荷马州的注册专业工程师、英国特许工程师、欧盟的欧洲工程师认证，同时还是CIGRE、欧洲工程师联合会以及其他技术协会和组织的成员。

译者序原书序原书前言作者简介章 并联电容器组的应用11.1并联电容器组11.1.1提高功率因数11.1.2支撑电压11.1.3提升有功功率支撑能力41.1.4电容器的应用41.2并联电容器的安装地点41.3电容器的额定值51.3.1测试51.3.2放电电阻61.3.3不平衡61.3.4短时过电压承受力61.3.5暂态过电流承受力71.4并联电容器组设计91.4.1 500kV电容器组的组成101.5熔断器111.5.1外置式熔断器121.5.2冲出式熔断器131.5.3内置式熔断器141.5.4无熔断器151.6电容器组的联结方法181.6.1接地和不接地电容器组191.6.2接地电网设计191.7不平衡检测191.7.1熔断器故障导致的失谐201.8电容器组的失稳效应221.9电容器组的开关暂态221.10开关暂态的控制241.10.1电阻开关251.10.2同步切换或同步运行261.11带电动机的开关电容器组261.12开关设备281.12.1电流互感器二次侧的高电压321.13开关控制33参考文献35第2章 电力系统组件谐波分析的建模372.1输电线路372.1.1 ABCD常数372.1.2根据线路长度建模382.1.3长线路模型392.1.4线路常数的计算412.1.5接地线的三相系统442.1.6导体组452.1.7卡森方程462.1.8卡森方程的近似482.1.9 OH线路电容492.1.10 OH线路的EMTP模型532.1.11谐波的影响562.1.12带谐波的输电线路方程562.2电缆602.2.1电缆常数612.2.2电缆电容612.3 OH线路和电缆的零序阻抗632.3.1电缆屏蔽接地632.4滤波电抗器642.5变压器642.5.1频率相关模型652.5.2三绕组变压器662.5.3四绕组变压器672.5.4变压器序列网络692.5.5矩阵方程692.6感应电动机742.7同步发电机762.8负载模型772.8.1 PQ和CIGRE负载模型的研究结果782.9系统阻抗782.10三相模型802.11非特征谐波812.12换流器82参考文献83第3章 系统的谐波建模853.1电力系统853.1.1谐波考量因素863.1.2电力系统的高效设计863.2网络建模范围873.3负载和发电设备的影响883.4短路、基频和负载潮流计算913.5工业系统943.6配电系统953.6.1辐射型系统963.6.2并联或环形系统963.6.3电网或电网系统973.6.4一次配电系统983.6.5配电系统谐波分析993.7输电系统1003.7.1弗兰梯效应1013.7.2线路自然功率1033.7.3传输线路电压1033.8传输线路补偿1033.8.1 Z0补偿1033.8.2线路长度补偿1043.8.3线路分段补偿1043.8.4反射因数1063.9商业建筑物1073.10居民负载1073.11 HVDC输电1083.11.1 HVDC照明1083.11.2 HVDC结构和运行模式1083.11.3直流滤波器110参考文献113第4章 谐波传播1144.1谐波分析方法1144.2频域分析1154.3频域扫描1164.4电压扫描1164.5谐波分析方法1174.5.1注入电流方法1174.5.2前推回代方法1184.5.3牛顿-拉夫逊迭代方法1194.5.4三相谐波潮流方法1224.6时域分析1224.7敏感度方法1234.8不平衡交流系统和高压直流输电线路1244.9混合频率和时域概念1254.10概率论1274.11计算机程序1314.12大型工业系统谐波分析1314.12.1研究目标1314.12.2谐波发射模型1364.12.3谐波传播-案例1 1384.12.4谐波传播-案例2 1404.12.5谐波传播-案例3 1444.13长输电线路1504.14 34.5kV UG电缆1584.15 5母线输电系统160参考文献165第5章 无源滤波器1675.1滤波器种类1675.1.1并联和串联滤波器1705.1.2谐波滤波器的位置1705.2单调谐滤波器1705.2.1调谐频率1735.2.2最小滤波器1735.2.3转移谐振频率1735.2.4滤波元件的偏差影响1755.2.5迭代设计要求1755.2.6并联滤波器中的一个运行中断1755.2.7变化负载下的运行1755.2.8并联滤波器组之间无功功率的分配1765.2.9电容器损耗1765.3谐波滤波器失谐和不平衡1765.4单调谐滤波器之间的关系1765.5因数Q的选择1785.6双调谐滤波器1785.7带通滤波器1805.8阻尼滤波器1815.8.1二阶高通滤波器1825.9 C类滤波器1855.10零序陷波器1875.11串联低通滤波器1885.12滤波器的传递函数1895.13滤波器设计优化技术1935.13.1内点惩罚函数法1935.13.2内点法和变量1945.13.3 Karmarker内点法1945.13.4 Barrier函数法1955.14滤波器设计的遗传算法1965.14.1粒子群优化(PSO)算法1975.15 HVDC-DC滤波器1995.16无源滤波器的限制2015.17滤波器的设计流程2015.18滤波器元件2025.18.1滤波电抗器2025.18.2 滤波电阻2045.19谐波滤波器故障205参考文献206第6章 无源滤波器的设计实例2086.1实例1：6脉波载荷的小型配电系统2086.2实例2：针对电弧炉的滤波器设计2156.3实例3：两个8000hp ID风机驱动装置的滤波器设计2256.4实例4：双调谐滤波器在三绕组变压器上的应用2356.5实例5：光伏太阳能发电装置2396.5.1计及谐波分析的太阳能发电装置2416.6实例6：远距离谐波的影响2486.7实例7：风电场2536.7.1谐波分析的模型257

电力系统谐波是一个经久不衰的研究课题，《无源滤波器设计》力求呈现谐波治理方面的前沿技术和进展。随着电力系统中非线性负载数量的不断增长，许多电力系统专业人士致力于谐波治理及其实际应用的研究。 《无源滤波器设计》从电容器组入手，介绍了电力系统的组成建模以及无源滤波器的设计等内容。本书可作为谐波治理方面的参考和应用指导。 初学者需要对谐波形成一个清晰的基础认知，高水平的读者可通过仿真探索提高兴趣，建议读者以严谨批判的眼光阅读本书。《无源滤波器设计》中众多实际研究场景、案例和图表力争客观易懂。很多高校甚至在研究生教育阶段中都未开设谐波课程。作者在编写本书时认为读者已具有本科层次的知识，各章节的重要内容具有很强的关联性。本书可作为本科生和研究生的不错教科书，亦可作为继续教育的教材和辅助资料。 谐波的影响会远距离传播，而且其对电力系统组成部分的影响是动态和不断发展的。这些影响可以被现有的研究手段分析。 继电保护被称作“艺术和科学”，在作者看来无源滤波器设计和谐波抑制技术亦是，这是因为其包含了太多的主观性。除了采用蒙特卡洛这类不错研究工具之外，现有计算机技术需要不断地迭代以平衡一系列相互冲突的需求。 《无源滤波器设计》的读者在进行滤波器的实际设计时需要先理解谐波的特性、电力系统组成部分的建模和滤波器的特征。第6章介绍了无源滤波器的应用设计及其在光伏发电和风力发电系统中的案例研究，读者可以通过模拟再现这些结果以理解复杂的迭代分析过程。 《无源滤波器设计》引用了CRC出版社出版的《电力系统分析：短路负载潮流和谐波》中的部分内容。在此，作者向该出版社的授权使用表达诚挚的谢意！ J.C.Das《无源滤波器设计》主要介绍电力系统谐波和无源滤波器设计等内容，包含电力系统中的谐波侵入、无源滤波器设计和典型案例，这些案例涵盖了多种新能源（例如光伏发电和风力发电）的应用。 以下是章节目录的概要。 章介绍了并联电容器组的构成、接地及保护，是无源滤波器设计的重要组成部分。通常，谐波滤波器故障的发生是由于并联电容器组单元的选型不恰当，以及忽略了保护和开关的瞬变特性。对进行滤波器设计的读者来说，本章显得尤为重要。 谐波分析的下一步是基于电力系统组成部分及系统自身特性的研究进行精确建模，这些内容将会在第2章和第3章进行详细描述。这两章是谐波分析的重要支撑。第2章中所述的输电线路、变压器、负载、电缆、电动机、发电机、换流器的建模以及第3章中介绍的工业用电、配电、输电和高压直流输电的系统建模，是对谐波感兴趣的读者应该清楚掌握的知识。 掌握了前面的内容后，第4章研究谐波的侵入。除了时域和频域的方法，本章还涵盖了最新的概率建模方面的内容。 谐波滤波器设计是谐波研究的最后一个环节，第5章是详细介绍无源滤波器的。本章结合一些新技术如遗传算法和粒子群理论，介绍了在行业中常用的几乎所有类型的无源滤波器。 最后，第6章介绍了大量谐波分析和无源滤波器设计的实例，包括电弧炉、输电系统、光伏电站和风电场等。如果读者有充分的建模工具和软件就可以再现这些实例，这也是一个很好的学习方法。 综上，《无源滤波器设计》内容丰富，适用于研究谐波的初学者及提高者。实际上，《无源滤波器设计》也可作为谐波无源滤波器设计的标准参考书。书中很多例子以及实际系统的仿真可以加强读者的理解，并且每个章节都用相关图例进行了说明。 Jean Mahseredjian博士 IEEE会士、蒙特利尔大学工学院电气工程教授