滤波器的设计需要滤波器所在的电力系统和环境的信息。这些信息包括正常运行条件下，供电系统的结构及其可能发生的变化，如变压器的更换和馈线等引起的参数变化；可能引起滤波器参数变化的负荷变化，如产生谐波的负荷（交流电机、电容器组、滤波装置等）的变化；系统的谐波电压，其中不仅包括所有的特征谐波，还应包括非特征谐波，以及背景谐波和未来的产生谐波的负荷；系统不平衡带来的谐波增强作用，特别是三次谐波的产生和在系统中的传导。
所需的信息还包括偶发事件对滤波器工作的影响。比如，滤波器或其他电气设备的投切引起的过电压，特别是多组滤波器同时投切时，暂态过电压往往会造成低次谐波滤波器的过负荷。又如，系统结构的变化，如滤波器的投入或停用，会引起谐振频率及其峰值发生显著变化。对于在同一地点设置多组滤波器时，由于设计中通常按照整体运行来确定容量，因此单个滤波器的故障可能导致需要其他滤波器也退出，以防止过负荷；而如果这些滤波器调谐在同一频率时，还需注意两者之间的均流问题。此外，如果采用多组分级投切的滤波器结构，则必须按照正确的顺序进行投切，以防止并联谐振的发生。所有这些均必须在设计阶段加以详细的分析和研究。
在对系统进行谐波分析时，短路和潮流计算的数据仍是必要的，但是进行频域分析时，需要考虑到参数对频率的依赖性，所以模型需要增加相应的信息。IEEE399-1997中给出了相应的推荐模型，见表4-11。
表4-11 谐波分析用电力系统元件模型[10]
（续）
下面以单调谐滤波器为例说明设计的步骤。
第1步：决定滤波器无功容量
作为由无源储能元件电感和电容构成的滤波装置，滤波器除了分流谐波电流外，还可给系统提供一个基频容性无功功率，从而起到改善系统功率因数和维持系统电压的作用。由于滤波器上电抗的抵消作用，滤波器的有效无功往往小于滤波器电容的标称值。
如果采用若干组调谐于不同频率的滤波器进行滤波时，设计中一个值得注意的问题是，在已知总的基波无功容量与各次谐波电流的条件下，如何分配滤波器的无功容量。
实际的滤波器由于谐波阻抗有限，所以流经滤波器支路的除基频和调谐频率两个电流分量外，还有其他各次谐波电流分量。因此即便其他谐波电流影响可以忽略，滤波器电容的安装容量至少需包括基频和谐波两个无功功率的和，即
注意到Us1、In已知，上式在Qn=U2s1I2n/（nQn），即输出的无功功率为
时，取得最小值。对应的电容器的最小安装容量，也即不考虑基波无功功率补偿时，滤波器的电容器安装容量为
上式表明，对于较高次谐波而言，滤波器电容的安装容量大约为输出无功功率的2倍，换句话说，安装容量没有被充分利用来进行基频无功补偿。所以当滤波器兼作无功补偿器时，可以按如下原则进行无功分配：
1）根据已知的接入点电压Us1和谐波电流In计算对应于每个滤波器电容器最小安装容量时输出的无功功率，如果其和满足（即不小于）给定的无功功率要求时，并且超出部分也在允许范围之内，则可以将各滤波器的最小安装容量作为其安装容量。需要指出的是，由于实际工业系统往往谐波十分丰富，不可能为每一次谐波设置一个滤波器，比如对于包括旁频的系统，如采用周波变流器的轧机在容量设计时要考虑到对旁频的吸收，比如5次滤波器要考虑到5～7次之间的旁频吸收所需的容量；又如对于所设置的最高次的滤波器，则需要考虑高于其调谐频率的谐波容量的吸收。
2）工业应用中，为了防止谐波放大和限制电容器组的合闸涌流，很少采用纯电容器进行无功补偿，往往均在电容器上串联限流电抗，从而构成实际上的滤波器。所以设计中，通常将所需的全部补偿容量分配到滤波器中。由于工业系统补偿所需的无功功率通常远大于滤波器的最小安装容量，所以也可以简化设计，首先按谐波电流的比值，大体分配滤波器的无功容量，然后再进行最小安装容量、滤波特性和安全核算。
第2步：选择滤波器的调谐频率
无源滤波器的作用是降低谐波失真，但实际的滤波器通常并不调谐在精确的谐波频率上，因为这可能会带来两个不希望的后果：
1）谐振时的低阻抗会导致几乎所有相应频率的谐波电流都流经滤波器，这样会加大对滤波器容量的要求。
2）如前所述，滤波器与系统阻抗之间的相互作用会导致系统在一个低于调谐频率的频率上产生并联谐振，这会导致需要对滤波器参数进行重新调谐。
此外：
1）滤波器部分电容单元失效导致总体电容值的减少，从而导致滤波器的谐振频率增高。另一方面，由于滤波器电容模块中的短路元件没有从电路中移除，会导致电容值增加，从而降低了谐振频率。
2）滤波器电抗和电容在制造过程中的误差：通常商品电容器的误差范围为±20%，而电抗器的偏差为±5%。在滤波器使用中，为了防止由于元件误差造成的不平衡而导致过电压，所以必须有更为严格的要求。工业系统中，通常要求电容器的正偏差不大于+5%，而电抗器在±2%以内。此外应用中，还要考虑到温度变化引起的电容值改变。实践中，元件参数偏差引起的调谐频率的偏差的百分数可以用下式描述：
由此电容和电感发生2%的误差通常会引起1%左右的调谐频率偏差。
3）电力系统结构的变化所导致的系统短路容量与负载阻抗变化。因此在实际设计时，通常将滤波器的谐振频率选为比谐波频率低3%～15%，使其在谐波频率点呈现感性。由于过于尖锐的调谐特性会使元件承受过大的应力，并且易于使滤波器在其他谐波源的作用下过负荷。这种设计方法不仅能充分地去除谐波，还能为滤波器的失谐提供一定的裕量。有些场合，如果滤波器的主要用于功率因数补偿，谐波抑制仅是第二位的，则谐振频率会选择在较标称谐波频率低12%以上，这种设计得到的滤波器不会发生谐波过负荷，但可能会降低谐波抑制作用。通常滤波器的设计均从最低次的单调谐滤波器开始。
对于n次谐波单调谐滤波器而言，其等效阻抗可以表示为
Zf=R+j（XL-XC） （4-19）
在调谐频率处，XL=XC。
其基频的容抗XC为
式中，Xeff为滤波器的基频等效电抗，Xeff=kU2LS/Qref。
此时对应的基频感抗为
式中，Qref为滤波器的等效无功功率（Mvar）；ULS为系统的标称线电压（kV）。
如果同上面建议的那样，将滤波器调谐在比谐波频率稍低的频率上，那么上述n就不是整数了。例如在一个50Hz的系统中，对于7次谐波，将滤波器的调谐在332Hz，n就应该等于6.64。
滤波器调谐的另外一个目的是在谐波失真不是很严重时，用于避免由于谐波电流造成的电容过负荷和电力系统谐振的发生。这种情况下，滤波器是不接地的（避免同系统发生3次谐振），并被调谐在5次谐波以下（4.3次或者4.7次）从而避免在特征谐波（例如5次和7次）上发生谐振。
第3步：优化滤波器配置，以满足谐波守则
滤波器的设置应能将系统的电压和电流的失真水平限制在一定范围内，因此需对谐波负荷在整个频域中对各种可能出现的运行情况进行充分的评估。IEEE519-1992和IEEE399-1997对进行这些必需的研究提供了指导。谐波研究被用来确定滤波器的数量、滤波器的调谐频率和滤波器安装位置。通过谐波分析可以得到滤波器各元件的参数选择、不同工况下施加于滤波器各元件的电压和流经各元件的电流的频谱及应力。在分析时需考虑的因素概述如下：
1）分级投切时滤波器的组数及不同组合时的性能；
2）采用多个滤波器时，其中一个滤波器故障所产生的影响；
3）系统电压和负荷的变化范围；
4）电力系统正常时和故障时的结构；
5）系统频率变化、元件制造误差、恶劣气温下的容量变化和滤波器电容器单元的停用所引起的滤波器的失谐；
6）特征和非特征谐波。
如果设置了滤波器后失真情况仍然很严重，则有可能是由于滤波器的加入导致了滤波器同系统在一个较低的频率上发生了并联谐振。此时，如果将该滤波器重新调谐在一个较低的频率上，往往就可以解决此类问题。如果问题仍不能解决，则可能需采用多调谐滤波器。
第4步：确定元件额定值
一旦滤波器被优化后，元件的额定值也就确定下来了。通常，首先确定的是滤波器的电容值，其次是电抗、电阻和开关额定值。
1）电容的额定值：电容器的额定值通常是由其工作电压和发出的无功功率确定的。如果所设计的滤波器仅用于滤除谐波，而不需附带考虑无功补偿，则设计得到的这种滤波器称为最小滤波器。
电容电压的额定值是由稳态（包括谐波）、瞬态（持续时间小于半个周期）和暂态（持续时间达到几秒钟）三种过电压中较大的一个来确定的。滤波器电容的瞬态过电压往往是与滤波器的投切及馈线断路器的操作有关。对于独立的单调谐滤波器而言，其影响往往并不严重，但如果多个不同调谐频率的滤波器接于同一母线上时，有可能会出现问题。而暂态过电压可以通过不同时将变压器和电容器接入就可以避免。以单调谐滤波器为例，滤波器电容的额定电压是基于稳态运行条件确定的，即
电容的选择应当保证施加在电容上的最高峰值电压（基波加上谐波）不大于额定电压的峰值。滤波器电容上承受的电压应当根据最坏的情况进行计算。n次滤波器额定相电压的方均根值可以由电容两端的基波电压UC1加上n次谐波电压来确定，即(www.xing528.com)
式中，UCn为n次谐波电流在滤波器电容上产生的电压；iC（n）为流经滤波器电容的n次谐波电流；
UC1为滤波器电容上的最大基波电压的方均根值，UC1=Usn2/（n2-1）（其中，Us是滤波器两端的最大系统电压）；XC为滤波器电容的基频容抗。
图4-14给出了随着瞬变发生频率不同，电容峰值电压标幺值（以额定电压的峰值为基值）的限值，所以电容选择必须满足该要求。
图4-14 电容的瞬变过电压能力
流入滤波器电容的包括基频电流和谐波电流在内的总电流可以由下式得到
流经滤波器电容器组的总方均根电流必须小于前述基于无功容量和额定电压计算得到的电容器的额定电流的135%。此外，该电流还必须小于电容器组熔断器的电流容量。事实上，对于低次谐波滤波器而言，通常在该电流达到限值之前早已达到其他限值，所以很少成为一个限制性因素。
滤波器设计的最后一项标准是校核滤波器电容的介质发热量是否在允许的范围内，并且通常由下式进行校核：
式中，UfC（n）是n次谐波电流在滤波器电容两端的压降（kV）；Qrated是铭牌上的电容器组额定容量（kvar）。
必须注意滤波器电容器组的额定无功容量不等于滤波器的有效无功功率，而需包括抵消串联电抗器作用所需无功容量和留有足够的裕量。综上所述，实际设计时，通常需要电容在所有条件下均满足以下限值：
①小于110%额定电压；
②在瞬变条件下，峰值电压（包括谐波电压在内）小于120%的额定方均根电压的
倍，即
；
③小于根据额定电压和额定无功功率条件下标称方均根电流的135%；
④小于135%的额定无功功率。
上述IEEE标准中给出的限值是较为保守的结果，许多文献的推荐值均大于上述限值。比如R.C.Dugan在参考文献[17]和J.C.Das在参考文献[1]中均提出，实际上可以将电容的峰值电压限值提高到120%额定值以内，相应地方均根电压的限值为额定值的110%；包括谐波电流在内的方均根电流的限值为额定值的180%，其中单次谐波不超过150%；无功容量的限值则与上列相同，为135%。上述参数可以供读者应用时参考。
实际中，滤波器电容器容量的选择可以根据测量数据或计算得到。而在某些特殊场合，比如为了将变流器的功率因数提高到0.9～0.95，所需的无功功率大体为负荷视在功率的40%左右。而对于采用二极管整流桥作为前端变流器的PWM变频调速系统而言，由于此时功率因数接近1，滤波器电容将导致电压上升，所以不宜采用无源滤波器作为谐波抑制，而应采用有源滤波等其他方式进行补偿。
2）滤波器电抗额定值：在滤波器电容器容量确定后，电抗器的电感应当根据滤波器选择的调谐频率frated确定：
电抗额定值的确定主要取决于最大的工作线电压、滤波器的调谐频率、基本雷电冲击绝缘水平（BIL）、谐振频率的Q（品质因数）、最大短路电流和该电流的持续时间，以及开关动作时的瞬态和暂态过电压水平。
一个必须注意的问题是，线路和变压器的电抗可能与滤波器产生并联谐振，假定线路的等效电感为Ls，则滤波器的谐振频率将为
该频率始终低于滤波器的调谐频率。frated由于设备接入点系统参数各异，所以滤波器电抗往往采用可以调整的结构，比如具有抽头或其他调节方式。
中压滤波器通常均接成不接地的星形，并且电抗接于母线和滤波器的电容器组之间，这样在电容器组发生短路故障时，可以限制故障电流。但此时电抗器的容量应能耐受电容器对地短路时的故障电流，据此电流额定值的确定取决于系统的最大工作电压、平衡和不平衡短路时的故障电流；而故障的持续时间则取决于跳闸继电器和断路器的动作时间。而对于铁心电抗器而言，由于过大的故障电流可能会引起铁心饱和而将使其丧失限流能力。如果电抗器接于中性点一侧，则不能抑制电容器组相间或相对地短路的电流水平。
3）滤波器电阻额定值：上述讨论均是在忽略电感和电容的有功损耗条件下进行的，实际的电抗器中不可避免存在电阻，而电容器也具有有功损耗，因此实际的单调谐滤波器均如图4-9a所示，是由电容、电感和电阻串联构成的，此时滤波器电抗的品质因数通常定义为
式中，X0为滤波器调谐时电感的电抗和电容器的容抗，X0=n0XL=XC/n0。
品质因数决定了调谐的锐度，通常滤波器电抗的品质因数大于50。其带宽（PassBand，PB）取决于
时的频率。现以图4-15为例说明品质因数对谐振特性的影响。
图4-15 单调谐滤波器
a）结构 b）R-X特性 c）阻抗频率特性
图4-15a、b为一个单调谐滤波器的结构和相应的电阻-电抗特性曲线示意图。图4-15c所示滤波器，C=4.56μF，L=45.5mH，滤波器调谐于7次谐波，即350Hz，此时电感与电容的阻抗相抵消，滤波器的阻抗等于纯电阻。串联电阻分别为1、5、10、20Ω，相应的品质因数Q分别为100、20、10和5。可以看到，随着R的减小，Q值增大，谐振的锐度也随之增大，而通带宽度（PB）减小。在绝大多数应用场合，滤波器的自然品质因数（即不含有意添加的电阻）均较高，比如在调谐频率处往往高于100。在实际应用中，往往需要有意地降低品质因数，比如选择在30～60之间。通常在实际中均采用计算机仿真的方法来评估滤波器特性对品质因数的敏感性。
定义特征频率ωn与滤波器调谐频率ω0两者偏差的标幺值为
由此得到频率ωn处滤波器阻抗Zf为
式（4-28）对应两条不对称的曲线，如图4-15c所示。当在频偏δ＜0时，即系统的特征频率低于滤波器的调谐频率时，曲线位于左半平面，阻抗呈容性；反之δ＞0时阻抗为感性，曲线位于右半平面。
在频率偏差不大（δ
1）的条件下，上式可以改写为
Zf=R（1+j2δQ） （4-30）
电阻R趋近零时，上述曲线的渐近线可以由下式给出：
∣Xf∣=±2X0∣δ∣ （4-31）
即为图4-16所示的两条对称的直线。
图4-16 单调滤波器性能、宽带和渐近线与频偏的关系
此时特征频率处的阻抗Zn为
谐振电路通频带通常定义为回路中电流由谐振时的最大值下降到其0.707倍时的频带宽，即回路阻抗由谐振（δ=0）时的最小阻抗Zfn=R增大到其
倍时的频带宽。由上式可以得到
，即
对于单调谐串联谐振回路而言，Q越大或δ越小，通频带越窄，即选频性能越好。
此外，由于滤波器两端的谐波电压是流经滤波器的谐波电流和特征频率处阻抗的乘积，所以为了减小谐波电压，应当尽可能降低滤波器的调谐阻抗。
单调谐滤波器的投切通常不会给电容和电感带来任何异常的负荷。但对投切过程中可能出现的异常过电压或过电流现象，如系统变压器的饱和引起的谐波，可能会给滤波器带来短时间过电压，因此进行暂态分析和计算机仿真仍是必要的。
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