簡論變頻器廣泛應用對電力系統(tǒng)的影響

1 引言

變頻器主要用于交流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是理想的調(diào)速方案，隨著中國經(jīng)濟的整體快速發(fā)展，市場對產(chǎn)品的要求逐步提高，變頻調(diào)速以其自身所具有的調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，在許多需要精確速度控制的應用中發(fā)揮著提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的作用。其除了具有優(yōu)良的調(diào)速性能之外，還有顯著的節(jié)能效果，不僅在相關工業(yè)行業(yè)，變頻家電在節(jié)約電費、提高家電性能、保護環(huán)境等方面的優(yōu)勢也得到了用戶的普遍認可和廣泛應用。

然而變頻器在節(jié)能、改善人類生活環(huán)境、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及提高工業(yè)自動化程度方面做出巨大貢獻的同時也將產(chǎn)生一些負面效應。

2 變頻器產(chǎn)生諧波

變頻器根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)來分，可以分為交交變頻器和交直交變頻器，在交直交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型和電流源型。交交變頻器結(jié)構簡圖如圖1所示，其只能降低頻率，同時輸出電壓波形中含有較大的諧波，輸入電流諧波嚴重且功率因數(shù)低，在很多應用領域，這些都是不能接受的技術缺陷，往往采用具有中間直流環(huán)節(jié)的交直交變頻器。

交直交變頻器結(jié)構簡圖如圖2所示，由于交直交變頻器中含有整流電路，可控硅元件的導通與關斷同樣會因其非線性產(chǎn)生諧波，從設備流出的諧波因變流器回路的種類及其運轉(zhuǎn)狀態(tài)、系統(tǒng)條件等不同產(chǎn)生不同的影響。

2.1 諧波的產(chǎn)生

變頻器輸入部分電壓主波形為正弦波，但電流波形為非正弦波，這是由整流環(huán)節(jié)及其開關元件的參數(shù)離散所引起的。目前，變頻器大部分采用三相橋式整流電路，輸入電流的波形為三相對稱的矩形波，經(jīng)傅立葉級數(shù)分解為基波和6n+1次特征諧波(n=l，2，3，)，但實際上由于存在換相重疊角、觸發(fā)脈沖不平衡等不定因素，使得少量的非特征諧波同時存在。諧波含有率隨變頻器輸出電壓升高而減小，而基本不受其輸出頻率和電流的影響。具體輸入側(cè)電流各次諧波的實測值見圖3，可見主要是5次、7次、11次、13次等特征諧波，同時含有少量的非特征諧波。

圖4 電壓性逆變器的輸出電壓

變頻器逆變環(huán)節(jié)往往采用正弦脈寬調(diào)制法(SPWM)法，其輸出部分線電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，其三相的相電壓是階梯波，如圖4所示，其非線性是由SPWM脈寬調(diào)制的性質(zhì)所定的;電流波形和載波頻率比有關，載波頻率比越高，越接近正弦波，波形中會含有和載波頻率相關的高次諧波，高次諧波電流對負載直接干擾，還會通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。

隨著變頻器在各行各業(yè)的應用面擴大，單機容量的加大和使用變頻器的總?cè)萘康脑龃?，因此諧波污染電源及對周圍其他設備的影響就日益嚴重，甚至造成其他電子設備不能正常工作。特別是供電線路上通常連接電力電容器，很容易產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使整流器和其它電器設備因過電流絕緣損壞或燒壞。這樣的事故近幾年的發(fā)生率呈上升趨勢。

2.2 變頻器周圍電氣設備受諧波的影響

連接變頻器的電源系統(tǒng)往往有并聯(lián)有電力電容器、發(fā)電機、變壓器、電動機等負載，變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流按著各自的阻抗分配到電源系統(tǒng)和并聯(lián)負載。下面敘述高次諧波電流對各電器設備的影響。

(1) 電力電容器

根據(jù)IEC標準規(guī)定一般電容器最大電流只允許35%的超載。實際運轉(zhuǎn)時由于諧波的影響常發(fā)生嚴重過載。電容器阻抗隨頻率的增加而減少，故產(chǎn)生諧波時，電容器即成為一陷流點流人大量電流，導致過熱、增加介電質(zhì)的應力，甚至損壞電力電容器。當電容器與線路阻抗達到共振條件時，會發(fā)生振動短路、過電流及產(chǎn)生噪聲。

(2) 同步發(fā)電機

變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流在同步發(fā)電機的激磁繞組中會產(chǎn)生感應電流，引起損耗增加，可能導致電機過熱、絕緣降低、壽命縮短等。

(3) 變壓器

電流諧波將增加變壓器銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間共振，及引起鐵心磁通飽和而產(chǎn)生噪聲。

(4) 電動機

諧波會引起電動機附加發(fā)熱，導致電動機額外溫升，電動機往往要降額使用。如果輸入電動機的波形失真，會增加其重復峰值電壓，影響電動機的絕緣。

(5) 電力電子設備

電力電子設備在多種場合是產(chǎn)生諧波的諧波源，但他自身也很容易感受諧波失真而誤動作。這種設備靠著電壓的過零點或電壓波形來控制或操作，若電壓有諧波成分時，零點移動、波形改變，造成許多誤動作。

(6) 保護繼電器

由于高次諧波的影響，可能引起繼電器過電壓、產(chǎn)生絕緣損壞、振動引起的機械破壞等等。對于以有效值為基準而動作的繼電器，高次諧波的存在使得繼電器在接近額定值處也有誤動作的可能。

(7) 指示電氣儀表

電能表等計量儀表會因諧波而造成感應轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精確度。20%的5次諧波將產(chǎn)生10%-15%的誤差。過大的諧波電流，也很容易使儀器里的線圈損壞。

2.3 變頻器諧波抑制措施

對小容量的通用變頻器，高次諧波很少成為問題，但當使用的變頻器容量大或數(shù)量多時，往往就會產(chǎn)生高次諧波電流和高次諧波干擾問題，因此對于高次諧波先采取適當?shù)膶Σ吆皖A防措施是非常重要的。

2.3.1 改善變頻器結(jié)構

可以從變頻器自身硬件結(jié)構或者整個變頻系統(tǒng)的構建方式和設備選擇等方面考慮，從根本上減少變頻系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波、無功等污染。

(1) 變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設備的供電電源相互獨立，或在變頻器和其他用電設備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器;

(2) 在整流環(huán)節(jié)采用多重化技術，提高脈波數(shù)，可以有效地提高特征諧波次數(shù)，降低特征諧波幅值。對于大容量晶閘管變頻器可以采取這種方法，利用多重化抑制流向電源側(cè)的高次諧波;

(3) 采用高頻整流電路，改善整流波形，提高功率因數(shù)，直流電壓可調(diào)節(jié);

(4) 逆變環(huán)節(jié)采用高開關頻率高的電力電子器件，如MOSFET，IGBT等，可以提高載波頻率比，抑制變頻器輸出端的高頻諧波。

(5) 在逆變環(huán)節(jié)采用多重化技術，提高脈波數(shù)，使輸出的電流電壓波形更加接近正弦波。但重數(shù)越多電路越復雜，可靠性會隨之降低，三重化電路可以兼顧輸出波形質(zhì)量和設備可靠性，較理想。

2.3.2 采用合適的控制策略

從變頻器控制器這一點出發(fā)，可采用更合適的控制策略或者在原來的控制策略基礎上作點優(yōu)化和改進，原理上更大限度地減少諧波的產(chǎn)生。以實際應用中常用的正弦脈寬調(diào)制法(SPWM)法和特定消諧法(SHE)法為例。

根據(jù)SPWM基本理論，當調(diào)制波頻率為fr，載波頻率為fc，載波頻率比N=fc/fr，單極性SPWM控制在輸出電壓中產(chǎn)生N-3次以上的諧波，雙極性SPWM控制在輸出電壓中產(chǎn)生N-2次以上的諧波。比如，N=25，采用單極性SPWM控制，低于22次的諧波全被消除，采用雙極性SPWM控制，低于23次的諧波全被消除。

但輸出電壓頻率較高的時候，由于受到元件開關頻率的限制，N值不可能大，SPWM控制的優(yōu)勢就不太明顯了，這個時候選擇SHE法可以在開關次數(shù)相等的情況下輸出質(zhì)量較高的電壓、電流，降低了對輸入、輸出濾波器的要求。

2.3.3 采取濾波電路

在變頻器外部采取措施，綜合考慮變頻器注入電網(wǎng)的特征諧波以及個別變頻器的特有非特征諧波特性，制訂濾波方案對污染源進行治理。也即通常說的先污染，后治理。只用濾波器效果并不理想，與上述二類方法配合作用更見效。

(1) 若變頻器輸入側(cè)沒有裝設專用變壓器，可在輸入側(cè)接入交流電抗器(ACL)使整流阻抗增大，抑制高次諧波電流。

(2) 在變頻器和電網(wǎng)系統(tǒng)間的電力回路中使用交流濾波器。交流濾波器有調(diào)諧濾波器和二次型濾波器，調(diào)諧濾波器用于單次諧波的吸收，而二次型濾波器則適用于多個高次諧波的吸收，一般兩者組合使用，消除某個單次諧波同時濾除某次及以上的諧波。

(3) 在變頻器輸出端加LC濾波器可以濾除變頻器輸出的高次諧波，且可以延長PWM的上升沿，減小dV/dt，從而抑制變頻輸出過電壓。如果采用LC濾波器接外殼，還可以濾除變頻器輸出的零序分量，避免零序電壓經(jīng)定子繞組與定、轉(zhuǎn)子邊的寄生電容產(chǎn)生的電流對電機等設備造成損失。

5 變頻器輸入電流不對稱

5.1 輸入電流不對稱及其影響

工業(yè)應用中的交直交電壓型變頻器往往采用三相橋式結(jié)構，低載運行時交流電源輸入側(cè)輸入電流不對稱會引起三相功率因數(shù)不平衡現(xiàn)象。這主要是由于中間直流環(huán)節(jié)不是無窮大容量，在實際運行中存在充放電過程，變頻器滿載運行時，輸入輸出電流接近額定值，充放電電流影響不大，但是變頻器在啟動后未達到額定功率前或者在低載的狀態(tài)穩(wěn)定運行的情況下，由于輸入輸出電流也非常的小，充放電電流的影響就不能忽略。下面以圖5所示交直交變頻器為例，對低載工況下，充放電電流引起的輸入電流不對稱現(xiàn)象產(chǎn)生原理進行簡單分析。

圖5 交直交電壓型變頻器拓撲結(jié)構

輸入三相對稱電壓Ua、Ub、Uc，頻率為0，一般來說輸入為工頻電壓，0=50Hz。直流環(huán)節(jié)電壓Uc波形如圖6所示，為一系列紋波。則直流側(cè)電容相應的充放電電流iD 波形如圖7所示，其頻率為3 ?0，變頻器逆變環(huán)節(jié)的輸入電流i2主要由變頻器負載特性決定，對純阻性負載而言，i2應該是一系列正弦半波，如圖8所示。由圖5可見變頻器整流環(huán)節(jié)輸出電流i1應是i2和iD的矢量疊加，疊加后的波形如圖9所示。根據(jù)三相全控橋式6脈波整流原理可以推得變頻器輸入側(cè)三相電流如圖10、11、12所示，顯然三相波形嚴重不對稱，A相電流的有效值較B、C兩相都大。

則在一定的有功輸入情況下，由于輸入電壓三相對稱，計算得到A相的視在功率比B、C兩相大，因此A相的無功功率較大，功率因數(shù)較低，三相功率因數(shù)出現(xiàn)不平衡。本文分析是A相表現(xiàn)得功率因數(shù)偏低，實際變頻設備運行時，根據(jù)其輸出頻率以及整流、逆變環(huán)節(jié)控制方式的不同，功率因數(shù)偏低現(xiàn)象有可能出現(xiàn)在B相或者C相。

5.2 實際測試結(jié)果

為驗證變頻器輸入電流不對稱引起的功率因數(shù)不平衡現(xiàn)象，以杭州市某自來水廠使用的變頻器為例，于2005年11月14日采用TOPAS1000電能質(zhì)量測試儀對變頻器輸入側(cè)進行了測試。該變頻器輸入工頻380(V)3相交流電，送出5～9kHz的二次交流電，二次電壓為540(V)左右，測試期間逐步梯次增加變頻器輸入有功功率，逐次記錄不同有功功率水平下的輸入電壓、電流、視在功率以及功率因素。

輸入功率為33kW時，在變頻器輸入端測量得到電流波形如圖13所示，可見B相電流較A、C兩相差別很大，隨著輸入功率的增加，B相電流和A、C兩相的電流波形越來越接近，圖14和圖15分別是輸入功率為54kW和85kW時輸入側(cè)電流波形。不同功率水平下測得的輸入電壓、電流、視在功率和功率因數(shù)的對比如表1所示。顯然，輸入功率為33kW時，三相的功率因數(shù)顯著不平衡，B相的功率因數(shù)明顯偏低，輸入功率為54kW，B相功率因數(shù)有了很大改善，輸入功率增加到85kW，B相功率因數(shù)和A、C兩相已然差別不大。

圖15 變頻器工作功率為85kW時輸入側(cè)電流波形

5.3 改善變頻器輸入電流不對稱措施

從目前的研究看來，輸入電流不對稱現(xiàn)象存在的時間段往往不長，且只在部分拓撲類型的變頻器中體現(xiàn)，從5.1中的分析來看，整流電路簡單的控制方式以及直流側(cè)電容容量的限制是造成輸入電流不對稱的主要因素，因此本文就改善輸入電流不對稱現(xiàn)象，提出以下幾條建議：

(1) 變頻器盡量在額定的功率下運行，使得直流環(huán)節(jié)的充放電電流影響變得相對微弱;

(2) 直流環(huán)節(jié)的電容器容量不宜選擇的太小，保證一定的容量以降低充放電電流的波動幅值，改善整流環(huán)節(jié)輸出電流的畸變程度，可以較好的改善變頻器輸入電流的不對稱程度;

(3) 變頻器整流環(huán)節(jié)可以采用更優(yōu)化的整流變換電路，比如高頻整流電路，可以改善整流輸入波形，提高功率因數(shù)，且功率可雙向流動，直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)特性好;

(4) 可以對整流環(huán)節(jié)采取多重化技術，提高整流電路的脈波數(shù)，降低整流環(huán)節(jié)輸出電壓的波動性，減少直流環(huán)節(jié)電容器的充放電電流值。

另外，還可以綜合整流、逆變環(huán)節(jié)考慮，合理確定整流和逆變電路的開關觸發(fā)角，使整流電路輸入電流的三相波形盡量對稱，這個方面還有待進一步的研究。

6 不合格電能對變頻器本身的影響

變頻器產(chǎn)生諧波以及造成功率因數(shù)不平衡破壞電網(wǎng)的電能質(zhì)量，大量變頻器的廣泛應用對電網(wǎng)造成的污染越來越嚴重，首當其沖的是影響到其自身的正常運行。變頻器產(chǎn)生的諧波電流在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使得其輸入電壓波形發(fā)生畸變，長時間運行在這樣的環(huán)境下，開關損耗大大增加，開關元件壽命大大縮短，變頻器很容易損壞;變頻器在輸入波形失真的情況下長時間運行，會導致整流環(huán)節(jié)控制失靈，引起開關元件誤動作，甚至在開關過程產(chǎn)生過電壓燒壞元器件;如果不及時采取相應措施改善輸入波形，不僅影響到變頻器的正常工作，還會造成分別與變頻器輸入端和輸出端連接的相關電氣設備燒損。這樣的實例也越來越多，在近幾年的工作中已經(jīng)多次目睹類似事故。

7 結(jié)語

大量變頻器的廣泛應用對電網(wǎng)造成的污染越來越嚴重，以諧波污染最為典型，其他方面的不良影響也隨著對變頻器的深入研究開始逐漸凸現(xiàn)，放任問題的嚴重化和擴大化而不提前采取合理有效的措施，無論從諧波治理效果還是治理成本方面考慮都是流失最佳時機。本文從硬件結(jié)構、控制策略以及外接濾波電路等三個方面提出了一系列抑制變頻器諧波污染的方法和措施，變頻器不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波有針對的抑制措施，對于變頻系統(tǒng)一個整體而言，綜合應用各種措施對于改善變頻系統(tǒng)的輸入輸出波形指標會更有效;另外本文對變頻器低載時產(chǎn)生的輸入電流不對稱引起功率因數(shù)不平衡現(xiàn)象作了分析，并提出了相應的改善建議。