淺談?dòng)性措娏V波器在供電電網(wǎng)中諧波的治理

引言

近年來，由于變頻調(diào)速和節(jié)能的需要，變頻器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)械、工業(yè)、生活等各個(gè)領(lǐng)域變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)）；通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下： 具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好； 無轉(zhuǎn)差損耗，效率高； 接線簡單、控制方便、價(jià)格低； 有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速； 可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。

1 變頻器諧波的產(chǎn)生機(jī)理及危害

變頻器諧波是變頻器運(yùn)行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進(jìn)行逆變；在其逆變過程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生的高次諧波； 變頻器諧波對供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。

要探討變頻器的諧波產(chǎn)生機(jī)理，首先要了解變頻器的工作原理，從結(jié)構(gòu)上，變頻器有間接變頻器和直接變頻器之分。間接變頻器將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。變頻器輸出諧波對電動(dòng)機(jī)的影響有：電機(jī)附加發(fā)熱使電機(jī)額外升溫；產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)、噪音及過電流。變頻器諧波會(huì)使電力電容發(fā)生過載、過熱甚至損壞電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)、短路、過電流及產(chǎn)生噪聲。變頻器諧波電流會(huì)使開關(guān)設(shè)備在啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率，破壞絕緣。

目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻器有3 種不同的結(jié)構(gòu)方式：

（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合；

（2）用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓；

（3）用不控整流器整流，用PWM逆變器變頻，這種變頻器采用可控關(guān)斷的全控型器件，輸出波形才會(huì)非常逼近正弦波。通常變頻器的主電路都選用圖1 所示交-直-交形式，它包括整流AC/DC 輸入和逆變DC/AC 輸出兩部分。

1.1 輸入部分

在三相橋式整流電路中，由非線性二極管組成的三相橋式整流橋及其二極管參數(shù)的離散會(huì)引起電壓主波形為正弦波，而電流波形為矩形波，波形可以按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，通常含有5次、7 次、11 次、13 次等高次諧波。

1.2 輸出部分

大部分變頻器采用PWM 或SPWM 調(diào)制的交直流變頻方式，線電壓是正弦脈寬、幅值相等的窄矩形波，其等效后是連續(xù)的矩形波，而三相的相電壓是階梯波，輸出表達(dá)式為

式中：uo為變頻器輸出電壓；

ud為變頻器直流側(cè)電壓；

琢為調(diào)制度；

棕r 為調(diào)制信號(hào)角頻率；

漬為正弦調(diào)制波的初相角；

棕r為載波信號(hào)角頻率；

n 為變頻器輸出諧波次數(shù)。

式（1）中第一項(xiàng)為輸出波形中的基波分量，即調(diào)制時(shí)所要求的正弦波；第二項(xiàng)是輸出波形中的諧波分量。

變頻器的電源系統(tǒng)和電力設(shè)備輸出的高壓母線相連接，在這條線路上同時(shí)還存在著電容器、發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等負(fù)載，變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流將按各自的阻抗分流到電源系統(tǒng)和并聯(lián)的負(fù)載上，對相關(guān)電氣設(shè)備造成不同程度的影響。

2 諧波的治理

變頻器給人們帶來極大的方便、高效率和巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對電網(wǎng)注入了大量的諧波，使供電質(zhì)量不斷惡化。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高。

要對變頻器產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抑制，通常有兩種方案：

（1）裝設(shè)補(bǔ)償裝置；

（2）對接入電網(wǎng)的變頻器進(jìn)行改造以符合相關(guān)規(guī)定。

對已有的變頻器進(jìn)行改造，成本較高，而采用補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償則更為合理。裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC

調(diào)協(xié)濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。但是，也存在明顯的缺點(diǎn)，就是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不理想。有源電力濾波器是一種用于快速動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功功率補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置。有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要有指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路四個(gè)部分組成。

在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的，以減少傳輸過程中的電磁輻射。 通過抑制諧波電流，將功率因數(shù)由原來的（0.5-0.6）提高至（0.75-0.85）。