變頻器廣泛應(yīng)用對(duì)電力系統(tǒng)的影響
1 引言
變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是理想的調(diào)速方案，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的整體快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多需要**速度控制的應(yīng)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(guān)工業(yè)行業(yè)，變頻家電在節(jié)約電費(fèi)、提高家電性能、保護(hù)環(huán)境等方面的優(yōu)勢(shì)也得到了用戶的普遍認(rèn)可和廣泛應(yīng)用【1】【2】。
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(dòng)化程度方面做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也將產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)。
2 變頻器產(chǎn)生諧波
變頻器根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)來(lái)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(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其只能降低頻率，同時(shí)輸出電壓波形中含有較大的諧波，輸入電流諧波嚴(yán)重且功率因數(shù)低，在很多應(yīng)用領(lǐng)域，這些都是不能接受的技術(shù)缺陷，往往采用具有中間直流環(huán)節(jié)的交—直—交變頻器。
圖1 交—交變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
交直交變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dǎo)通與關(guān)斷同樣會(huì)因其非線性產(chǎn)生諧波，從設(shè)備流出的諧波因變流器回路的種類及其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、系統(tǒng)條件等不同產(chǎn)生不同的影響【3】。
圖2 交—直—交變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
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(guān)元件的參數(shù)離散所引起的【4】。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(duì)稱的矩形波，經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和6n+1次特征諧波（n=l，2，3，)，但實(shí)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(shí)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【7】。具體輸入側(cè)電流各次諧波的實(shí)測(cè)值見圖3，可見主要是5次、7次、11次、13次等特征諧波，同時(shí)含有少量的非特征諧波【5】。
圖3 變頻器輸入側(cè)電流頻譜
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(guān)，載波頻率比越高，越接近正弦波，波形中會(huì)含有和載波頻率相關(guān)的高次諧波，高次諧波電流對(duì)負(fù)載直接干擾，還會(huì)通過(guò)電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。
隨著變頻器在各行各業(yè)的應(yīng)用面擴(kuò)大，單機(jī)容量的加大和使用變頻器的總?cè)萘康脑龃螅虼酥C波污染電源及對(duì)周圍其他設(shè)備的影響就日益嚴(yán)重，甚至造成其他電子設(shè)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(shè)備因過(guò)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(shì)。
2.2 變頻器周圍電氣設(shè)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(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等負(fù)載，變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流按著各自的阻抗分配到電源系統(tǒng)和并聯(lián)負(fù)載．下面敘述高次諧波電流對(duì)各電器設(shè)備的影響。
（1）電力電容器
根據(jù)iec標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般電容器*大電流只允許35％的超載。實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于諧波的影響常發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載。電容器阻抗隨頻率的增加而減少，故產(chǎn)生諧波時(shí)，電容器即成為一陷流點(diǎn)流人大量電流，導(dǎo)致過(guò)熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件時(shí)，會(huì)發(fā)生振動(dòng)短路、過(guò)電流及產(chǎn)生噪聲【8】。
（2）同步發(fā)電機(jī)
變頻器產(chǎn)生的高次諧波電流在同步發(fā)電機(jī)的激磁繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，引起損耗增加，可能導(dǎo)致電機(jī)過(guò)熱、絕緣降低、壽命縮短等【2】。
（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(dòng)機(jī)
諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降額使用。如果輸入電動(dòng)機(jī)的波形失真，會(huì)增加其重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣【2】。
（5）電力電子設(shè)備
電力電子設(shè)備在多種場(chǎng)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(dòng)作。這種設(shè)備靠著電壓的過(guò)零點(diǎn)或電壓波形來(lái)控制或操作，若電壓有諧波成分時(shí)，零點(diǎn)移動(dòng)、波形改變，造成許多誤動(dòng)作【6】。
（6）保護(hù)繼電器
由于高次諧波的影響，可能引起繼電器過(guò)電壓、產(chǎn)生絕緣損壞、振動(dòng)引起的機(jī)械破壞等等。對(duì)于以有效值為基準(zhǔn)而動(dòng)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(dòng)作的可能【3】。
（7）指示電氣儀表
電能表等計(jì)量?jī)x表會(huì)因諧波而造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低**度。20％的5次諧波將產(chǎn)生10％-15％的誤差。過(guò)大的諧波電流，也很容易使儀器里的線圈損壞【8】。
2.3 變頻器諧波抑制措施
對(duì)小容量的通用變頻器，高次諧波很少成為問(wèn)題，但當(dāng)使用的變頻器容量大或數(shù)量多時(shí)，往往就會(huì)產(chǎn)生高次諧波電流和高次諧波干擾問(wèn)題，因此對(duì)于高次諧波先采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策和預(yù)防措施是非常重要的。
2.3.1改善變頻器結(jié)構(gòu)
可以從變頻器自身硬件結(jié)構(gòu)或者整個(gè)變頻系統(tǒng)的構(gòu)建方式和設(shè)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(wú)功等污染。
（1）變頻系統(tǒng)的供電電源與其他設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立，或在變頻器和其他用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器【9】;
（2）在整流環(huán)節(jié)采用多重化技術(shù)，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(duì)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【11】;
（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)【11】;
（4）逆變環(huán)節(jié)采用高開關(guān)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(shù)，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?cái)?shù)越多電路越復(fù)雜，可靠性會(huì)隨之降低，三重化電路可以兼顧輸出波形質(zhì)量和設(shè)備可靠性，較理想【12】。
2.3.2采用合適的控制策略
從變頻器控制器這一點(diǎn)出發(fā)，可采用更合適的控制策略或者在原來(lái)的控制策略基礎(chǔ)上作點(diǎn)優(yōu)化和改進(jìn)，原理上更大限度地減少諧波的產(chǎn)生。以實(shí)際應(yīng)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(dāng)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【11】。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(shí)候，由于受到元件開關(guān)頻率的限制，n值不可能大，spwm控制的優(yōu)勢(shì)就不太明顯了，這個(gè)時(shí)候選擇she法可以在開關(guān)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(duì)輸入、輸出濾波器的要求【10】。
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(gè)別變頻器的特有非特征諧波特性，制訂濾波方案對(duì)污染源進(jìn)行治理。也即通常說(shuō)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(méi)有裝設(shè)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【8】【9】。
（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(gè)高次諧波的吸收，一般兩者組合使用，消除某個(gè)單次諧波同時(shí)濾除某次及以上的諧波【6】【9】。
（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(zhǎng)pwm的上升沿，減小dv/dt，從而抑制變頻輸出過(guò)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(duì)電機(jī)等設(shè)備造成損害【10】。
3 變頻器輸入電流不對(duì)稱
3.1 輸入電流不對(duì)稱及其影響
工業(yè)應(yīng)用中的交—直—交電壓型變頻器往往采用三相橋式結(jié)構(gòu)，低載運(yùn)行時(shí)交流電源輸入側(cè)輸入電流不對(duì)稱會(huì)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(wú)窮大容量，在實(shí)際運(yùn)行中存在充放電過(guò)程，變頻器滿載運(yùn)行時(shí)，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(dòng)后未達(dá)到額定功率前或者在低載的狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)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。以圖5所示交—直—交變頻器為例，對(duì)低載工況下，充放電電流引起的輸入電流不對(duì)稱現(xiàn)象產(chǎn)生原理進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。
圖5 交—直—交電壓型變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
輸入三相對(duì)稱電壓ua、ub、uc，頻率為f0，一般來(lái)說(shuō)輸入為工頻電壓，f0=50hz。直流環(huán)節(jié)電壓波形如圖6所示，為一系列紋波。則直流側(cè)電容相應(yīng)的充放電電流id波形如圖7所示，其頻率為3f0，變頻器逆變環(huán)節(jié)的輸入電流i2主要由變頻器負(fù)載特性決定，對(duì)純阻性負(fù)載而言，i2應(yīng)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(yīng)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(yán)重不對(duì)稱，a相電流的有效值較b、c兩相都大。
圖6 直流側(cè)電壓波形
圖7 直流側(cè)電容充放電電流波形
圖8 逆變環(huán)節(jié)輸入電流波形
圖9 整流環(huán)節(jié)輸出電流波形
圖10 變頻器輸入a相輸入電流波形
圖11 變頻器輸入b相輸入電流波形
圖12 變頻器的c相輸入電流波形
則在一定的有功輸入情況下，由于輸入電壓三相對(duì)稱，計(jì)算得到a相的視在功率比b、c兩相大，因此a相的無(wú)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(shí)際變頻設(shè)備運(yùn)行時(shí)，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。
3.2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果
為驗(yàn)證變頻器輸入電流不對(duì)稱引起的功率因數(shù)不平衡現(xiàn)象，以杭州市某自來(lái)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(cè)試儀對(duì)變頻器輸入側(cè)進(jìn)行了測(cè)試。該變頻器輸入工頻380（v）三相交流電，送出5～9khz的二次交流電，二次電壓為540（v）左右，測(cè)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(shí)，在變頻器輸入端測(cè)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(lái)越接近，圖14和圖15分別是輸入功率為54kw和85kw時(shí)輸入側(cè)電流波形。不同功率水平下測(cè)得的輸入電壓、電流、視在功率和功率因數(shù)的對(duì)比如附表所示。顯然，輸入功率為33kw時(shí)，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。
附表 不同輸入功率的測(cè)量結(jié)果比較
圖13 變頻器工作功率為33kw時(shí)輸入側(cè)電流波形
圖14 變頻器工作功率為54kw時(shí)輸入側(cè)電流波形
圖15 變頻器工作功率為85kw時(shí)輸入側(cè)電流波形
3.3 改善變頻器輸入電流不對(duì)稱措施
從目前的研究看來(lái)，輸入電流不對(duì)稱現(xiàn)象存在的時(shí)間段往往不長(zhǎng)，且只在部分拓?fù)漕愋偷淖冾l器中體現(xiàn)，從3.1中的分析來(lái)看，整流電路簡(jiǎn)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(duì)稱的主要因素，因此本文就改善輸入電流不對(duì)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(yùn)行，使得直流環(huán)節(jié)的充放電電流影響變得相對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)，直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)特性好;
（4）可以對(duì)整流環(huán)節(jié)采取多重化技術(shù)，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(dòng)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(guān)觸發(fā)角，使整流電路輸入電流的三相波形盡量對(duì)稱，這個(gè)方面還有待進(jìn)一步的研究。
4 不合格電能對(duì)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(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重，首當(dāng)其沖的是影響到其自身的正常運(yùn)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在這樣的環(huán)境下，開關(guān)損耗大大增加，開關(guān)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致整流環(huán)節(jié)控制失靈【6】，引起開關(guān)元件誤動(dòng)作，甚至在開關(guān)過(guò)程產(chǎn)生過(guò)電壓燒壞元器件;如果不及時(shí)采取相應(yīng)措施改善輸入波形，不僅影響到變頻器的正常工作，還會(huì)造成分別與變頻器輸入端和輸出端連接的相關(guān)電氣設(shè)備燒損。這樣的實(shí)例也越來(lái)越多，在近幾年的工作中已經(jīng)多次目睹類似事故。
5 結(jié)束語(yǔ)
大量變頻器的廣泛應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)造成的污染越來(lái)越嚴(yán)重，以諧波污染*為典型，其他方面的**影響也隨著對(duì)變頻器的深入研究開始逐漸凸現(xiàn)，放任問(wèn)題的嚴(yán)重化和擴(kuò)大化而不提前采取合理有效的措施，無(wú)論從諧波治理效果還是治理成本方面考慮都是流失*佳時(shí)機(jī)。本文從硬件結(jié)構(gòu)、控制策略以及外接濾波電路等三個(gè)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(duì)的抑制措施，對(duì)于變頻系統(tǒng)一個(gè)整體而言，綜合應(yīng)用各種措施對(duì)于改善變頻系統(tǒng)的輸入輸出波形指標(biāo)會(huì)更有效;另外本文對(duì)變頻器低載時(shí)產(chǎn)生的輸入電流不對(duì)稱引起功率因數(shù)不平衡現(xiàn)象作了分析，并提出了相應(yīng)的改善建議