變頻器廣泛應用對電力系統(tǒng)的影響

1、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(guān)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12。 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)

2、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(gòu)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(shù)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(gòu)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(guān)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3。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

3、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7。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5。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

4、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，波形中會含有和載波頻率相關(guān)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

5、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8。（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2。（3） 變壓器電流諧波將增加變壓器銅損，電壓

6、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 2。（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。（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

7、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3。（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8。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。 改善變頻器結(jié)構(gòu) 可以從變頻器自身硬件結(jié)構(gòu)或者整個變頻系統(tǒng)的構(gòu)建方式和設備選擇等方面考慮，從根本上減少變頻系統(tǒng)

8、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。但重數(shù)越多電路

9、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12。 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

10、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(guān)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(guān)次數(shù)相等的情況下輸出質(zhì)量較高的電壓、電流，降低了對輸入、輸出濾波器的要求10。 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89。（2） 在變頻器和電網(wǎng)系統(tǒng)間的電力回路中使用交流濾

11、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69。（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dVdt，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害10。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(gòu)，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

12、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(gòu)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

13、，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)

14、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59kHz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、兩相差別很大，隨著輸入功率的增加，相電流和A、C兩相的電流波形越來越接近，圖14和圖15

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

16、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(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

17、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(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時間運行，會導致整流環(huán)節(jié)控制失靈6，引起開關(guān)元件誤動作，甚至在開關(guān)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(guān)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)束語大量變頻器