變頻器諧波分析與抑制對策

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(1.東北電力大學(xué)后勤保障部，吉林 吉林 132012；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，已被國內(nèi)外公認(rèn)為是最有前途的調(diào)速方式[1-2]。而變頻調(diào)速裝置中，變頻器產(chǎn)生的諧波在電力系統(tǒng)中是嚴(yán)重的公害，造成電力系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備，如并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的過熱和損壞；引起電力系統(tǒng)內(nèi)局部諧波共振；對繼電保護(hù)和自動控制裝置產(chǎn)生干擾甚至使其發(fā)生誤動；對通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；使電力計量儀表出現(xiàn)誤差；引起有功損耗急劇增大；影響用戶的測量控制、加工過程以及產(chǎn)品質(zhì)量。[3]因此在理論上分析變頻器產(chǎn)生諧波的特征，用實例仿真證明其正確性，并給出有效地的諧波抑制方案,。這對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 諧波分析

通用變頻器由交—直—交電路組成。其整流側(cè)為電容濾波型三相橋式不控整流電路，逆變側(cè)為PWM控制的逆變電路。變頻器整流側(cè)的交、直流電壓電流波形如圖1所示[4]。

圖1 變頻器整流側(cè)的交、直流電壓電流波形

對ia進(jìn)行傅里葉分解：

n=1,2,3,…。

從圖1中可知，ia的波形為奇函數(shù)，則

an=0。

2 諧波抑制

變頻器產(chǎn)生大量6k±1次特征諧波電流，嚴(yán)重污染電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量,是需要重點治理的諧波源之一。許多國際電工組織已經(jīng)成立專門的工作組進(jìn)行諧波方面的研究、治理工作,我國先后在1984年和1993年發(fā)布了《電力諧波管理暫行規(guī)定》(SD 126-84)和《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 14549-1993)。國標(biāo)明確規(guī)定了諧波源用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流標(biāo)準(zhǔn)和不同電壓等級下電網(wǎng)電壓畸變水平[4]。

2.1 諧波抑制主要方法

諧波抑制一般采用建立隔離電源、特殊連接方式的變壓器、安裝電抗器或加裝濾波裝置等。其中加裝濾波器較為常用，如有源濾波器、無源濾波器。由于有源濾波器安裝成本較高，目前針對變頻器產(chǎn)生的諧波普遍采用無源濾波器進(jìn)行濾波[5]。因此下面主要闡述無源濾波器的設(shè)計過程。

2.2 無源濾波器設(shè)計過程

首先說明，諧波條件下并聯(lián)電容器連續(xù)運行最大推薦限制值為額定功率135%、電壓有效值110%、額定電壓 120%、電流有效值135%[6]。

(1)電容器的計算與選擇[7-8]

根據(jù)諧波電流的大小計算所需電容器無功容量：

QC=Uph×In。

式中：Uph為相電壓有效值；In為n次諧波電流。

考慮到變頻器原本需要的電容補償，確定濾波器總的補償容量。根據(jù)支路諧波電壓基本相等原則，確定濾波器各支路容量。

由n次調(diào)諧條件得：

(1)

式中：n為諧波次數(shù)，ω為基波角頻率。

由串聯(lián)分壓得：

(2)

式中：Uph為相電壓；UC1為電容器兩端電壓。

將(1)式代入(2)式中得：

(3)

電容器組提供的基波無功功率為：

(4)

n次調(diào)諧濾波器的電容器兩端諧波電壓為：

(5)

為了使各次調(diào)諧濾波器的電容器諧波電壓基本一致，須使ωCN∝In/n，將其代入(4)式得：

(6)

因為∑QC(n)=QC，利用等比數(shù)列公式，可推導(dǎo)出無功補償容量分配公式：

(7)

n次調(diào)諧濾波器電容器總的無功功率為：

Q′ =QC1+QC(n)

(8)

電容器的最小額定無功功率為：

電容器的最大端電壓對峰值電壓敏感，電容器需要承受施加于其上的總的峰值電壓。加上調(diào)諧與某次諧波的電容器還會吸收其他次的諧波，因此電容器的額定電壓為：

UCN≥(UC1+UC(n)/1.1

根據(jù)額定電壓確定額定無功功率：

根據(jù)電容器額定電壓和額定無功功率確定電容器的電容值為：

(9)

(2)電抗器的計算與選擇

根據(jù)電容值與串聯(lián)諧振條件得：

(10)

為了增加系統(tǒng)的魯棒性，式中ω0取49.7 Hz。

電抗器的最大端電壓：

UL=UL1+UL(n)

=UC1-Uph+XLnIn。

(11)

(3)電阻的計算與選擇

式中：Q為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，30

(4)電容器的額定電流

濾波器的最大電流：

電容器的額定電流要求ICN>Imax

3 實例測量與仿真分析

3.1 實例測量分析

文中采用某單位變頻給水泵為例進(jìn)行變頻器諧波特征分析與抑制的測量與仿真分析。應(yīng)用FLUKE電能質(zhì)量測量儀對某單位變頻給水泵進(jìn)行諧波監(jiān)測，其結(jié)果見表1。波形采集及諧波含量對比分別如圖2和圖3所示。

表1 某單位變頻給水泵諧波檢測值

圖2 實測相電流波形

變頻器對電網(wǎng)電壓影響較小，但會使電網(wǎng)電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。

變頻器產(chǎn)生大量6k±1次諧波，使THD高達(dá)31.4%，已超過國家(GB/T14549—93)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖3 實測各次諧波含量

3.2 仿真分析

利用PSCAD/ EMTDC對加裝濾波器前后的某單位變頻給水泵實例進(jìn)行仿真分析。變壓器參數(shù)：額定容量為20 kVA，變比10/0.4 kV，連接組別為Dyn11，空載損耗為200 W，負(fù)載損耗為600 W，短路阻抗為Uk%=4%。異步電動機(jī)采用某單位變頻給水泵，參數(shù)如下：額定電壓為380 V，額定功率為15 kW，額定電流為30.03 A，定子繞組為角接，轉(zhuǎn)速為1 460 r/min，功率因數(shù)為0.8。仿真電路圖如圖4所示。

圖4 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真主電路圖

3.2.1 加裝濾波器前仿真分析

利用電流表采集變頻器網(wǎng)側(cè)a相電流波形，如圖5所示。并對其進(jìn)行FFT分析，如圖6所示。

從圖中可見，變頻器使電網(wǎng)中電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此電流波形接近圖2所示的實際情況。

變頻器僅產(chǎn)生6k±1次特征諧波，并且以5、7次影響最為嚴(yán)重。所以諧波抑制以5、7次為主。

3.2.2 加裝濾波器后仿真分析

根據(jù)表1中各次諧波含量及所需的無功補償容量計算無源濾波器參數(shù)。本文以五次單調(diào)諧濾波器設(shè)計為例進(jìn)行計算與仿真分析，五次單調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計結(jié)果見表2。

圖5 加裝濾波器前網(wǎng)側(cè)相電流波形

圖6 加裝濾波器前網(wǎng)側(cè)相電流頻譜圖

表2 5次單調(diào)諧濾波器參數(shù)表

變頻器網(wǎng)側(cè)a相電流波形，如圖7所示。并對其進(jìn)行FFT分析，如圖8所示。

圖7 加裝濾波器后網(wǎng)側(cè)相電流波形

通過與圖5對比可見，加裝5次單調(diào)諧濾波器后，電網(wǎng)電流的畸變程度明顯減輕。

根據(jù)加裝濾波器前后的仿真分析得，變頻器僅產(chǎn)生6k±1次諧波，使電網(wǎng)中的電流嚴(yán)重畸變，THD大于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。通過加裝濾波器會大大改善電流波形，并使THD達(dá)到國標(biāo)要求的范圍內(nèi)。

圖8 加裝濾波器后網(wǎng)側(cè)相電流頻譜圖

4 結(jié) 論

文中理論分析了變頻裝置中變頻器將產(chǎn)生6k±1次特征諧波，此諧波使電網(wǎng)中電流嚴(yán)重畸變，并通過某單位變頻給水泵實例證實此理論分析的正確性。對此提出了有效的諧波抑制方法，給出了單調(diào)諧濾波器的詳細(xì)設(shè)計過程。應(yīng)用PSCAD/ EMTDC軟件對某單位變頻給水泵實例進(jìn)行仿真分析，通過加裝濾波器前后的仿真對比表明，加裝濾波器會使變頻器對電網(wǎng)的電流畸變得到明顯的改善。同時本文分析也對電網(wǎng)諧波損耗、繼電保護(hù)誤動作、電力通訊干擾等電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)相關(guān)方面具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

[1] 于開源，王冠軍．變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[J]．應(yīng)用能源技術(shù)，2001，71(5)：41-43．

[2] 容健綱，張文亮．電力系統(tǒng)諧波[J]．高電壓技術(shù)，1994，20(4)：83-86．

[3] 王兆安，黃 ?。娏﹄娮蛹夹g(shù)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2000：54-70．

[4] 況 東，劉小芳．工程設(shè)計中諧波產(chǎn)生原因及抑制的研究[J]．建筑電氣，2007，26(5)：19-21．

[5] 溫伯銀．諧波治理的方法[J]．建筑電氣，2007，26(8)：4-7．

[6] IEEE Std 18-2002,IEEE Standard for Shunt Power Capacitors

[7] George J.Wakileh著 徐政 譯. 電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[8] 毛洪山．淺談諧波無源濾波器的設(shè)計[J]．建筑電氣,2009,28(2)：36-39.