關(guān)于供電電網(wǎng)對(duì)電壓源型變頻器運(yùn)行的影響研究

張劍

摘要：在電壓源型變頻器中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)三相輸入電流不平衡的現(xiàn)象，也經(jīng)常因?yàn)樽冾l器過流或者是過壓而導(dǎo)致內(nèi)部器件損壞的現(xiàn)象。本文將從功率的角度和低頻的角度出發(fā)，分析影響電壓源型變頻器工作特征的原因，提出一些能夠幫助電壓源型變頻器的研發(fā)者和使用者規(guī)避分析風(fēng)險(xiǎn)的措施，提升變頻器工作的穩(wěn)定性能。

關(guān)鍵詞：電壓源型變頻器;影響因素;解決措施

當(dāng)前，不斷推進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化讓社會(huì)制造業(yè)得以快速發(fā)展，提升企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作中的經(jīng)濟(jì)效益。在控制調(diào)速交流電機(jī)中，變頻器有著不可取代的作用。若是在設(shè)計(jì)研發(fā)變頻器的時(shí)候沒有注重電網(wǎng)因素，那么就會(huì)導(dǎo)致變頻器在運(yùn)用過程中出現(xiàn)異常，縮短使用壽命。制造大功率變頻器的成本十分高，且維護(hù)的成本也比較昂貴，對(duì)于電網(wǎng)中的相關(guān)參數(shù)十分敏感，所以研究人員在研究中需要充分掌握電網(wǎng)中的參數(shù)，明白電網(wǎng)參數(shù)對(duì)變頻器的影響，最大限度的提升變頻器適應(yīng)性。

1.變頻器受到電網(wǎng)不平衡的影響

在電網(wǎng)運(yùn)行中，最常見的一種現(xiàn)象是電網(wǎng)不平衡現(xiàn)象，在一般情況下，是由于各相電源在使用過程中所攜帶的負(fù)荷不均勻而導(dǎo)致的，這種現(xiàn)象對(duì)變頻器的危害是特別大的。在三相電力系統(tǒng)之中，常說的不平衡度主要指的就是在系統(tǒng)之中的三相電壓的不平衡程度，其表現(xiàn)形式主要是出現(xiàn)不同的三相電壓幅值，也會(huì)出現(xiàn)相位差非120°，也可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)這兩種現(xiàn)象。在進(jìn)行表示的時(shí)候，主要是利用正序基波分量和電壓負(fù)序基波分量的均方根百分比進(jìn)行表示。

1.1變頻器受負(fù)序電壓的影響

1.1.1仿真分析

通過利用仿真分析的方法分析負(fù)序電壓對(duì)于變頻器的影響，主要方法是將幅值不同的負(fù)序電壓加入到電源模塊當(dāng)中，用來檢測(cè)所有的硬件。通過對(duì)結(jié)果的觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相位為-84°的時(shí)候，變頻器受到負(fù)序電壓影響最厲害。所以在進(jìn)行仿真分析的時(shí)候，三相電壓的相位全部都設(shè)定在-84°上。比如供電系統(tǒng)的電網(wǎng)是380V/50Hz的時(shí)候，這時(shí)是無限大短路容量電網(wǎng)，它的仿真模型便可以用來對(duì)負(fù)序電壓的幅值以及對(duì)初始相位進(jìn)行配置。電流電感的用途是對(duì)線路電感和輸入電感進(jìn)行模擬，直流電感的用途是對(duì)變頻器電感進(jìn)行模擬。因?yàn)檎鳂虻亩O管無論在什么時(shí)候，都只允許最大線的電壓通過，所以，線電壓的不均衡將會(huì)直接導(dǎo)致三相整流橋出現(xiàn)不均衡的換相時(shí)間以及不均衡的導(dǎo)通時(shí)間，更進(jìn)一步的導(dǎo)致出現(xiàn)不平衡的三相電流。當(dāng)三相電流的分布呈現(xiàn)出與基準(zhǔn)電流的趨勢(shì)相偏離的時(shí)候，電流諧波的測(cè)量結(jié)果也會(huì)相應(yīng)的出現(xiàn)與設(shè)計(jì)指標(biāo)要求相偏離。

1.1.2原因分析與處理措施

在理想狀態(tài)下，電網(wǎng)的工程情況應(yīng)該是將自然換相角度控制在30°，負(fù)序分量的出現(xiàn)導(dǎo)致三相線低壓的相位和大小出現(xiàn)了不同程度的變化，所以，三相電網(wǎng)的導(dǎo)通時(shí)間以及其換相角度也發(fā)生了變化。導(dǎo)通時(shí)間比較長(zhǎng)的相，其對(duì)應(yīng)的電流值是要超出額定值的，導(dǎo)通時(shí)間比較短的相，其對(duì)應(yīng)的電流值是不會(huì)超出額定值的。三相電流具有明顯的不對(duì)稱性，也正是因?yàn)檫@個(gè)特性讓電流諧波輸入到二極管中，除了常規(guī)的五次和七次之外，還會(huì)出現(xiàn)很多的三次以及九次等奇數(shù)次諧波。在二極管輸出端的直流側(cè)電流之中，排除300Hz交流分量以外和比較常規(guī)的直流分量以外，還存在著100Hz以及200Hz的諧波分量。當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)的不平衡度上升的時(shí)候，諧波分量的含量就會(huì)產(chǎn)生，當(dāng)交流分量超過300Hz的時(shí)候，就會(huì)被它的母線電容器吸收，進(jìn)而導(dǎo)致紋波電流在流經(jīng)電容器時(shí)過大。

為了防止出現(xiàn)器件損壞的現(xiàn)象，可以采取以下方法：第一，選用PWM整流的方式，有效的避免三相電流不平衡現(xiàn)象;第二，在于電網(wǎng)低壓進(jìn)行平衡的時(shí)候，可以增加輸入電抗器感抗，這樣做還有降低器件波紋電流的作用，提升變頻器中的器件設(shè)計(jì)裕量。第三，在規(guī)劃整個(gè)電力系統(tǒng)的時(shí)候，要盡可能的將三相負(fù)載的大小予以平衡;

1.2變頻器受零序分量影響

倘若電網(wǎng)中只有零序分量，而沒有負(fù)序分量的時(shí)候，這時(shí)線電壓將不會(huì)受到零序分量的影響，所以變頻器就相當(dāng)于在理想的狀態(tài)之下運(yùn)行。舉個(gè)例子來講，當(dāng)電網(wǎng)三相的相電壓分別有376sin（ωt+110°）、286sin（ωt-140°）、286sin（ωt）的時(shí)候，電網(wǎng)中便包含有310V幅值的正序分量以及57.3V幅值的零序分量，變壓器在運(yùn)行過程中的結(jié)果正如理想狀態(tài)下的仿真結(jié)果是一致的。

在一般的情況下，電網(wǎng)中的零序分量便可以利用△/Y型變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，這樣便可以降低零序分量在電網(wǎng)中的傳播，也會(huì)降低對(duì)用線電壓供電系統(tǒng)的危害。若是從用電安全的角度考慮，也需要特別注重零序分量，避免引起零序電流。

2.變頻器受到線路阻抗的影響

在變頻器研究中，比較容易忽視的一個(gè)因素就是線路阻抗，在比較經(jīng)典的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之中，電網(wǎng)短路的容量是比較大的，電纜沒有阻抗。但是在應(yīng)用大功率的場(chǎng)合之下，整個(gè)系統(tǒng)的線路阻抗將會(huì)成為最關(guān)鍵的參數(shù)。

2.1評(píng)估線路阻抗

對(duì)于評(píng)估線路的阻抗是變頻器研究的重點(diǎn)，電網(wǎng)專家要對(duì)配電變壓器的上一級(jí)電路作出研究，專家研究的電路一般情況下具有比較大的配電容量，如果數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確時(shí)可以近似的理解成理想電網(wǎng)。配電變壓器對(duì)變頻器供電，通過銘牌就能夠清晰的掌握它的容量以及它的短路阻抗。將對(duì)于變壓器的漏感進(jìn)行折算，計(jì)算到標(biāo)幺值之中。

2.2變頻器受到線路阻抗的影響

2.2.1系統(tǒng)中的串并聯(lián)諧振頻率

系統(tǒng)中若是含有靜止式無功補(bǔ)償裝置的時(shí)候，線路的阻抗就會(huì)和無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行配合，從而將整個(gè)系統(tǒng)的串并聯(lián)諧振頻率降低。當(dāng)出現(xiàn)新的諧振頻率與電網(wǎng)諧波電壓頻率相接近的時(shí)候，串并聯(lián)諧振會(huì)引起母線的電壓過度上升，進(jìn)而破壞變頻器。相同的道理，LCL濾波器在PWM整流器之中，也會(huì)經(jīng)常性的出現(xiàn)諧振頻率改變的情況，一般是因?yàn)橄到y(tǒng)阻抗而導(dǎo)致。

2.2.2變頻器的輸入端電壓

在有的用電現(xiàn)場(chǎng)之中，變頻器會(huì)有比較長(zhǎng)的輸入電纜，倘若是只考慮電纜的載流量而忽視電纜的電阻時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致電纜因?yàn)槭艿竭^大的壓降而迫使變頻器的輸入一段出現(xiàn)低壓過低現(xiàn)象。

2.2.3變頻器輸入感性電流的比例

倘若是配電變壓器擁有比較長(zhǎng)的電纜或者是擁有比較大的短路阻抗，那么線路上就會(huì)有比較大的雜散電感，導(dǎo)致在變頻器中的輸入電流中的感性電流比例呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的位移因數(shù)降低，提升感性的無功損耗，進(jìn)而導(dǎo)致變頻器中的母線電容器電壓下降。

結(jié)束語

本文主要從電網(wǎng)失衡，線路阻抗兩個(gè)方面進(jìn)行分析，探究在電網(wǎng)中的某些特性對(duì)于變頻器電流以及諧振的不良影響。在文章中所提及到的部分解決方案也希望能夠?yàn)檠芯空咛峁﹨⒖純r(jià)值，在設(shè)計(jì)研發(fā)變頻器時(shí)增強(qiáng)其穩(wěn)定性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅世界， 王維博， 劉勇，等. 高速牽引供電系統(tǒng)建模及其運(yùn)行參數(shù)對(duì)電網(wǎng)諧波的影響[J]. 電氣技術(shù)， 2017， （02）：31-35.

[2]楊之翰，李夢(mèng)柏，向往，等.基于無閉鎖直流自耦變壓器的LCC-HVDC與VSC-HVDC互聯(lián)系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， （02）：249-260.

[3]蔡長(zhǎng)虹，江啟芬.一種無變壓器耦合的單相串聯(lián)型有源電壓治理裝置研發(fā)[J]. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化， 2017， （05）：15-19.

[4]竺慶茸，李晗，李先允. 含光伏的主動(dòng)配電網(wǎng)非對(duì)稱故障條件下對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓影響的研究[J]. 電測(cè)與儀表， 2019， （04）：41-42.

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