關于變頻器與諧波問題的研究

隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器在電力電子系統(tǒng)、工業(yè)等諸多領域中的應用日益廣泛，變頻器產(chǎn)生的高次諧波對公用電網(wǎng)產(chǎn)生的危害也日益嚴重。其中包括：1）諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災；2）諧波影響各種電器設備的正常工作，使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱，使絕緣老化，壽命縮短以至損壞；3）諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，引起嚴重事故；4）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作；5）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確。

由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對用電設備和電網(wǎng)本身都造成很大的危害，世界許多國家多發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標準，由權威機構制定限制諧波的規(guī)定。世界各國制定的諧波標準大都比較接近。我國由技術監(jiān)督局于1993年發(fā)布了國家標準（GB/T14549-93）電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波>>,并從1994年3月1日起開始實施。

變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動領域中應用較為廣泛的設備之一。變頻器是把工頻（50HZ）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電轉換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載。因此以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一。

諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常也稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻相同的分量。就電力系統(tǒng)中的三相交流發(fā)電機發(fā)出的電壓來說，可以認為其波形基本上是正弦量，即電壓波形基本上無直流和諧波分量。但由于電力系統(tǒng)中存在著各種各樣的諧波源（諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備），特別是變流裝置等設備。其中變頻器的輸入側產(chǎn)生諧波的機理是：凡是在電源側有整流回路的都產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。而變頻器輸出側產(chǎn)生諧波的機理是：在逆變電路中，對于電壓型電路來說，輸出電壓是矩形波。對電流型電路來說，輸出電流是矩形波。矩形波中含有較多的諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響，因此即使電力系統(tǒng)中電源的電壓是正弦波，也會由于非線性元件的存在使得電網(wǎng)中總有諧波電流或電壓的存在。因此電網(wǎng)諧波的存在主要在于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件。

目前諧波的治理可采用以下方法：

(1）變頻器的隔離、屏蔽、接地：變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設備的供電電源相互獨立。或在變頻器和其它用電設備的輸入側安裝隔離變壓器?；蛘邔⒆冾l器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時變頻器輸出電源應盡量遠離控制電纜敷設（不小于50mm間距），必須靠近敷設時盡量以正交角度跨越，必須平行敷設時盡量縮短平行段長度（不超過1mm），輸出電纜應穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。

(2）加裝交流電抗器和直流電抗器：當變頻器使用在配電變壓器容量大于500KVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，則在變頻器輸入側加裝交流電抗器。而當配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3%，變頻器輸入電流峰值很大，會造成導線過熱，則此時需加裝交流電抗器。嚴重時則需加裝直流電抗器。(3）加裝無源濾波器：將無源濾波器安裝在變頻器的交流側，無源濾波器由L、C、R元件構成諧波共振回路，當LC回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時，即可阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無源濾波器特點是投資少、頻率高、結構簡單、運行可靠及維護方便。無源濾波器缺點是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能、耗費多、體積大。

(4）加裝有源濾波器：早在70年代初，日本學者就提出有源濾波器的概念，由源濾波器通過對電流中高次諧波進行檢測，根據(jù)檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應性，有一機多能特點。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險。也可自動跟蹤補償變化的諧波。但存在容量大，價格高等特點。

(5）加裝無功功率靜止型無功補償裝置：對于大型沖擊性負荷，可裝設無功功率的靜止型無功補償裝置，以或得補償負荷快速變動的無功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型(SR型)的效果最好，其電子元件少，可靠性高，反應速度快，維護方便經(jīng)濟，且我國一般變壓器廠均能制造。

(6）線路分開：因電源系統(tǒng)內(nèi)有阻抗，所以諧波負荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸形。把產(chǎn)生諧波的負荷的供電線路和對諧波敏感的負荷供電線路分開，線性負荷和非線性負荷從同一電源接口點PCC開始由不同的電路饋電，使非線性負荷產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導到線性負荷上去。

(7）電路的多重化、多元化：逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；整流電路的多重化是采用12脈波、18脈波、24脈波整流，可降低諧波成分；功率單元的串聯(lián)多重化是采用多脈波（如30脈波的串聯(lián)），功率單元多重化線路也可降低諧波成分。此外還有新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的變形調(diào)制。

(8）變頻器的控制方式的完善：隨著電力電子技術、微電子技術、計算機網(wǎng)絡等高新技術發(fā)展，變頻器控制方式有了以下發(fā)展：數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機MCS51或80C196MC等,輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實現(xiàn)更加完善的控制性能；多種控制方式結合，單一的控制方式有著各自的缺點，如果將這些單一控制方式結合起來，可以取長補短，從而達到降低諧波提高效率的功效。

(9）使用理想化的無