简论变频器广泛应用对电力系统的影响

 1 引言

变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案，随着中国经济的整体快速发展，市场对产品的要求逐步提高，变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产效率的作用。其除了具有优良的调速性能之外，还有显着的节能效果，不仅在相关工业行业，变频家电在节约电费、提高家电性能、保护环境等方面的优势也得到了用户的普遍认可和广泛应用。

然而变频器在节能、改善人类生活环境、提高产品质量以及提高工业自动化程度方面做出巨大贡献的同时也将产生一些负面效应。

　　2 变频器产生谐波

变频器根据有无中间直流环节来分，可以分为交交变频器和交直交变频器，在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。交交变频器结构简图如图1所示，其只能降低频率，同时输出电压波形中含有较大的谐波，输入电流谐波严重且功率因数低，在很多应用领域，这些都是不能接受的技术缺陷，往往采用具有中间直流环节的交直交变频器。

交直交变频器结构简图如图2所示，由于交直交变频器中含有整流电路，可控硅元件的导通与关断同样会因其非线性产生谐波，从设备流出的谐波因变流器回路的种类及其运转状态、系统条件等不同产生不同的影响。


2.1 谐波的产生

　　变频器输入部分电压主波形为正弦波，但电流波形为非正弦波，这是由整流环节及其开关元件的参数离散所引起的。目前，变频器大部分采用三相桥式整流电路，输入电流的波形为三相对称的矩形波，经傅立叶级数分解为基波和6n+1次特征谐波（n=l，2，3，），但实际上由于存在换相重叠角、触发脉冲不平衡等不定因素，使得少量的非特征谐波同时存在。谐波含有率随变频器输出电压升高而减小，而基本不受其输出频率和电流的影响。具体输入侧电流各次谐波的实测值见图3，可见主要是5次、7次、11次、13次等特征谐波，同时含有少量的非特征谐波。

       图4 电压性逆变器的输出电压

变频器逆变环节往往采用正弦脉宽调制法（SPWM）法，其输出部分线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，其三相的相电压是阶梯波，如图4所示，其非线性是由SPWM脉宽调制的性质所定的；电流波形和载波频率比有关，载波频率比越高，越接近正弦波，波形中会含有和载波频率相关的高次谐波，高次谐波电流对负载直接干扰，还会通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

随着变频器在各行各业的应用面扩大，单机容量的加大和使用变频器的总容量的增大，因此谐波污染电源及对周围其他设备的影响就日益严重，甚至造成其他电子设备不能正常工作。特别是供电线路上通常连接电力电容器，很容易产生并联谐振，使整流器和其它电器设备因过电流绝缘损坏或烧坏。这样的事故近几年的发生率呈上升趋势。

2.2 变频器周围电气设备受谐波的影响

连接变频器的电源系统往往有并联有电力电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流按着各自的阻抗分配到电源系统和并联负载。下面叙述高次谐波电流对各电器设备的影响。

（1） 电力电容器

根据IEC标准规定一般电容器最大电流只允许35％的超载。实际运转时由于谐波的影响常发生严重过载。电容器阻抗随频率的增加而减少，故产生谐波时，电容器即成为一陷流点流人大量电流，导致过热、增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动短路、过电流及产生噪声。

（2） 同步发电机

变频器产生的高次谐波电流在同步发电机的激磁绕组中会产生感应电流，引起损耗增加，可能导致电机过热、绝缘降低、寿命缩短等。

（3） 变压器

电流谐波将增加变压器铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间共振，及引起铁心磁通饱和而产生噪声。

（4） 电动机

谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，电动机往往要降额使用。如果输入电动机的波形失真，会增加其重复峰值电压，影响电动机的绝缘。

（5） 电力电子设备

电力电子设备在多种场合是产生谐波的谐波源，但他自身也很容易感受谐波失真而误动作。这种设备靠着电压的过零点或电压波形来控制或操作，若电压有谐波成分时，零点移动、波形改变，造成许多误动作。

（6） 保护继电器

由于高次谐波的影响，可能引起继电器过电压、产生绝缘损坏、振动引起的机械破坏等等。对于以有效值为基准而动作的继电器，高次谐波的存在使得继电器在接近额定值处也有误动作的可能。

（7） 指示电气仪表

电能表等计量仪表会因谐波而造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。20％的5次谐波将产生10％-15％的误差。过大的谐波电流，也很容易使仪器里的线圈损坏。

2.3 变频器谐波抑制措施

对小容量的通用变频器，高次谐波很少成为问题，但当使用的变频器容量大或数量多时，往往就会产生高次谐波电流和高次谐波干扰问题，因此对于高次谐波先采取适当的对策和预防措施是非常重要的。

2.3.1 改善变频器结构

可以从变频器自身硬件结构或者整个变频系统的构建方式和设备选择等方面考虑，从根本上减少变频系统注入电网的谐波、无功等污染。

（1） 变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器；

（2） 在整流环节采用多重化技术，提高脉波数，可以有效地提高特征谐波次数，降低特征谐波幅值。对于大容量晶闸管变频器可以采取这种方法，利用多重化抑制流向电源侧的高次谐波；

（3） 采用高频整流电路，改善整流波形，提高功率因数，直流电压可调节；

（4） 逆变环节采用高开关频率高的电力电子器件，如MOSFET，IGBT等，可以提高载波频率比，抑制变频器输出端的高频谐波。

（5） 在逆变环节采用多重化技术，提高脉波数，使输出的电流电压波形更加接近正弦波。但重数越多电路越复杂，可靠性会随之降低，三重化电路可以兼顾输出波形质量和设备可靠性，较理想。

2.3.2 采用合适的控制策略

从变频器控制器这一点出发，可采用更合适的控制策略或者在原来的控制策略基础上作点优化和改进，原理上更大限度地减少谐波的产生。以实际应用中常用的正弦脉宽调制法（SPWM）法和特定消谐法（SHE）法为例。

根据SPWM基本理论，当调制波频率为fr，载波频率为fc，载波频率比N=fc/fr，单极性SPWM控制在输出电压中产生N-3次以上的谐波，双极性SPWM控制在输出电压中产生N-2次以上的谐波。比如，N=25，采用单极性SPWM控制，低于22次的谐波全被消除，采用双极性SPWM控制，低于23次的谐波全被消除。

但输出电压频率较高的时候，由于受到元件开关频率的限制，N值不可能大，SPWM控制的优势就不太明显了，这个时候选择SHE法可以在开关次数相等的情况下输出质量较高的电压、电流，降低了对输入、输出滤波器的要求。

2.3.3 采取滤波电路

在变频器外部采取措施，综合考虑变频器注入电网的特征谐波以及个别变频器的特有非特征谐波特性，制订滤波方案对污染源进行治理。也即通常说的先污染，后治理。只用滤波器效果并不理想，与上述二类方法配合作用更见效。

（1） 若变频器输入侧没有装设专用变压器，可在输入侧接入交流电抗器（ACL）使整流阻抗增大，抑制高次谐波电流。

（2） 在变频器和电网系统间的电力回路中使用交流滤波器。交流滤波器有调谐滤波器和二次型滤波器，调谐滤波器用于单次谐波的吸收，而二次型滤波器则适用于多个高次谐波的吸收，一般两者组合使用，消除某个单次谐波同时滤除某次及以上的谐波。

（3） 在变频器输出端加LC滤波器可以滤除变频器输出的高次谐波，且可以延长PWM的上升沿，减小dV／dt，从而抑制变频输出过电压。如果采用LC滤波器接外壳，还可以滤除变频器输出的零序分量，避免零序电压经定子绕组与定、转子边的寄生电容产生的电流对电机等设备造成损失。