電站變頻器的諧波危害及減少方法

馬德全

（南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇 南京 210036）

在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。電網(wǎng)諧波來自于2個方面。一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波。二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波。三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。電站應(yīng)用的中低壓變頻器、軟啟動器和UPS等都會產(chǎn)生相應(yīng)的諧波，以變頻器產(chǎn)生的諧波最為嚴(yán)重。南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司設(shè)計的江蘇聯(lián)合水泥有限公司5 500t/d熟料水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電工程及其水泥線原料磨EP風(fēng)機(jī)改造工程共有3臺160kW循環(huán)水泵用變頻器、2臺90kW給水泵用變頻器、2臺22kW凝結(jié)水泵用變頻器、1臺160kW煤磨高溫風(fēng)機(jī)用變頻器、1臺3 550kW水泥線原料磨EP風(fēng)機(jī)用中壓變頻器。諧波畸變是用電設(shè)備中產(chǎn)生的一種污染，如果總諧波電流超過一定的限值，就可能出現(xiàn)問題。與產(chǎn)生諧波的設(shè)備連接到同一個電源的變壓器、電纜、電機(jī)、發(fā)電機(jī)和電容器可能因為諧波而出現(xiàn)過熱。諧波還可能使電子顯示器和照明設(shè)備出現(xiàn)閃爍，使斷路器跳閘，使計算機(jī)出現(xiàn)故障，使計量設(shè)備產(chǎn)生錯誤讀數(shù)。

1 變頻器的原理及其諧波產(chǎn)生的干擾

變頻調(diào)速在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，江蘇聯(lián)合水泥有限公司余熱發(fā)電工程低壓變頻器采用交-直-交結(jié)構(gòu)變頻器。整流電路將工頻（50Hz）交流電變成直流電，再經(jīng)過逆變器將直流電變成寬度可調(diào)的脈沖電壓，這就是脈寬調(diào)制（PWM）電壓。用脈寬調(diào)制電壓來驅(qū)動電機(jī)，就可以調(diào)整電機(jī)力矩和轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

變頻器使用交-直-交整流電路，在這個能量變換環(huán)節(jié)，將會產(chǎn)生大量的奇次諧波。整流電路產(chǎn)生的諧波與整流電流的形式有關(guān)，當(dāng)整流電路濾波電抗足夠大，不計換相重疊角且控制角為零時（非相控），可用式（1）表示。

式中：h為諧波次數(shù)，n為任意整數(shù)，p為整流器的脈沖數(shù)。

一般變頻器的輸入電路為3相6脈沖整流電路，所以產(chǎn)生的諧波以5次、7次、11次、13次諧波為主。

整流電路產(chǎn)生的諧波電流在供電系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變，這種畸變的電壓會對工作在正弦波電壓條件下的電子設(shè)備形成干擾。常見的電壓畸變是正弦波的頂部變平。由于負(fù)載電壓為脈沖電壓，因此變頻器從電網(wǎng)中吸取的電流也是脈沖狀。這種脈沖電流中包含了大量的高頻成分，形成射頻干擾。射頻輻射干擾來自變頻器的輸入電纜和輸出電纜，在上述的射頻傳導(dǎo)發(fā)射干擾的情形中，變頻器的輸入電纜上有射頻干擾電流時，由于電纜相當(dāng)于天線，必然會產(chǎn)生電磁波輻射，產(chǎn)生輻射干擾，變頻器輸出電纜上傳輸?shù)腜WM電壓，同樣包含豐富的高頻成分，會產(chǎn)生電磁波輻射，形成輻射干擾，當(dāng)其它電子設(shè)備靠近變頻器時，干擾現(xiàn)象變得嚴(yán)重。

江蘇聯(lián)合水泥有限公司余熱發(fā)電工程6kV ABBACS5000變頻器采用多電平無熔斷器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、集成門極換流晶閘管（IGCT）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，包含移相變壓器、36脈沖二極管整流單元、3個單獨的直流環(huán)節(jié)、3個三電平逆變器單元、控制單元等部分。移相變壓器采用多重化設(shè)計，將網(wǎng)側(cè)高壓變換為二次側(cè)的多組電壓，各二次繞組在繞制時采用延邊三角形接法，相互之間有固定的相位差，形成多脈沖整流方式，使得變壓器二次繞組（即功率單元輸入）的諧波電流相互抵消，不反應(yīng)到高壓側(cè)，從而該善了網(wǎng)側(cè)的電流波形，減少了對電網(wǎng)的諧波污染。

2 變頻器的諧波產(chǎn)生的危害

（1）對發(fā)電機(jī)的影響。

變頻器產(chǎn)生的諧波通過電網(wǎng)使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動、噪聲以及過電壓。

（2）對電動機(jī)的影響。

諧波電流使旋轉(zhuǎn)電動機(jī)產(chǎn)生附加損耗和附加轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的集膚效益、磁滯和渦流等現(xiàn)象隨著頻率的增加而增強(qiáng)，電機(jī)的鐵芯和繞組中的附加損耗也增加，同時會縮短電機(jī)的壽命。

（3）對變壓器的影響。

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負(fù)荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。

（4）對電力電容器的影響。

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

（5）對繼電保護(hù)的影響。

繼電保護(hù)整定值是以基波為基礎(chǔ)計算的，整定值又有小且靈敏度高的特點，所以諧波電流的影響會引起繼電保護(hù)裝置的誤動作或拒動，使得繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性降低，容易引發(fā)系統(tǒng)故障。

（6）對通訊網(wǎng)絡(luò)的影響。

電力電纜中幅值較大的3、5、7、11次諧波通過磁場耦合，會在臨近的控制電纜中產(chǎn)生干擾電壓，對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；甚至使PLC死機(jī)，丟失數(shù)據(jù)。

3 減少諧波的措施

3.1 如何通過改進(jìn)交流傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來減少諧波

（1）在交流傳動中影響諧波的因素。

可以通過改進(jìn)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或者使用外部濾波動能來減少諧波。通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以增強(qiáng)電源功能，使其能夠使用12或更多脈沖的傳動，使用1個受控整流器，或者改善傳動的內(nèi)部濾波功能見表1。

表1 各種因素及其影響

（2）使用6脈沖二極管整流器。

在三相交流傳動中最常用的整流器電路是6脈沖二極管整流橋。它包含6個不可控整流器或二極管以及一個電抗器，該電抗器與一個直流電容器共同形成一個低通濾波器，可以對直流電流進(jìn)行平流處理。電抗器可以位于直流或交流端，也可以完全不用。6脈沖整流器操作簡單，價格便宜，但是產(chǎn)生的5次、7次和11次低次諧波較大，尤其是在平波電抗較小的情況下。

（3）使用12脈沖或24脈沖二極管整流器。

12脈沖整流器是將兩個6脈沖整流器并聯(lián)起來為1個公共直流母線供電。整流器的輸入帶有1個三繞組變壓器。變壓器的副邊有30°的相位偏移。采用這種布局的好處是電源端的一部分諧波處于相反相位，因而被抵消掉了。從理論上來說，在變壓器原邊能看到的最低頻率諧波成分是11次。

該結(jié)構(gòu)的缺點是需要采用特殊變壓器，與6脈沖整流器相比成本高。

24脈沖整流器由兩個并聯(lián)的12脈沖整流器組成，帶有兩個三繞組變壓器，變壓器有15°相位偏移。該結(jié)構(gòu)的好處是幾乎可以消除所有低頻諧波，但是成本高。對于高功率單傳動或者大型多傳動系統(tǒng)來說，24脈沖系統(tǒng)可能是較經(jīng)濟(jì)的解決方案，諧波畸變也小。

（4）使用相控晶閘管整流器。

將6脈沖整流器中的二極管更換為晶閘管，即可得到相控整流器。因為晶閘管需要一個觸發(fā)脈沖才能從非導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)電狀態(tài)，晶閘管開始導(dǎo)通時的相位角可以產(chǎn)生延遲導(dǎo)通。讓觸發(fā)角度產(chǎn)生90°以上的延遲，可以使直流總線電壓為負(fù)值。這樣直流母線就可以反饋給電網(wǎng)再生功率。

標(biāo)準(zhǔn)直流母線和逆變器配置不允許更改直流電壓的極性，更常見的方法是連接另外一個晶閘管橋，并與第一個晶閘管采用反并聯(lián)方式，以便允許電流極性反轉(zhuǎn)。在這種配置下，第一個橋組在整流模式下導(dǎo)通，第二個橋組在再生模式下導(dǎo)通。

相控整流器的電流波形與6脈沖二極管整流器類似，但是因為它們的功率吸收伴有交變位移功率因數(shù)，所以部分負(fù)載的功率因數(shù)很差，從而導(dǎo)致視在電流很高，絕對諧波電流高于二極管整流器。

除了這些問題之外，相控變頻器還會導(dǎo)致設(shè)備電壓波形中出現(xiàn)換流缺口。缺口的角位置隨觸發(fā)角而變化。

（5）使用IGBT整流橋。

與相位換流元件構(gòu)成的整流器橋相比，采用由自換向元件構(gòu)成的整流器橋有若干優(yōu)勢和潛在益處。與相位換流整流器一樣，這種硬件結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)整流和再生功能。此外，它還可以不受功率流向的影響，分別控制直流電壓值和位移功率因數(shù)。它主要有如下優(yōu)勢：在主電源中斷的情況下可以保證安全功能；即使在弱磁區(qū)內(nèi)也能提供高度靈活的傳動控制；可以產(chǎn)生無功功率；接近正弦的電源電流，諧波成分少。IGBT在低頻下的諧波非常低，在高頻下則有些高；電壓升高能力。如果電源電壓較低，可以升高直流電壓，確保電機(jī)電壓高于電源電壓。

它的主要缺點是因為需要IGBT整流橋和額外的濾波功能，所以成本高。

（6）使用較大的直流或交流電抗器。

電壓源交流傳動可以通過在其交流輸入或直流總線端連接一個足夠大的電抗器來顯著降低諧波。目前的趨勢是同時減小變頻器和電抗器的尺寸（在一些情況下完全不用電抗器）。

3.2 降低諧波的其它方法

在諧波畸變逐漸增加的工業(yè)廠房設(shè)備中可以通過濾波來降低諧波，在新建廠房設(shè)備中還可以采用全面的濾波方案?；镜臑V波方法有兩種：無源濾波器和有源濾波器。

（1）調(diào)諧的單臂無源濾波器。

調(diào)諧有臂無源濾波器應(yīng)該用來處理系統(tǒng)中產(chǎn)生較明顯諧波處的最低諧波成分。對于主要為工業(yè)負(fù)載供電的系統(tǒng)來說，這個成分很有可能是5次諧波。在調(diào)諧頻率以上的諧波會被吸收，但是在該頻率以下的諧波可能會被放大。

（2）調(diào)諧的多臂無源濾波器。

這種濾波器中有一個電抗器，該電感器與1個電容器組串聯(lián)。該無源濾波器的最佳位置是靠近產(chǎn)生諧波的負(fù)載。一般來說新系統(tǒng)不使用這種解決方案。該濾波器有若干個調(diào)諧臂，針對系統(tǒng)內(nèi)兩個或多個最低的較明顯諧波頻率進(jìn)行操作。多臂濾波器的諧波吸收能力比單臂系統(tǒng)要好。多臂無源濾波器經(jīng)常用于通過專用變壓器為整個系統(tǒng)供電的大型直流傳動系統(tǒng)。

（3）外部有源濾波器。

在諧波源處設(shè)置有緣濾波裝置，濾波裝置產(chǎn)生特定的諧波與負(fù)載諧波相互抵消，諧波源附件的諧波電流較少時，就可以降低諧波電壓，使電網(wǎng)畸變減輕，減少諧波對供電系統(tǒng)的影響。它與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險，但存在容量大、價格高的特點。

4 結(jié)束語

發(fā)電站電氣系統(tǒng)中非線性負(fù)荷越來越多，產(chǎn)生的諧波對電能質(zhì)量的影響也越來越大。加強(qiáng)對諧波的治理，控制諧波的危害，才能保證發(fā)電站的安全、經(jīng)濟(jì)運行。