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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)。國標明確規(guī)定了諧波源用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流標準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)生嚴重畸變。

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

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，負載損耗為600 W，短路阻抗為Uk%=4%。異步電動機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)中的電流嚴重畸變，THD大于國家標準規(guī)定。通過加裝濾波器會大大改善電流波形，并使THD達到國標要求的范圍內(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)諧濾波器的詳細設(shè)計過程。應(yīng)用PSCAD/ EMTDC軟件對某單位變頻給水泵實例進行仿真分析，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、繼電保護誤動作、電力通訊干擾等電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟相關(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.