变频器谐波分析与抑制对策

，

(1.东北电力大学后勤保障部，吉林 吉林 132012；2.东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，变频调速节能技术得到了广泛应用，已被国内外公认为是最有前途的调速方式[1-2]。而变频调速装置中，变频器产生的谐波在电力系统中是严重的公害，造成电力系统中各种电气设备，如并联电容器、并联电抗器和旋转电机的过热和损坏；引起电力系统内局部谐波共振；对继电保护和自动控制装置产生干扰甚至使其发生误动；对通讯系统产生干扰；使电力计量仪表出现误差；引起有功损耗急剧增大；影响用户的测量控制、加工过程以及产品质量。[3]因此在理论上分析变频器产生谐波的特征，用实例仿真证明其正确性，并给出有效地的谐波抑制方案,。这对电力系统安全、稳定、经济运行具有非常重要的现实意义。

1 谐波分析

通用变频器由交—直—交电路组成。其整流侧为电容滤波型三相桥式不控整流电路，逆变侧为PWM控制的逆变电路。变频器整流侧的交、直流电压电流波形如图1所示[4]。

图1 变频器整流侧的交、直流电压电流波形

对ia进行傅里叶分解：

n=1,2,3,…。

从图1中可知，ia的波形为奇函数，则

an=0。

2 谐波抑制

变频器产生大量6k±1次特征谐波电流，严重污染电力系统的电能质量,是需要重点治理的谐波源之一。许多国际电工组织已经成立专门的工作组进行谐波方面的研究、治理工作,我国先后在1984年和1993年发布了《电力谐波管理暂行规定》(SD 126-84)和《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549-1993)。国标明确规定了谐波源用户注入公用电网的谐波电流标准和不同电压等级下电网电压畸变水平[4]。

2.1 谐波抑制主要方法

谐波抑制一般采用建立隔离电源、特殊连接方式的变压器、安装电抗器或加装滤波装置等。其中加装滤波器较为常用，如有源滤波器、无源滤波器。由于有源滤波器安装成本较高，目前针对变频器产生的谐波普遍采用无源滤波器进行滤波[5]。因此下面主要阐述无源滤波器的设计过程。

2.2 无源滤波器设计过程

首先说明，谐波条件下并联电容器连续运行最大推荐限制值为额定功率135%、电压有效值110%、额定电压 120%、电流有效值135%[6]。

(1)电容器的计算与选择[7-8]

根据谐波电流的大小计算所需电容器无功容量：

QC=Uph×In。

式中：Uph为相电压有效值；In为n次谐波电流。

考虑到变频器原本需要的电容补偿，确定滤波器总的补偿容量。根据支路谐波电压基本相等原则，确定滤波器各支路容量。

由n次调谐条件得：

(1)

式中：n为谐波次数，ω为基波角频率。

由串联分压得：

(2)

式中：Uph为相电压；UC1为电容器两端电压。

将(1)式代入(2)式中得：

(3)

电容器组提供的基波无功功率为：

(4)

n次调谐滤波器的电容器两端谐波电压为：

(5)

为了使各次调谐滤波器的电容器谐波电压基本一致，须使ωCN∝In/n，将其代入(4)式得：

(6)

因为∑QC(n)=QC，利用等比数列公式，可推导出无功补偿容量分配公式：

(7)

n次调谐滤波器电容器总的无功功率为：

Q′ =QC1+QC(n)

(8)

电容器的最小额定无功功率为：

电容器的最大端电压对峰值电压敏感，电容器需要承受施加于其上的总的峰值电压。加上调谐与某次谐波的电容器还会吸收其他次的谐波，因此电容器的额定电压为：

UCN≥(UC1+UC(n)/1.1

根据额定电压确定额定无功功率：

根据电容器额定电压和额定无功功率确定电容器的电容值为：

(9)

(2)电抗器的计算与选择

根据电容值与串联谐振条件得：

(10)

为了增加系统的鲁棒性，式中ω0取49.7 Hz。

电抗器的最大端电压：

UL=UL1+UL(n)

=UC1-Uph+XLnIn。

(11)

(3)电阻的计算与选择

式中：Q为滤波器的品质因数，30

(4)电容器的额定电流

滤波器的最大电流：

电容器的额定电流要求ICN>Imax

3 实例测量与仿真分析

3.1 实例测量分析

文中采用某单位变频给水泵为例进行变频器谐波特征分析与抑制的测量与仿真分析。应用FLUKE电能质量测量仪对某单位变频给水泵进行谐波监测，其结果见表1。波形采集及谐波含量对比分别如图2和图3所示。

表1 某单位变频给水泵谐波检测值

图2 实测相电流波形

变频器对电网电压影响较小，但会使电网电流波形发生严重畸变。

变频器产生大量6k±1次谐波，使THD高达31.4%，已超过国家(GB/T14549—93)标准的要求。

图3 实测各次谐波含量

3.2 仿真分析

利用PSCAD/ EMTDC对加装滤波器前后的某单位变频给水泵实例进行仿真分析。变压器参数：额定容量为20 kVA，变比10/0.4 kV，连接组别为Dyn11，空载损耗为200 W，负载损耗为600 W，短路阻抗为Uk%=4%。异步电动机采用某单位变频给水泵，参数如下：额定电压为380 V，额定功率为15 kW，额定电流为30.03 A，定子绕组为角接，转速为1 460 r/min，功率因数为0.8。仿真电路图如图4所示。

图4 变频调速系统仿真主电路图

3.2.1 加装滤波器前仿真分析

利用电流表采集变频器网侧a相电流波形，如图5所示。并对其进行FFT分析，如图6所示。

从图中可见，变频器使电网中电流发生严重畸变，影响电网的电能质量。此电流波形接近图2所示的实际情况。

变频器仅产生6k±1次特征谐波，并且以5、7次影响最为严重。所以谐波抑制以5、7次为主。

3.2.2 加装滤波器后仿真分析

根据表1中各次谐波含量及所需的无功补偿容量计算无源滤波器参数。本文以五次单调谐滤波器设计为例进行计算与仿真分析，五次单调谐滤波器参数设计结果见表2。

图5 加装滤波器前网侧相电流波形

图6 加装滤波器前网侧相电流频谱图

表2 5次单调谐滤波器参数表

变频器网侧a相电流波形，如图7所示。并对其进行FFT分析，如图8所示。

图7 加装滤波器后网侧相电流波形

通过与图5对比可见，加装5次单调谐滤波器后，电网电流的畸变程度明显减轻。

根据加装滤波器前后的仿真分析得，变频器仅产生6k±1次谐波，使电网中的电流严重畸变，THD大于国家标准规定。通过加装滤波器会大大改善电流波形，并使THD达到国标要求的范围内。

图8 加装滤波器后网侧相电流频谱图

4 结 论

文中理论分析了变频装置中变频器将产生6k±1次特征谐波，此谐波使电网中电流严重畸变，并通过某单位变频给水泵实例证实此理论分析的正确性。对此提出了有效的谐波抑制方法，给出了单调谐滤波器的详细设计过程。应用PSCAD/ EMTDC软件对某单位变频给水泵实例进行仿真分析，通过加装滤波器前后的仿真对比表明，加装滤波器会使变频器对电网的电流畸变得到明显的改善。同时本文分析也对电网谐波损耗、继电保护误动作、电力通讯干扰等电力系统安全、稳定、经济相关方面具有一定的现实指导意义。

[1] 于开源，王冠军．变频调速节能技术的应用[J]．应用能源技术，2001，71(5)：41-43．

[2] 容健纲，张文亮．电力系统谐波[J]．高电压技术，1994，20(4)：83-86．

[3] 王兆安，黄 俊．电力电子技术[M]．机械工业出版社，2000：54-70．

[4] 况 东，刘小芳．工程设计中谐波产生原因及抑制的研究[J]．建筑电气，2007，26(5)：19-21．

[5] 温伯银．谐波治理的方法[J]．建筑电气，2007，26(8)：4-7．

[6] IEEE Std 18-2002,IEEE Standard for Shunt Power Capacitors

[7] George J.Wakileh著 徐政 译. 电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计[M].机械工业出版社.

[8] 毛洪山．浅谈谐波无源滤波器的设计[J]．建筑电气,2009,28(2)：36-39.