變頻器與公用電網諧波的問題

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隨著電力電子技術的發展，變頻器在電力電子系統、工業等諸多領域中的應用日益廣泛，變頻器產生的高次諧波對公用電網產生的危害也日益嚴重。其中包括：1）諧波使電網中的元件產生附加的諧波損耗，降低發電、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生火災；2）諧波影響各種電器設備的正常工作，使電機發生機械振動、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）諧波會引起電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，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產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作；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。
由于公用電網中的諧波電壓和諧波電流對用電設備和電網本身都造成很大的危害，世界許多國家多發布了限制電網諧波的國家標準，由機構制定限制諧波的規定。世界各國制定的諧波標準大都比較接近。我國由技術*于1993年發布了國家標準（GB/T14549-93）《電能質量公用電網諧波》，并從1994年3月1日起開始實施。
變頻器是工業調整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，對共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中zui主要的諧波源之一。
諧波是指對周期性非正統交流量行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量，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。就電力系統聽三相交流發電機發出的電壓來說，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。但由于電力系統中存在著各種各樣的諧波源（諧波源是指向公用電網注入諧波電流或在公用電網中產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生諧波的機理是：凡是在電源側有整流回路的都產生因其非線性引起的諧波。而變頻器輸出側產生諧波的機理是：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，對負載會產生不利影響，因此即使電力系統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中總有諧波電流或電壓的存在。因此電網諧波的存在主要在于電力系統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。或者將變頻器放入鐵箱內，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%時，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。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參數的影響，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。且可消除與系統阻抗發生諧振危險。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，以獲得補償負荷快速變動的無功需求，改善功率因數，濾除系統諧波，減少向系統注入諧波電流，穩定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型（SR型）的效果，其電子元件少，可靠性高，反應速度快，維護方便經濟，且我國一般變壓器廠均能制造。
（6）線路分開：因電源系統內有阻抗，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：逆變單元的并聯多元化是采用2個或多個逆變單元并聯，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；功率單元的串聯多重化是采用多脈波（如30脈波的串聯），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制方法，如電壓矢量的變形調制。
（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、計算機網絡等*發展，變頻器控制方式有了以下發展：數字控制變頻器，變頻器數字化采用單片機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率的功效。
（9）使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器：綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載使都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。
綜上所述，可以了解變頻器以及變頻器諧波產生的機理，變頻器諧波以及其危害性，以及采用變頻器隔離、接地或采用無源濾波器、有源濾波器、加設無功補償裝置以及綠色變頻器等方法。隨著電力電子技術以及微電子技術等技術的飛速發展，在治理諧波問題上將會邁上一個新的臺階，將變頻器產生的諧波控制在zui小范圍之內以達到抑制電網污染，提高電能質量。

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