變頻器高次諧波產(chǎn)生原因、危害和處理方法

   日期：2022-10-14

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在電力電子系統(tǒng)、工業(yè)等諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益普遍，變頻器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生的危害也日益嚴(yán)重。

高次諧波的危害：1）使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線(xiàn)會(huì)使線(xiàn)路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)；2）影響各種電器設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)熱，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱，使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱，使絕緣老化，壽命縮短以至損壞；3）引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，引起嚴(yán)重事故；4）對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作；5）導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對(duì)用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都造成很大的危害，世界許多國(guó)家多發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，由相關(guān)機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。世界各國(guó)制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)大都比較接近。我國(guó)由技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）<<電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波>>,并從1994年3月1日起開(kāi)始實(shí)施。

變頻器的諧波：變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用較為普遍的設(shè)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)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(kāi)關(guān)特性，對(duì)其供電電源形成了一個(gè)典型的非線(xiàn)性負(fù)載，因此，以變頻器為首的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中主要的諧波源之一。諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常也稱(chēng)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(tǒng)中的三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為其波形基本上是正弦量，即電壓波形基本上無(wú)直流和諧波分量。但由于電力系統(tǒng)中存在著各種各樣的諧波源（諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備），特別是變流裝置等設(shè)備。其中，變頻器的輸入側(cè)產(chǎn)生諧波的機(jī)理是：凡是在電源側(cè)有整流回路的都產(chǎn)生因其非線(xiàn)性引起的諧波。而變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波的機(jī)理是：在逆變電路中，對(duì)于電壓型電路來(lái)說(shuō)，輸出電壓是矩形波。對(duì)電流型電路來(lái)說(shuō)，輸出電流是矩形波。矩形波中含有較多的諧波，對(duì)負(fù)載會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此即使電力系統(tǒng)中電源的電壓是正弦波，也會(huì)由于非線(xiàn)性元件的存在使得電網(wǎng)中總有諧波電流或電壓的存在。因此，電網(wǎng)諧波的存在主要在于電力系統(tǒng)中存在各種非線(xiàn)性元件。

治理方法：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(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨(dú)立；或在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器；或者將變頻器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時(shí)變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離控制電纜敷設(shè)（不小于50mm間距），必須靠近敷設(shè)時(shí)盡量以正交角度跨越，必須平行敷設(shè)時(shí)盡量縮短平行段長(zhǎng)度（不超過(guò)1mm），輸出電纜應(yīng)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(dāng)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(cè)加裝交流電抗器。而當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3%時(shí)，變頻器輸入電流峰值很大，會(huì)造成導(dǎo)線(xiàn)過(guò)熱，則此時(shí)需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時(shí)則需加裝直流電抗器。

（3）加裝無(wú)源濾波器；將無(wú)源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)，無(wú)源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，當(dāng)LC回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無(wú)源濾波器特點(diǎn)是投資少、頻率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便。無(wú)源濾波器缺點(diǎn)是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對(duì)某些次諧波有放大的可能、耗費(fèi)多、體積大。

（4）加裝有源濾波器；早在70年代初，日本學(xué)者就提出有源濾波器的概念，由源濾波器通過(guò)對(duì)電流中高次諧波進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無(wú)源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性，有一機(jī)多能特點(diǎn)。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)。也可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。但存在容量大，價(jià)格高等特點(diǎn)。

（5）加裝無(wú)功功率靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置；對(duì)于大型沖擊性負(fù)荷，可裝設(shè)無(wú)功功率的靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無(wú)功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線(xiàn)電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型(SR型)的效果比較好，其電子元件少，可靠性高，反應(yīng)速度快，維護(hù)方便經(jīng)濟(jì)，且我國(guó)一般變壓器廠均能制造。

（6）線(xiàn)路分開(kāi)；因電源系統(tǒng)內(nèi)有阻抗，所以諧波負(fù)荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸形。把產(chǎn)生諧波的負(fù)荷的供電線(xiàn)路和對(duì)諧波敏感的負(fù)荷供電線(xiàn)路分開(kāi)，線(xiàn)性負(fù)荷和非線(xiàn)性負(fù)荷從同一電源接口點(diǎn)PCC開(kāi)始由不同的電路饋電，使非線(xiàn)性負(fù)荷產(chǎn)生的畸變電壓不會(huì)傳導(dǎo)到線(xiàn)性負(fù)荷上去。

（7）電路的多重化、多元化；逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)，通過(guò)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(lián)多重化是采用多脈波（如30脈波的串聯(lián)），功率單元多重化線(xiàn)路也可降低諧波成分。此外還有新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的變形調(diào)制。

（8）變頻器的控制方式的完善；隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)發(fā)展，變頻器控制方式有了以下發(fā)展：數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機(jī)MCS51或80C196MC等,輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來(lái)實(shí)現(xiàn)更加完善的控制性能；多種控制方式結(jié)合，單一的控制方式有著各自的缺點(diǎn)，如果將這些單一控制方式結(jié)合起來(lái)，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而達(dá)到降低諧波提高效率的功效。

（9）使用理想化的無(wú)諧波污染的綠色變頻器；綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載使都能使功率因數(shù)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(chǎn)生的機(jī)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(wú)源濾波器、有源濾波器、加設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置以及綠色變頻器等方法。

隨著電力電子技術(shù)以及微電子技術(shù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，在治理諧波問(wèn)題上將會(huì)邁上一個(gè)新的臺(tái)階，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在小范圍之內(nèi)以達(dá)到抑制電網(wǎng)污染，提高電能質(zhì)量。