变频电源的谐波危害及解决措施.doc

变频电源的谐波危害及解决措施宁廷群1 肖英辉1 任惠英2（1山东科技大学 机电学院 山东 青岛 266510 2山东兖矿集团机械制修厂 山东 邹城 273500） 摘要：本文从变频电源产生谐波的根本基础开始，阐述了谐波的危害、谐波的限制措施、谐波测量以及谐波治理等方面的知识，最后结合实际例子作了具体分析。关键字：变频电源；谐波；控制治理Harmony Dangers and Solving Measures in frequency conversion powerXiao Ying-hui1Ren Hui-ying2(1 Shandong University of science&technology,shandong,qingdao 266510 2 Shandong Yanzhou mining Group mechanical works,Shandong,Zoucheng,273500)Abstract: The harmonics generated by power frequency conversion from the fundamental basis, the risks described harmonics, harmonics restrictions, harmonics measurement knowledge in the areas of governance and resolved, the last example of a specific analysis of the actual.Key Words: Frequency conversion power； harmonics；control governance 一、前言 在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，用变频电源调速有诸多优点，应用非常广泛，但由于变频电源逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，变频电源在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频电源为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2n40。二、谐波的产生过程向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波，如下图所示。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。 各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如果5，7，11，13次等。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。 当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。 变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（最多可达20%）进入电网。三、谐波危害对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面： (1) 增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益： 电力谐波对输电线路的影响：谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。 电力谐波对变压器的影响： 谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。 电力谐波对电力电容器的影响：含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。(2) 影响继电保护和自动装置的工作可靠性：特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。(3)对通讯系统工作产生干扰：电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。(4)对用电设备的影响：电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。四、谐波控制限值为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境（见图2：电磁相容性）。我国于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准电能质量：公用电网谐波，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值（见表1及表2）。电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示：HRVn=（Un/U1）100%HRIn=（In/I1）100%式中 Un、In为第n次谐波电压、电流有效值；U1、I1为基波电压、电流有效值。 表1公用电网谐波电压（相电压）极限值GB/T14549-93Tab.1 Voltage harmonic Limitation of public electrical net(GB/T 14549-93)电网标称电压 kV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率奇次偶次0.385.04.02.06（10）4.03.21.635（66）3.02.41.21102.01.60.8表2 注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压kV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值（A）23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1136.16.85.31.4.79.04.34.93.97.43.66.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.1326.02.85.42.62.92.34.52.147125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.51.91.42.71.32.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.51.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9五、谐波测量测量谐波电流使用低感分流器（约L/R）和电子式电钳，测量谐波电压使用电阻分压器或电容式分压器。谐波测量设备基于快速傅立叶分析原理，由模拟滤波器和模拟（数字）相关器或者计算机组成。谐波阻抗测量是使用一个可控式电源向电网注入谐波频率电流，然后分别测量谐波电压的幅值和相位（见图3：谐波注入原理图）。六、谐波治理治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。治理谐波的主要措施有：加大系统短路容量；提高供电电压等级；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，设置交流滤波器等都能减小系统中的谐波成分。交流滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器两种。有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂，运行损耗较大，设备造价高；在补偿谐波的同时，也会注入新的谐波。无源滤波器(又称LC滤波器)是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显；但仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果；且补偿特性受电网阻抗的影响很大，在特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振。 使用无源滤波器或有源滤波器；使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法；由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。使用无谐波污染的绿色变频电源。绿色变频电源的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频电源内置的交流电抗器，它能很好的抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响，实践表明，不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰，可在变频电源的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频电源允许的情况下，降低变频电源的载波频率。另外，在大功率变频电源中，通常使用12脉冲或18脉冲整流，这样在电源中，通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲，最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推，对于18脉冲，最低的谐波是17次和19次谐波。变频电源中应用的低谐波技术可归纳如下：逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量。整流电路的多重化，在PWM变频电源中采用12脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以减少谐波。 逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小。 采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许多变频电源制造厂商已非常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频电源的绿色化，从而在根本上解决谐波问题。下面就TSC动态无功功率补偿装置和固定投入的滤波装置的结构、原理作简要介绍。其特点是晶闸管电子开关将滤波器投入、退出电网速率为10mS，无功补偿动态响应时间15mS，各次谐波滤除率80%以上。滤波器为L-C串联滤波器，可以设计成五次、七次、十一次、十三次滤波器或6%电抗滤波器。 如果负载相电流分别为ia、ib和ic，其对应无功电流分量的有效值是Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t),采用星电容器接法，线间补偿电流的有效值分别为Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。线间应投入多少单位电容量nab(t)、nbc(t)和nca(t)：1 从包含谐波的负载相电流ib和ic中计算负载三相无功电流Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t)。 2 根据负载三相无功电流计算三相补偿电流Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。 3 根据三相补偿电流和网压计算各路应投入多少单位电容naq(t)、nbq(t)和ncq(t)。 为降低自身干扰，选用铁芯电抗器。装置的核心技术是晶闸管电子开关高速率将滤波器投入、退出电网平滑无冲击。装置内计算机还对散热器温度、补偿电流、电网电压和接触器接点进行监视，在无人值守情况下，实现散热器超温、补偿电流过流和过载、电网电压分相和相序错、接触器等故障的保护和容错运行。装置运行后，不仅使功率因数大于0.95，而且使谐波电流和网压畸变率均达国家标准。根据以上计算，我们分析一下个例：某客运缆车，采用变频调速方式，主电机额定功率585KW，最大功率718KW，额定直流电压400V，采用六相可控硅整流。为解决无功补偿和滤波的问题，要求解决谐波干扰的问题。 由于LC滤波器根据其电容器与电抗器的联接方式不同，主要常用的有单调谐滤波器和高通滤波器。它们的结构和阻抗特性如图4、5所示。 根据上述测量和分析的情况，决定对该缆车电源的谐波治理采用个别补偿的办法，直接将电容器组连接到主电机回路进行无功功率补偿。由于5次谐波是主要挟波源，为达到预期效果，将5次谐波分为五组，每组容量100KVAR，总容量500KVAR。根据不同负荷情况，调节投入的滤波电容器的容量。由于负载变化情况很大，5次谐波电流约占总电流的25%37，比最初设想相差很多。在更换合适的电抗器后，经过试验发现功率补偿能够达到电力设备的要求，功率因数达到要求。电源的谐波治理采用与母线并联的固定串联LC调谐滤波器，即当交联电缆生产线启动时，LC滤波器投入，当交联电缆生产线停工时，LC滤波器退出；滤波器的电容器容量用来补偿交联电缆生产线谐波源所需的无功功率，原无功补偿柜的电容器由300mF降至180mF以满足其它设备的无功补偿要求，同时控制器更换为带谐波闭锁功能的补偿控制器，以便谐波畸变率超限时切除电容器。对于3、5、7次谐波采用单调谐滤波器，对于9、11次以上的谐波采用以11次为主的高通滤波器。治