电站变频器的谐波危害及减少方法

2018-09-22马德全

中国水泥 2018年9期

马德全

（南京凯盛开能环保能源有限公司，江苏南京 210036）

在电力系统中，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，即电路中有谐波产生。电网谐波来自于2个方面。一是发电源质量不高产生谐波。二是输配电系统产生谐波。三是用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波最多。电站应用的中低压变频器、软启动器和UPS等都会产生相应的谐波，以变频器产生的谐波最为严重。南京凯盛开能环保能源有限公司设计的江苏联合水泥有限公司5 500t/d熟料水泥生产线余热发电工程及其水泥线原料磨EP风机改造工程共有3台160kW循环水泵用变频器、2台90kW给水泵用变频器、2台22kW凝结水泵用变频器、1台160kW煤磨高温风机用变频器、1台3 550kW水泥线原料磨EP风机用中压变频器。谐波畸变是用电设备中产生的一种污染，如果总谐波电流超过一定的限值，就可能出现问题。与产生谐波的设备连接到同一个电源的变压器、电缆、电机、发电机和电容器可能因为谐波而出现过热。谐波还可能使电子显示器和照明设备出现闪烁，使断路器跳闸，使计算机出现故障，使计量设备产生错误读数。

1 变频器的原理及其谐波产生的干扰

变频调速在工业上得到了广泛应用，江苏联合水泥有限公司余热发电工程低压变频器采用交-直-交结构变频器。整流电路将工频（50Hz）交流电变成直流电，再经过逆变器将直流电变成宽度可调的脉冲电压，这就是脉宽调制（PWM）电压。用脉宽调制电压来驱动电机，就可以调整电机力矩和转速，从而达到调速的目的。

变频器使用交-直-交整流电路，在这个能量变换环节，将会产生大量的奇次谐波。整流电路产生的谐波与整流电流的形式有关，当整流电路滤波电抗足够大，不计换相重叠角且控制角为零时（非相控），可用式（1）表示。

式中：h为谐波次数，n为任意整数，p为整流器的脉冲数。

一般变频器的输入电路为3相6脉冲整流电路，所以产生的谐波以5次、7次、11次、13次谐波为主。

整流电路产生的谐波电流在供电系统的阻抗上产生压降，导致电压波形发生畸变，这种畸变的电压会对工作在正弦波电压条件下的电子设备形成干扰。常见的电压畸变是正弦波的顶部变平。由于负载电压为脉冲电压，因此变频器从电网中吸取的电流也是脉冲状。这种脉冲电流中包含了大量的高频成分，形成射频干扰。射频辐射干扰来自变频器的输入电缆和输出电缆，在上述的射频传导发射干扰的情形中，变频器的输入电缆上有射频干扰电流时，由于电缆相当于天线，必然会产生电磁波辐射，产生辐射干扰，变频器输出电缆上传输的PWM电压，同样包含丰富的高频成分，会产生电磁波辐射，形成辐射干扰，当其它电子设备靠近变频器时，干扰现象变得严重。

江苏联合水泥有限公司余热发电工程6kV ABBACS5000变频器采用多电平无熔断器的拓扑结构、集成门极换流晶闸管（IGCT）和直接转矩控制（DTC）技术，包含移相变压器、36脉冲二极管整流单元、3个单独的直流环节、3个三电平逆变器单元、控制单元等部分。移相变压器采用多重化设计，将网侧高压变换为二次侧的多组电压，各二次绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间有固定的相位差，形成多脉冲整流方式，使得变压器二次绕组（即功率单元输入）的谐波电流相互抵消，不反应到高压侧，从而该善了网侧的电流波形，减少了对电网的谐波污染。

2 变频器的谐波产生的危害

（1）对发电机的影响。

变频器产生的谐波通过电网使发电机产生附加功率损耗、发热、机械振动、噪声以及过电压。

（2）对电动机的影响。

谐波电流使旋转电动机产生附加损耗和附加转矩，旋转电机的集肤效益、磁滞和涡流等现象随着频率的增加而增强，电机的铁芯和绕组中的附加损耗也增加，同时会缩短电机的寿命。

（3）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。

（4）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。

（5）对继电保护的影响。

继电保护整定值是以基波为基础计算的，整定值又有小且灵敏度高的特点，所以谐波电流的影响会引起继电保护装置的误动作或拒动，使得继电保护系统的可靠性降低，容易引发系统故障。

（6）对通讯网络的影响。

电力电缆中幅值较大的3、5、7、11次谐波通过磁场耦合，会在临近的控制电缆中产生干扰电压，对控制系统产生干扰；甚至使PLC死机，丢失数据。

3 减少谐波的措施

3.1 如何通过改进交流传动系统的结构来减少谐波

（1）在交流传动中影响谐波的因素。

可以通过改进传动系统的结构或者使用外部滤波动能来减少谐波。通过结构改进，可以增强电源功能，使其能够使用12或更多脉冲的传动，使用1个受控整流器，或者改善传动的内部滤波功能见表1。

表1 各种因素及其影响

（2）使用6脉冲二极管整流器。

在三相交流传动中最常用的整流器电路是6脉冲二极管整流桥。它包含6个不可控整流器或二极管以及一个电抗器，该电抗器与一个直流电容器共同形成一个低通滤波器，可以对直流电流进行平流处理。电抗器可以位于直流或交流端，也可以完全不用。6脉冲整流器操作简单，价格便宜，但是产生的5次、7次和11次低次谐波较大，尤其是在平波电抗较小的情况下。

（3）使用12脉冲或24脉冲二极管整流器。

12脉冲整流器是将两个6脉冲整流器并联起来为1个公共直流母线供电。整流器的输入带有1个三绕组变压器。变压器的副边有30°的相位偏移。采用这种布局的好处是电源端的一部分谐波处于相反相位，因而被抵消掉了。从理论上来说，在变压器原边能看到的最低频率谐波成分是11次。

该结构的缺点是需要采用特殊变压器，与6脉冲整流器相比成本高。

24脉冲整流器由两个并联的12脉冲整流器组成，带有两个三绕组变压器，变压器有15°相位偏移。该结构的好处是几乎可以消除所有低频谐波，但是成本高。对于高功率单传动或者大型多传动系统来说，24脉冲系统可能是较经济的解决方案，谐波畸变也小。

（4）使用相控晶闸管整流器。

将6脉冲整流器中的二极管更换为晶闸管，即可得到相控整流器。因为晶闸管需要一个触发脉冲才能从非导电状态转换到导电状态，晶闸管开始导通时的相位角可以产生延迟导通。让触发角度产生90°以上的延迟，可以使直流总线电压为负值。这样直流母线就可以反馈给电网再生功率。

标准直流母线和逆变器配置不允许更改直流电压的极性，更常见的方法是连接另外一个晶闸管桥，并与第一个晶闸管采用反并联方式，以便允许电流极性反转。在这种配置下，第一个桥组在整流模式下导通，第二个桥组在再生模式下导通。

相控整流器的电流波形与6脉冲二极管整流器类似，但是因为它们的功率吸收伴有交变位移功率因数，所以部分负载的功率因数很差，从而导致视在电流很高，绝对谐波电流高于二极管整流器。

除了这些问题之外，相控变频器还会导致设备电压波形中出现换流缺口。缺口的角位置随触发角而变化。

（5）使用IGBT整流桥。

与相位换流元件构成的整流器桥相比，采用由自换向元件构成的整流器桥有若干优势和潜在益处。与相位换流整流器一样，这种硬件结构可以实现整流和再生功能。此外，它还可以不受功率流向的影响，分别控制直流电压值和位移功率因数。它主要有如下优势：在主电源中断的情况下可以保证安全功能；即使在弱磁区内也能提供高度灵活的传动控制；可以产生无功功率；接近正弦的电源电流，谐波成分少。IGBT在低频下的谐波非常低，在高频下则有些高；电压升高能力。如果电源电压较低，可以升高直流电压，确保电机电压高于电源电压。

它的主要缺点是因为需要IGBT整流桥和额外的滤波功能，所以成本高。

（6）使用较大的直流或交流电抗器。

电压源交流传动可以通过在其交流输入或直流总线端连接一个足够大的电抗器来显著降低谐波。目前的趋势是同时减小变频器和电抗器的尺寸（在一些情况下完全不用电抗器）。

3.2 降低谐波的其它方法

在谐波畸变逐渐增加的工业厂房设备中可以通过滤波来降低谐波，在新建厂房设备中还可以采用全面的滤波方案。基本的滤波方法有两种：无源滤波器和有源滤波器。

（1）调谐的单臂无源滤波器。

调谐有臂无源滤波器应该用来处理系统中产生较明显谐波处的最低谐波成分。对于主要为工业负载供电的系统来说，这个成分很有可能是5次谐波。在调谐频率以上的谐波会被吸收，但是在该频率以下的谐波可能会被放大。

（2）调谐的多臂无源滤波器。

这种滤波器中有一个电抗器，该电感器与1个电容器组串联。该无源滤波器的最佳位置是靠近产生谐波的负载。一般来说新系统不使用这种解决方案。该滤波器有若干个调谐臂，针对系统内两个或多个最低的较明显谐波频率进行操作。多臂滤波器的谐波吸收能力比单臂系统要好。多臂无源滤波器经常用于通过专用变压器为整个系统供电的大型直流传动系统。

（3）外部有源滤波器。

在谐波源处设置有缘滤波装置，滤波装置产生特定的谐波与负载谐波相互抵消，谐波源附件的谐波电流较少时，就可以降低谐波电压，使电网畸变减轻，减少谐波对供电系统的影响。它与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，且可消除与系统阻抗发生谐振危险，但存在容量大、价格高的特点。