非线性负荷谐波特性的分析与评估_2

第二章 几种非线性负荷谐波特性研究

2.1 变频调速装置（VFD）

近年来，随着全社会对工业生产、居民生活等各个用电领域节能、环保、高效等要求的提高，电动机变频调速运行得到极大的关注。而电力电子技术、微电子技术及电机控制理论的发展为电动机的变频调速提供了技术上的支持。在这种环境下，电动机调速系统有了很大发展。容量从几十瓦到上千千瓦的变频调速已投入到工业及商业应用。

2.1.1 变频调速的分类与拓扑结构

变频调速依据电能的变换方式可分为间接变频方式和直接变频方式两种，如图2－1所示。

a）间接变频方法 b）直接变频方法

间接变频方式又称交－直－交变频方式，是将交流电通过整流器变换为直流电，再用逆变器将直流电变为频率、电压可调的交流电供给异步电动机。这种变频器又可分为以下两种类型： 1） 电压型变频调速，图2－2所示： ~

L

图2－2 电压型PWM 变频器主电路

整流输出经电感电容滤波，具有恒压源特性。逆变器对三相交流异步电

动机提供可调的电压与频率相关的交流电源。这种变频器以其控制特性好、可靠性高、便于模块化生产得到最为普遍的应用，接下来的有关讨论中主要针对这类变频技术。

2）电流型变频调速，图2－3所示，整流输出经电抗器滤波，具有恒流源特性，供给异步电动机电压的大小及频率的数值是由输出电流确定的。这种方式电能可返回电源，适于四象限运行和要求快速制动的场合。

图2－3 采用PWM方式的电流型变频器

直接变频方式又称交－交变频方式，是利用晶闸管的开关作用，从频率固定的交流电源上控制输出不同频率的交流电供给异步电动机进行调速，如图2－4所示。

图2－4 输出星形联结方式三相交－交变频电路 由于这种变换方式本身的限制，频率只能做整数分之一的变化且不能超过同步速运转，限制了这类变频调速技术的应用。但由于这一方法效率高、投资小，这一调速方法已在中低速领域内，作为驱动大容量异步电动机调速而被广泛应用[15，16，17]。

2.1.2 变频器类非线性负荷的评估

通用的变频器类负荷的评估流程如图2-5所示，其中：

ˆI—基波电流大小

1

ˆ

I—h次谐波电流大小

h

ˆ

I—m个谐波源时h次谐波电流大小

mh

图2-5 变频器谐波评估流程

分类依据及说明：

1、低压（<500V）变频器：国内外几乎所有的低压变频器几乎都是6脉冲交直交电压型主电路结构形式。

高压（>1～10kV）变频器：高电压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构；目前常用的中高压变频器中使用的变流功率器件，有SCR,GTO,IGBT，IGCT等[15]。

2、中高压变频器：

（1）三电平PWM电压源型变频器(NPC)：整流电路标准配置为12脉冲整流电路，当电网要求较高时，仍需采用输入谐波滤波器。

（2）单元串联多电平PWM电压源型变频器(CSML)：该变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联方式实现直接高压输出，具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、无须使用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置的特点[16]。

归纳总结文献[30]~文献[36]后可得各种中高压变频器在不同类型下及低压变频器在有无电抗器时的谐波含量分别如表2-1，2-2所示：

表2-1 中高压变频器谐波含量（%）

分类标

准

谐波次数

VSI/CSI 脉动数 5 7 111317 19 2325 29 35 37

6 21 12.8 8.8 6.8 5.3 4.5 3.

7 3.2 2.6

GTO 等 0 0 8.4 6.90 0 3 2.6 0

CSI

12

SCR 2.6 1.0 8.6 6.0 2.60 3.4 2.5 0 1.7 1.7

12 0 0 6.4 3.30 0 1.1 1.1 0

18 2.6 1.6 0.70.4 1.50.90 0 0

VSI

串联多

重化

0.01 0 0 0 2.75 1.930 0 0

表2-2 低压变频器谐波电流含量（%）

谐波次数

类型

57 11131719

无电抗器 6541 8.57.7 4.3 3.1

ACL 3814.57.4 3.4 3.2 1.9

DCL 3013 8.4 5.0 4.7 3.2

ACL+DCL 289.17.2 4.1 3.2 2.4

一般配电系统变压器的容量远大于变频器容量的（如大于10倍以上）影响小，如10倍以下建议加进线交流电抗器。但当单台变频器容量为300～500kW时，可考虑使用单独供电变压器，更经济实用或多台变频器总容量较大时，也可考虑用单独供电变压器。交流电抗器串联在电源与变频器的输人侧之间，其主要功能有：

a、通过抑制谐波电流，将功率因数提高至（0.75-0.85）；

b、削弱输入电路中的浪涌电流对变频器的冲击；

c、削弱电源电压不平衡的影响。

3、负载率的影响

如果整流电路直流侧接的是逆变器等负载，则其直流侧电流可能会受到负载的调制，从而引起交流侧谐波电流的变化以及产生非特征次谐波。故当VFD的负载率变化时，谐波电流含有率也将有相应的变化。此处由MATLAB中搭建的模型得出典型数据，并由典型数据拟合出谐波含有率随负载率变化的数学规律如式（2-1）到（2-4）所示。

图2-6 负载率对变频器谐波含量的影响

由仿真结果可知负载率的变化对13次谐波的影响已经非常小，由所查文献也可知负载率的变化主要是影响的5，7次谐波，故仅对这几次谐波含量所受负载率的影响做了研究。

表2-3 谐波含有率随负载率变化的仿真值

x 25% 50%75%90%100%150%y5 45 34292726 22 y7 21 118 8 7 7 y11 8 7 6 5 5 3 y13 5

3

3

3

3

3

x—负载率 yh—h 次谐波电流含有率（%）

以下为h 次谐波含有率yh 随负载率x 变化的拟合方程及其系数：

43251234123450.2399, 1.011, 1.617,1.266,0.6802

()y x p x p x p x p x p p p p p p −−=⋅+⋅+⋅+⋅+=====56 （2-1）

5432712345123456()2.791,10.82,15.19,9.232, 2.079,0.0695

y x p x p x p x p x p x p p p p p p p =⋅+⋅+⋅+⋅+⋅+==−==−== （2-2）