高压变频器的谐波分析

高压变频器的谐波分析
高压变频器的整流和逆变线路都使用了电力电子器件的开关特性，在其输入和输出端都会产生波形畸变，对供电线路和负载电机造成有害的影响。因此高压变频器的谐波含量是决定其性能和应用效果的重要参数之一。在这一讲中，我们将对这种谐波影响的机理和消除方法作一介绍。
2.1 谐波对供电电源的影响
对供电电源而言，高压变频器的开关特性形成一个非线性负载。这种非线性负载改变了交流电力线路中电流的正弦波特性，从而在交流电力系统中产生有害的高次谐波。这种谐波影响的机理如图1所示。
图中，PCC为配电线路的公共供电点，变频器为连接于该点的谐波源，其谐波电流经过电源内阻的耦合作用，造成PCC点交流电压的波动。此谐波电压将使连接PCC点上的通讯设备、计算机及其他用电设备受到干扰，严重时不能正常工作。又由于电源内阻Zs的电阻极小，可忽略不计，基本上是一个电抗。当电网上接有功率因数补偿器等电容负载时，电源电抗有可能和负载电容形成谐振，这个谐振频率接近于谐波源的某个谐波频率时，会在PCC点上产生很高的谐波电压。为此，必须使变频器的谐波电流减小到一定程度，才不会对电路中的其他设备造成有害的影响。
2.2 IEEE-519简介
为了限制变流装置对电力系统的谐波干扰，有利于电力电子装置的推广应用，世界各国都相继制定了有关的国家标准，以保证电网的供电质量。其中最具权威性的是美国电气和电子工程协会(IEEE)制定并作为美国国家标准(ANSI)的IEEE-519。
IEEE-519在1981年首次颁布，称为“IEEE std.519-1981 关于静态功率变换器的谐波控制和无功补偿的指南 ”。1992年经修订后又重新发布了“IEEE std.519-1992”,称为 “IEEE对电功率系统中谐波控制的要求和推荐标准 ”。该标准详细分析了波形畸变的原因及其影响; 确定了判别畸变程度的参量; 制定了对电力系统中波形畸变的限制; 介绍了波形畸变的分析方法和控制措施等，对从事大功率变频调速系统开发和应用的工程技术人员具有指导性的作用。
IEEE中用来判别波形畸变的最主要指标是畸波系数(或谐波系数) DF:
式中Hi为基波的幅值，Hn为n次谐波的幅值。分子表示所有谐波的均方根(RMS)值。
另外，标准中常使用的两个指标有:
THD: 总谐波畸变(Total Harmonic Distor-tion)，是以正常基波电压的百分比表示的谐波电压总畸变值。
实际上，对同一个波形而言:
THD = DF
TDD: 总指令值畸变 (Total Demand Distor-tion)，是以最大指令负载电流(15或30分钟指令)的百分比表示的谐波电流畸变。
表1列出IEEE对公共供电点(PCC)处电压畸变的限制要求:
表1可用于正常运转条件下(连续运行1小时以上) “最坏情况”的系统设计。短期起动或非正常条件下，限制值可超过50%。
另一方面，从前面的分析我们已经知道，一个非线性负载造成的畸变电压，还与该负载的电流在电源阻抗上产生的压降大小有关，即与负载容量的大小有关。为此引入参数Isc/IL，表示在PCC点上电源短路电流与最大基波负载电流之比。其中，IL为最大基波指令负载电流，从以前12个月期间最大指令的平均电流计算得到。IEEE允许负载容量较小的用户引入供电点的谐波电流可以大一些，这有利于合理分配用电和合理设计变流装置。表2给出了不同Isc/IL值下对变流设备谐波的限制。
2.3 我国关于波形畸变限制的规定
我国国家标准GB12668-90“交流电动机半导体变频调速装置总技术条件”中对交流输入电源规定: 电压的稳态相对谐波含量的均方根值不超过10%。其中任何奇次谐波均不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%，短时(持续时间小于30秒)出现的任意一次谐波含量不超过10%。
2.4 谐波分析
用计算机的谐波分析程序可计算高压变频器的谐波电流和这些谐波电流电源供电点上产生的电压波形畸变。如果电源阻抗小，短路容量大，计算出的总谐波畸变(THD)小于IEEE 519的规定，变频器的投入就不会对供电点上其他用电器带来问题。如果THD超出规定范围，就必须增加输入滤波器。设计程序可帮助设计者选择滤波器的参数，直到达到要求为止。谐波分析需要的输入数据包括:
- 电源阻抗及输入变压器阻抗
- 变频器型号及有关参数
- 电机型号、有关参数及负载特性曲线
- 依据的波形畸变和功率因数限制标准
以图2(a)中的SCR电流型变频驱动系统为例，设变频器从电网的输入端为电源的PCC点，以额定容量3750kVA为基准的标准电源阻抗为0.05，变频器是2400V，1600kW，当没有滤波器时可计算得出其电流波形(参见图2(b))，和各项谐波分量及总谐波畸变值。数据表明，其总电流波形畸变THD=29.4%，总电压波形畸变THD=10.4%，均超过IEEE-519标准的要求。
当引入图3(a)所示的滤波器后，仿真计算表明(参见图3(b))，电流的THD降为7%，电压的THD降为3%，均达到IEEE 519的标准。
2.5 谐波对电机及驱动负载的影响
高压变频器输出电流谐波对电机及拖动负载同样会造成有害