高壓變頻器的諧波研究與分析

摘　要：當電動機容量較大時，大功率變頻器的輸入諧波對電網(wǎng)的影響以及輸出諧波對電動機的影響成為了交流變頻系統(tǒng)中突出的問題。為了減小大功率變頻器的諧波，普遍采用多脈動整流、變壓器耦合輸出、多電平和單元級聯(lián)技術(shù)，形成了以多脈動整流拓撲或多電平拓撲為輸入級、以變壓器耦合輸出或多電平輸出拓撲為輸出級的大功率變頻器主電路，以及多重化結(jié)構(gòu)的大功率變頻器主電路。本文對目前幾種有代表性的高壓變頻器主電路拓撲及輸入輸出諧波進行了分析，并與IEEE-519標準進行比較，研究了變頻器的諧波特性。

關(guān)鍵詞：多重化　多電平　單元級聯(lián)　變壓器耦合輸出

1 引言

由于大功率風機、水泵的變頻調(diào)速方案可以收到顯著的節(jié)能效果,具有重大的經(jīng)濟效益,因此,高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的研究已發(fā)展成為各國節(jié)能事業(yè)的主導方向之一。電力電子變流電路仍然是變頻技術(shù)的核心,由于電力電子器件都工作于開關(guān)狀態(tài),由這些電路構(gòu)成的裝置已成為電力系統(tǒng)中的主要諧波源,變頻器輸出的諧波電流會引起諧振和諧波電流放大,危害旋轉(zhuǎn)電機和變壓器,影響繼電保護和電力測量準確性。近年來,圍繞抑制諧波電流,研究人員在電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)等方面提出了不同的整流和逆變方案,形成了多樣化的大功率變頻技術(shù)。請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息

本文系統(tǒng)地歸納了高壓大功率變頻器的結(jié)構(gòu)，研究了各類變頻器的諧波抑制原理，深入分析了高壓大功率變頻器的輸入、輸出諧波，并以IEEE-519規(guī)定為標準，進行了比較研究，為變頻器的選擇提供了參考。

2 諧波抑制標準(IEEE-519)簡介

為了限制變流裝置及非線性負載對電力系統(tǒng)的諧波干擾，世界各國及相關(guān)組織都制定了有關(guān)標準，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。其中最具權(quán)威性的是美國電氣和電子工程協(xié)會(IEEE)制定并作為美國國家標準(ANSI)的IEEE-519。該標準詳細分析了波形畸變的原因及其影響;確定了判別畸變程度的參量;制定了對電力系統(tǒng)中波形畸變的限制;介紹了波形畸變的分析方法和控制措施等，對從事大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員具有指導性的作用。

IEEE-519中的限制均是針對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時提出的“最差”條件，暫態(tài)過程中允許出現(xiàn)超過此標準的情況。表1列出了IEEE-519對電壓諧波的限制標準。

表1 IEEE-519對電壓諧波的限制標準

表2列出了低于6.9kV的供電系統(tǒng)中，在不同的短路比(短路比SCR定義為最大短路電流IS與平均設(shè)定最大負載電流IL之比)條件下，其諧波電流值和總諧波畸變系數(shù)(THD)值的限制，而偶次諧波限制在奇次諧波的25%以下。因此，按照電力電子裝置容量與電力系統(tǒng)短路容量之比，正確選擇主電路聯(lián)結(jié)形式(等效相數(shù)、脈波數(shù))和控制方式，就十分重要。

表2 IEEE-519對電流諧波的限制值

3 高壓變頻器輸入諧波分析

3.1 多脈動整流抑制輸入諧波的基本原理

多重移相疊加技術(shù)是由A.Kernick等人早在1962年提出的。該技術(shù)采用脈動寬度為60°的6脈動三相全波整流(或等效三相全波整流)作為基本單元，使m組整流電路的交流側(cè)電壓依次移相α=60°/m，則可組成脈動數(shù)為p=6m的多脈動整流。其脈動數(shù)p、組數(shù)m、移相角α及對應(yīng)的諧波次數(shù)h之間的關(guān)系如表3所示。

表3 多脈動整流的組成

對于12脈動整流，整流變壓器為常規(guī)接法的Y/Y-12(或Δ/Δ-12)和Y/Δ-11或(Δ/Y-1)，二者交流側(cè)副方電壓互相移相30°，直流側(cè)并聯(lián)(或串聯(lián))后組成12脈動整流。

對于18脈動及以上的整流，整流變壓器繞組采用曲折接線(Z接線)實現(xiàn)，各整流單元并聯(lián)(或串聯(lián))，共同向負載供電。只要滿足m組6脈動整流交流側(cè)的電壓U(n)(n=1,2,……,m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脈動的多相整流。具體變壓器組別選擇情況如表4。