變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償
1 變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償的意義
隨著變頻器的廣泛應用，變頻器供電系統的諧波治理與元功功率補償的意義逐漸被人們所認識。變頻器供電電源按傅立葉級數可以分解為基波有功電游泳流，基波無功電流，諧波和間諧波電流。
基波無功電流占用電網容量；導致網壓波動；在供配電設施產生熱損耗；降低了供配電設施運行可靠性。
諧波和間諧波的集膚效應使輸電線等效截面積變小，線路損耗增加；鐵芯中附加高頻渦流損耗；諧波和間諧波電流導致網壓波形畸變和輻射干擾，引起同一電網下其它負載出力減小，損耗增加，甚至誤動作。
變頻器用量較大的車間，用電容器直接進行無功力率補償雖然可以大副度降低基波無功電流，但是必然出現諧波放大現象。這時，供電電流和電容器電流中諧波和間諧波電流大副度增加，電容器由于超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波電流大副度增加，電容器由于超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波放大，諧波治理與無功功率補償必須同時進行。
從基波無功電流，諧波和間諧波電流的危害上可看出：采用就地諧波治理與無功功率補償可以獲得最大的效益。根據我們的經驗，采用就地諧波治理與無功功率補嘗，一年或一年半時間即可從節能中回收全部投資。
2變頻器供電系統的諧波治于是與無功功率補償方法
根據變頻器分類，變頻器供電系統的就地諧波治理與無功功率補償裝置分為：
含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置；6%電抗的TSC動態無功功率補償裝置固定投入各次濾波器的裝置，由于有源濾波器技術和價格的原因，目前還難在國內推廣。
2.1 交-直-交電流型變頻器
電網通過可控硅三相全控橋給變頻器供電，功率因數角約等于控制角a。供電電流包含6±1次諧波(K=1、2、3…)，并且在直流電流無脈動的理想情況下，n次諧波電流含量是基波電流的1/n。實際上，直流電流脈動導致五次諧波和七次諧波含量增加，大于七次諧波的高次諧波含量減少。就地實現諧波治理和無功功率補嘗是安裝含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置。裝置中計算機根據基波無功功率投入一定數量的五次、七次、十一次和十三次濾波器。濾波器對基波呈容性，補償基波無功功率；濾波器對諧波呈現很小的電感，濾除各次諧波無功功率。
2.2 交-交變頻器
電網通過可控硅三相可逆整流橋給變頻器供電，功率因數很低。從電電流不僅包含6K±1次諧波(K=1、2、3…)，還在諧波附近出現間隔為變頻器輸出頻率的間諧波。用五次、七次、十一次和十三次濾波器可以濾除諧波，但是濾波器器對一些間諧波呈容性，必然產生間諧波放大現象。
就地實現諧波、間諧波治理和無功功率補償是安裝6%電抗的TSC動態無功功率補償裝置。特點是對五次和五次以上諧波和間諧波都呈感性，沒有諧波放大現象。對五次、七次諧波和五次、七次諧波附近的間諧也有一定的濾波效果。
2.3交-直-交電壓型變頻器
電網通過三相二極管整流橋給變頻器供電，功率因數大于0.97。由于二極管整流橋僅在網壓峰頂開通，對電容器充電，電流波形是導通角較窄的尖鋒。供電電流包含6K±1次諧波(K=1、2、3…),諧波含量隨進線電抗和直流濾波電抗的電感量增加而減少。一般來說，加電抗器后五次諧波、七次諧波十一次諧波和十三次諧波仍然占40%、35%、25%和20%。
對供電變壓器還有其它感性負載的場合，可以安裝含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置；對幾乎全是交-直-交電壓型變頻器的車間由于不需要補償基波無功功率需要濾除諧波無功功率，應安裝固定投入各次濾波器的裝置。為了防止輕載過補償對電網電壓的提升，該濾波器應該具有提供的基波容性抗器應在設計時考慮諧波發熱和過壓問題。
3 變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償的原理和應用
下面就北京三義電力電子公司MV系列就地TSC動態無功功率補償裝置和固定投入的濾波裝置的結構作原理作簡要介紹。
TSC動態無功功率補償裝置主回路如圖一所示。其特點是晶閘管電子開關將濾波器投入、退出電網速率為10mS，無功補償動態響應時間15mS，各次諧波濾除率80%以上。濾波器為L-C串聯濾波器，可以設計成五次、七次、十一次、十三次濾波器或6%電抗濾波器。
如果負載相電流分別為ia、ib和ic，其對應無功電流分量的有效值是Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t),采用形電容器接法，線間補償電流的有效值分別為Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。線間應投入多少單位電容量nab(t)、nb(t)和nca(t)的計算方法如下：3.1從包含諧波的負載相電流ib和ic中計算負載三相無功電流Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t)：
式(1)中Kd為動態微分系數，無功電流變化小時Kd=o,以保證檢測精確性；無功電流變化大時，Kd=1,以保證檢測的快速性。
式(2)中A為檢測系數矩陣，其中sin與電網相電壓Ua同步。
3.2根據負載三相無功電流計算三相補償電流Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t): 式(3)中為某路電容器全部投入的補償電流Imax與實際補償電流的差值。
3.3根據三相補償電流和網壓計算各路應投入多少單位電容naq(t)、nbq(t)和ncq(t): 式(4)中UabUbcUca為電網線電壓有效值，Xc為單位電容器50Hz的容抗。
為降低輻身干擾，選用鐵芯電抗器。裝置的核心技術是晶閘管電子開關高速率將濾波器投入、退出電網平滑無沖擊。裝置內計算機還對散熱器溫度、補償電流、電網電壓和接觸器接點進行監視，在無人值守情況下，實現散熱器超溫、補償電流過流和過載、電網電壓氛相和相序錯、接觸器等故障的保護和容錯運行。裝置運行后，不僅使功率因數大于0.95，而且使諧波電流和網壓畸變率均達到GB/T14549-93國家標準。
固定投入的濾波裝置主回咱與圖一類似，只不過晶閘管電子開關換成了接觸器。計算機控制系統按一定次序和時間間隔投入各次濾波器。為避免諧波放大，為減少投切沖擊和防止補償網壓提升，電容量應做得較小，使網壓提升不超過1。5%。實際運行時，諧波電流是基波電流的四、五倍。這對鐵芯電抗器和諧波濾波器都有較高的設計要求。裝置內計算機對補償電流過流和過載、電網電壓缺相和相序錯、接觸器等故障的保護。濾波裝置投入運行后，變壓器輸出電流接近正弦。
隨著變頻器的廣泛應用，變頻器供電系統的諧波治理與元功功率補償的意義逐漸被人們所認識。變頻器供電電源按傅立葉級數可以分解為基波有功電游泳流，基波無功電流，諧波和間諧波電流。
基波無功電流占用電網容量；導致網壓波動；在供配電設施產生熱損耗；降低了供配電設施運行可靠性。
諧波和間諧波的集膚效應使輸電線等效截面積變小，線路損耗增加；鐵芯中附加高頻渦流損耗；諧波和間諧波電流導致網壓波形畸變和輻射干擾，引起同一電網下其它負載出力減小，損耗增加，甚至誤動作。
變頻器用量較大的車間，用電容器直接進行無功力率補償雖然可以大副度降低基波無功電流，但是必然出現諧波放大現象。這時，供電電流和電容器電流中諧波和間諧波電流大副度增加，電容器由于超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波電流大副度增加，電容器由于超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波放大，諧波治理與無功功率補償必須同時進行。
從基波無功電流，諧波和間諧波電流的危害上可看出：采用就地諧波治理與無功功率補償可以獲得最大的效益。根據我們的經驗，采用就地諧波治理與無功功率補嘗，一年或一年半時間即可從節能中回收全部投資。
2變頻器供電系統的諧波治于是與無功功率補償方法
根據變頻器分類，變頻器供電系統的就地諧波治理與無功功率補償裝置分為：
含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置；6%電抗的TSC動態無功功率補償裝置固定投入各次濾波器的裝置，由于有源濾波器技術和價格的原因，目前還難在國內推廣。
2.1 交-直-交電流型變頻器
電網通過可控硅三相全控橋給變頻器供電，功率因數角約等于控制角a。供電電流包含6±1次諧波(K=1、2、3…)，并且在直流電流無脈動的理想情況下，n次諧波電流含量是基波電流的1/n。實際上，直流電流脈動導致五次諧波和七次諧波含量增加，大于七次諧波的高次諧波含量減少。就地實現諧波治理和無功功率補嘗是安裝含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置。裝置中計算機根據基波無功功率投入一定數量的五次、七次、十一次和十三次濾波器。濾波器對基波呈容性，補償基波無功功率；濾波器對諧波呈現很小的電感，濾除各次諧波無功功率。
2.2 交-交變頻器
電網通過可控硅三相可逆整流橋給變頻器供電，功率因數很低。從電電流不僅包含6K±1次諧波(K=1、2、3…)，還在諧波附近出現間隔為變頻器輸出頻率的間諧波。用五次、七次、十一次和十三次濾波器可以濾除諧波，但是濾波器器對一些間諧波呈容性，必然產生間諧波放大現象。
就地實現諧波、間諧波治理和無功功率補償是安裝6%電抗的TSC動態無功功率補償裝置。特點是對五次和五次以上諧波和間諧波都呈感性，沒有諧波放大現象。對五次、七次諧波和五次、七次諧波附近的間諧也有一定的濾波效果。
2.3交-直-交電壓型變頻器
電網通過三相二極管整流橋給變頻器供電，功率因數大于0.97。由于二極管整流橋僅在網壓峰頂開通，對電容器充電，電流波形是導通角較窄的尖鋒。供電電流包含6K±1次諧波(K=1、2、3…),諧波含量隨進線電抗和直流濾波電抗的電感量增加而減少。一般來說，加電抗器后五次諧波、七次諧波十一次諧波和十三次諧波仍然占40%、35%、25%和20%。
對供電變壓器還有其它感性負載的場合，可以安裝含各次濾波器的TSC動態無功功率補償裝置；對幾乎全是交-直-交電壓型變頻器的車間由于不需要補償基波無功功率需要濾除諧波無功功率，應安裝固定投入各次濾波器的裝置。為了防止輕載過補償對電網電壓的提升，該濾波器應該具有提供的基波容性抗器應在設計時考慮諧波發熱和過壓問題。
3 變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償的原理和應用
下面就北京三義電力電子公司MV系列就地TSC動態無功功率補償裝置和固定投入的濾波裝置的結構作原理作簡要介紹。
TSC動態無功功率補償裝置主回路如圖一所示。其特點是晶閘管電子開關將濾波器投入、退出電網速率為10mS，無功補償動態響應時間15mS，各次諧波濾除率80%以上。濾波器為L-C串聯濾波器，可以設計成五次、七次、十一次、十三次濾波器或6%電抗濾波器。
如果負載相電流分別為ia、ib和ic，其對應無功電流分量的有效值是Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t),采用形電容器接法，線間補償電流的有效值分別為Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。線間應投入多少單位電容量nab(t)、nb(t)和nca(t)的計算方法如下：3.1從包含諧波的負載相電流ib和ic中計算負載三相無功電流Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t)：
式(1)中Kd為動態微分系數，無功電流變化小時Kd=o,以保證檢測精確性；無功電流變化大時，Kd=1,以保證檢測的快速性。
式(2)中A為檢測系數矩陣，其中sin與電網相電壓Ua同步。
3.2根據負載三相無功電流計算三相補償電流Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t): 式(3)中為某路電容器全部投入的補償電流Imax與實際補償電流的差值。
3.3根據三相補償電流和網壓計算各路應投入多少單位電容naq(t)、nbq(t)和ncq(t): 式(4)中UabUbcUca為電網線電壓有效值，Xc為單位電容器50Hz的容抗。
為降低輻身干擾，選用鐵芯電抗器。裝置的核心技術是晶閘管電子開關高速率將濾波器投入、退出電網平滑無沖擊。裝置內計算機還對散熱器溫度、補償電流、電網電壓和接觸器接點進行監視，在無人值守情況下，實現散熱器超溫、補償電流過流和過載、電網電壓氛相和相序錯、接觸器等故障的保護和容錯運行。裝置運行后，不僅使功率因數大于0.95，而且使諧波電流和網壓畸變率均達到GB/T14549-93國家標準。
固定投入的濾波裝置主回咱與圖一類似，只不過晶閘管電子開關換成了接觸器。計算機控制系統按一定次序和時間間隔投入各次濾波器。為避免諧波放大，為減少投切沖擊和防止補償網壓提升，電容量應做得較小，使網壓提升不超過1。5%。實際運行時，諧波電流是基波電流的四、五倍。這對鐵芯電抗器和諧波濾波器都有較高的設計要求。裝置內計算機對補償電流過流和過載、電網電壓缺相和相序錯、接觸器等故障的保護。濾波裝置投入運行后，變壓器輸出電流接近正弦。
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