变频器的谐波治理与无功功率补偿

1.变频器的谐波治理与无功功率补偿 随着变频器的广泛应用，变频器的谐波治理与元功功率补偿逐渐被人们所认 识。变频器供电电源按傅立叶级数可以分解为基波有功电流，基波无功电流，谐 波和间谐波电流。 基波无功电流占用电网容量；导致电压波动；在供配电设施产生热损耗；降 低了供配电设施运行可靠性。 谐波和间谐波的集肤效应使输电线等效截面积变小，线路损耗增加；铁芯中 附加高频涡流损耗；谐波和间谐波电流导致电压波形畸变和辐射干扰，引起同一 电网其它负载出力减小，损耗增加，甚至误动作。 变频器用量较大的车间，用电容器直接进行无功力率补偿虽然可以大副度降 低基波无功电流，但是必然出现谐波放大现象。这时，供电电流和电容器电流中 谐波和间谐波电流大副度增加，电容器由于高温和过压而损坏，供电变压器温升 加大。为避免谐波电流大幅度增加，电容器由于高温和过压而损坏，供电变压器 温升加大。为避免谐波放大，谐波治理与无功功率补偿必须同时进行。 从基波无功电流，谐波和间谐波电流的危害上可看出：采用就地谐波治理与 无功功率补偿可以获得最大的效益。根据上海坤友电气有限公司的经验，采用就 地谐波治理与无功功率补偿，一年或一年半时间即可从节能中回收全部投资。 2.变频器的谐波治理与无功功率补偿 根据变频器分类，变频器的谐波治理与无功功率补偿装置分为： 含各次滤波器的 KY-TSC 动态无功功率补偿装置；6％电抗的 KY-TSC 动态无 功功率补偿装置固定投入各次滤波器的装置，由于有源滤波器技术和价格的原因， 目前还难在国内推广。 2.1 交－直－交电流型变频器 电网通过可控硅三相全控桥给变频器供电，功率因数角约等于控制角 A。供 电电流包含 6±1次谐波（K＝1、2、3…），并且在直流电流无脉动的理想情况下， N次谐波电流含量是基波电流的 1／N。实际上，直流电流脉动导致五次谐波和七 次谐波含量增加，大于七次谐波的高次谐波含量减少。就地实现谐波治理和无功 功率补偿是安装含各次滤波器的 KY-TSC 动态无功功率补偿装置。装置中计算机 根据基波无功功率投入一定数量的五次、七次、十一次和十三次滤波器。滤波器 对基波呈容性，补偿基波无功功率；滤波器对谐波呈现很小的电感，滤除各次谐 波补偿无功功率。 2.2 交－交变频器 电网通过可控硅三相可逆整流桥给变频器供电，功率因数很低。从电电流不 仅包含 6K±1 次谐波（K＝1、2、3…），还在谐波附近出现间隔为变频器输出频 率的间谐波。用五次、七次、十一次和十三次滤波器可以滤除谐波，但是滤波器 器对一些间谐波呈容性，必然产生间谐波放大现象。 就地实现谐波、间谐波治理和无功功率补偿是安装 6％电抗的 KY-TSC 动态 无功功率补偿装置。特点是对五次和五次以上谐波和间谐波都呈感性，没有谐波 放大现象。对五次、七次谐波和五次、七次谐波附近的间谐也有一定的滤波效果。 2.3 交－直－交电压型变频器 电网通过三相二极管整流桥给变频器供电，功率因数大于 0.97。由于二极 管整流桥仅在电压峰顶开通，对电容器充电，电流波形是导通角较窄的尖锋。供 电电流包含 6K±1 次谐波（K＝1、2、3…），谐波含量随进线电抗和直流滤波电 抗的电感量增加而减少。一般来说，加电抗器后五次谐波、七次谐波十一次谐波 和十三次谐波仍然占 40％、35％、25％和 20％。 对供电变压器还有其它感性负载的场合，可以安装含各次滤波器的 KY-TSC 动态无功功率补偿装置；对几乎全是交－直－交电压型变频器的车间由于不需要 补偿基波无功功率需要滤除谐波无功功率，应安装固定投入各次滤波器的装置。 为了防止轻载过补偿对电网电压的提升，该滤波器应该具有提供的基波容性抗器 应在设计时考虑谐波发热和过压问题。 3.变频器的谐波治理与无功功率补偿的原理和应用 下面就上海坤友电气有限公司 KY-TSC 动态无功功率补偿装置和固定投入的 滤波装置的结构作原理作简要介绍。 KY-TSC 动态无功功率补偿装置其特点是晶闸管电子开关将滤波器投入、退 出电网速率为 10MS，无功补偿动态响应时间 15MS，各次谐波滤除率 80％以上。 滤波器为 L－C 串联滤波器，可以设计成五次、七次、十一次、十三次滤波器或 6％电抗滤波器。 如果负载相电流分别为 IA、IB和 IC，其对应无功电流分量的有效值是 IAQ （T）、IBQ（T）和 ICQ（T），采用形电容器接法，线间补偿电流的有效值分别为 IAB（T）、IBC（T）和 ICA（T）。线间应投入多少单位电容量 NAB（T）、NB（T） 和 NCA（T）的计算方法如下：3.1从包含谐波的负载相电流 IB和 IC 中计算负载 三相无功电流 IAQ（T）、IBQ（T）和 ICQ（T）： 式（1）中 KD为动态微分系数，无功电流变化小时 KD＝O，以保证检测精确 性；无功电流变化大时，KD＝1，以保证检测的快速性。 式（2）中 A为检测系数矩阵，其中 SIN与电网相电压 UA同步。 3.2 根据负载三相无功电流计算三相补偿电流 IAB（T）、IBC（T）和 ICA（T）： 式（3）中为某路电容器全部投入的补偿电流 IMAX与实际补偿电流的差值。 3.3 根据三相补偿电流和网压计算各路应投入多少单位电容 NAQ（T）、NBQ （T）和 NCQ（T）：式（4）中 UABUBCUCA为电网线电压有效值，XC为单位电容器 50HZ 的容抗。 为降低辐身干扰，选用铁芯电抗器。装置的核心技术是晶闸管电子开关高速 率将滤波器投入、退出电网平滑无冲击。装置内计算机还对散热器温度、补偿电 流、电网电压和接触器接点进行监视，在无人值守情况下，实现散热器超温、补 偿电流过流和过载、电网电压氛相和相序错、接触器等故障的保护和容错运行。 装置运行后，不仅使功率因数大于 0.95，而且使谐波电流和电压畸变率均达到 GB／T14549－93国家。 固定投入的滤波装置主回路与图一类似，只不过晶闸管电子开关换成了接触 器。计算机控制系统按一定次序和时间间隔投入各次滤波器。为避免谐波放大， 为减少投切冲击和防止补偿电压提升，电容量应做得较小，使网压提升不超过 1.5％。实际运行时，谐波电流是基波电流的四、五倍。这对铁芯电抗器和谐波 滤波器都有较高的设计要求。装置内计算机对补偿电流过流和过载、电网电压缺 相和相序错、接触器等故障的保护。滤波装置投入运行后，变压器输出电流接近 正弦。