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    沈龍大

    男，教授級高工，從事電力電子技術應用、交流直流電氣傳動及自動化、電網無功補償及諧波治理、大功率冶金及電化學電解電源等工作。



    摘  要：介紹了非典型電力負荷（交-交變頻器驅動負荷）的無功和諧波及對策。

    關鍵詞：非典型；電力負荷；交-交變頻器；無功；諧波；對策

    Abstract: This paper analyzes the affect measures for reactive and harmonics in atypical power load (cycloconverter drive load).

    Key words: Untypical; power load; cycloconverter driver; reactive; harmonics; affect measures

    典型的電力負荷以負荷性質可分為電感性負荷、電阻性負荷、電容性負荷，電感性負荷如變壓器、電抗器、電機、感應線圈、鎮流器、扼流圈等，通常以50Hz工頻電源驅動，其電壓相位角具有電流滯后電壓，產生感性無功功率，功率因數較低，所以產生的諧波含量較小；電阻性負荷如白熾燈、電弧、氯堿電解設備、阻性礦熱爐等，理論上其電壓電流相位角為同相位，功率因數很高，接近1，不產生高次諧波；電容性負荷如電容器組、無功補償裝置，其電壓電流相位角為電流超前電壓，產生容性無功功率，與系統容易產生諧波放大和諧振。以供電電源類型可分為工頻交流供電負荷和直流電源供電負荷。工頻交流電源供電負荷如各類交流電動機、樓宇辦公及家用電器等，采用50Hz交流電直接恒速驅動和變頻器調速驅動或晶閘管調壓控制；直流電源供電負荷如直流電動機，是通過二極管或晶閘管整流裝置將50Hz交流電變換成直流電，或采用蓄電池給負荷提供直流電源。

    典型電力負荷的電力參數在理想條件下具有規律性，容易被人們認識和控制，對其產生的無功功率、高次諧波等問題也容易被解決，如直流電動機采用6脈波或12脈波變流器供電，其產生的高次諧波可用來計算，諧波電流含量可用來計算。對6脈波系統理論上主要產生5、7、11、13次等特征諧波，對12脈波系統理論上主要產生11、13、17次等特征諧波，各次諧波電流含量小于20％、14％、9％、7.5％等，功率因數為0.65左右。根據上述典型的諧波次數及含量、系統功率因數，可提出較正確的解決方案。

    非典型電力負荷是指在非理想條件下或在供電電源和用電負荷之間增加中間環節而產生非典型的電力參數，如交-交變頻調速系統、交直交變頻調速系統、中頻加熱爐等，有的產生非特征諧波和旁頻，有的功率因數很高，高次諧波電流含量很大，給采用無源濾波器技術來解決問題帶來很大麻煩。采用有源濾波器當然是最理想的解決方案，但是一次投資成本太高，在目前多數用戶難以接受。

   1 交-交變頻器調速驅動負荷的無功和諧波

   1.1 概述

    進入21世紀，在各行各業傳動領域中已全面應用變頻器調速節能時代，交-交變頻器為直接變頻，是將50Hz工頻交流電直接變換成頻率可變的交流電，具有效率高，過載能力強，耐負荷沖擊能力強，輸出電壓電流為正弦波，低速特性好等特點，已被廣泛應用于低速大容量的鋼廠初軋機、低頻輸入輸出輥道、礦山提升機等場所。

    1.2 交-交變頻器的原理結構

    交-交變頻器的主電路結構如圖1所示。 

               

                      圖1   交-交變頻器的主電路結構

    有一臺四繞組或三臺雙繞組整流變壓器供電，三組反并聯連接的晶閘管整流橋式整流器構成，一般為6脈波變流器可以看成是由三組直流可逆系統組成。通過余弦交叉相位控制原理，輸出三相頻率可控的正弦波電壓、正弦波電流。

    1.3 交交變頻器驅動負荷的諧波分析

    由交交變頻器固有的電路結構和相位控制機理所決定，其存在輸入功率因數低，注入電網的諧波豐富，除在理想的條件下，存在特征諧波，諧波電流含量大外，還存在直流分量。同時存在一定含量的間諧波（旁頻）分量。包含高次諧波的拍頻分量，為輸入頻率和輸出頻率之和或之差，其表達式如式（1）所示。

    6脈波時輸入電流中的諧波頻率為及

    12脈波時輸入電流中的諧波頻率為 （1）

    式中為注入電網的諧波頻率，為電網頻率50Hz，為交交變頻器輸出頻率，通常為0～25Hz。輸出電壓中的諧波頻率為，其中P=1、2、3…，n為0和正整數1、2、3…

    交交變頻器輸入電流的頻譜與輸入和輸出頻率有關，設變頻器的輸出電流為 （2）

    式中為輸出電流有效值，為輸出電流角頻率，為輸出電流相對于輸出電壓零點初相位角。

    交交變頻器的輸入電流如式（3）所示。

     （3）
    可以看出交交變頻器注入電網的電流中的諧波頻率和含量。

    由上分析可見，交交變頻器驅動負荷所產生諧波次數、諧波電流值、諧波含有率與輸入電流頻率、變流器結構、輸出電壓、輸出頻率、變流器相數、負荷電流大小有關，由于交交變頻器的相控觸發滯后角受“余弦交叉”調制，，其中，為輸出正弦波電壓幅值與輸出的最大幅值之比。


    使輸出電壓接近正弦波，由于采用相位控制，輸入端需要提供滯后的無功電流，造成交交變頻器的輸入功率因數低，同時存在移相重迭角、觸發移相脈沖的不對稱和電壓調制系數、輸入電流受到輸出波形的調制等因素影響，造成輸入電流中不僅含有典型變流器中的特征諧波，其中k=1、2、3…，P為整流脈波數，主要存在5、7、11、13次等特征諧波，而且含有與輸出頻率有關的非特征諧波。存在旁頻諧波分量。由于采用“余弦交叉”控制機理，使交交變頻器的輸出頻率小于25Hz變化。

      表1   850軋機交交變頻器驅動輸入電流中各種頻率時的諧波電流值
      

  

    表1中負荷以2倍沖擊計算，變頻器的輸入額定電流為220A*2＝440A，可計算出不同頻率時的諧波電流值。

    表2 表示電機工作在基速以下時的諧波電流（基波電流為440A）。

    表3 表示電機工作在基速以上時的諧波電流（基波電流為440A）。

    2 某鋼廠850初軋機交交變頻器驅動的功率因數及諧波分析

    以某鋼廠軌梁850初軋機采用交交變頻器調速驅動，整流變壓器額定容量為5400kVA，額定電壓為kV負荷交流同步電動機額定容量為2500kW*2，額定電壓為1650V，額定電流為980A。

    850軋機同步電動機的調速范圍為0～100/200rpm，相應交交變頻器的輸出頻率＝0~6.67/13Hz，在基速以下（N<100rpm），其電壓調制系數r正比于轉速或變頻器輸出頻率，變頻器額定輸入電流為220A，2倍沖擊時為440A，在基速以上（N>100rpm），變頻器額定輸入電流為220A，計算出變頻器輸入電流中的各種諧波頻率時的諧波電流值，如表1所示。

    由表1可見，當電機轉速在基速No以下時，變頻器輸入電流中的諧波電流的頻率主要分布在250、350、650Hz范圍，如表2所示。在基速以上時，諧波電流的頻率比低速時要寬，且分布在其整數次諧波的左右，即“旁頻”，如表3所示。

    大容量交交變頻驅動的軋機負荷，由于晶閘管在換相過程中吸收大量的無功功率，其大小隨晶閘管相位控制角的變化而變化，變換頻率在基速以下，變頻器的功率因數越低，如表4所示。

   表4  表示不同頻率時的功率因數

   
    交交變頻器的輸入電流諧波含量隨輸出電壓的升高而減小，在基速以下各次諧波電流含量隨升速而降低，當轉速高于額定轉速時諧波電流含量基本不變。

    表5表示輸入電流諧波含有率隨交交變頻器輸出電壓變化規律。

    表5  輸入電流中諧波含有率隨交交變頻器輸出電壓的變化規律

    

    整流變壓器一、二次側中諧波電流含量與接線方式有關。在多臺交交變頻器工作時，適當選擇供電變壓器的連接組別，可降低低次諧波電流，使電網電流畸變率、電壓畸變率減小。

    3 對交交變頻器驅動的功率因數低、諧波污染的對策

    3.1 優化和改善交交變頻器結構

    （1）交交變頻器功率變換器件采用半控型晶閘管（SCR）和自關斷器件直接并聯的混合型主回路結構，如圖2所示。同時給晶閘管和GTO控制脈沖，同時觸發，晶閘管以電流自然換流為滯后功率因數，GTO（IGBT）以自身換流為超前功率因數，以提高交交變頻器功率因數。
                  

                                    圖2   混合型交交變頻器

    （2）供電變壓器的多重化，使輸出波形接近正弦波，以減小高次諧波，減小諧波含量，如圖3所示。
                   
                                     圖3   多重化交交變頻器

    （3）多臺交交變頻器組合運行時，優化變壓器繞組接線方式，以減小低次諧波含量。

    （4）采用正弦波脈寬調制控制技術（SPWM），以減小高次諧波。

    （5）采用有環流控制技術，以提高交交變頻器的輸出頻率接近工頻。

    4 增設無功補償及諧波濾波裝置

    針對交交變頻器存在功率因數低，高次諧波分量嚴重且存在旁頻等問題，擬在高壓側或在整流變壓器二次側加無功補償及諧波濾波裝置。具無功補償和諧波濾波功能，要求補償裝置具有快速動態補償功能，通常在高壓側設置SVC-TCR動態補償系統或在變壓器的二次側設置低壓動態SVC-TSC補償裝置，濾波器為3、5、7、11、13次，二階高通濾波器，以吸收特征諧波及旁頻，穩定電網電壓，提高功率因數，高壓側動態補償系統如圖4所示。

                 

                            圖4   SVC-TCR動態補償系統原理圖

    5 應用實例效果

    某鋼廠中板軋機為交交變頻器驅動交流同步電動機負荷，電機功率為5000kW，最大有功功率6084kW，最大無功功率為9018kvar，功率因數低，小于0.56，除含有大量3、5、7、11、13次特征諧波（I5 次為115.8A，I7 次為52.8A，I11 次為31.2A，I13 次為19.2A等均超出國家標準），還含有大量旁頻諧波；給供電電網造成較大危害，在6kV系統采用了SVC-TCR無功補償諧波濾波裝置，FC設置3、5、7、11次二階高通濾波器，動態補償采用TCR系統，FC容量分別為：3次為1.2Mvar，5次為4.2Mvar，7次為3Mvar，11次為1.8Mvar，TCR容量為8.5Mvar。

    裝置投入運行后取得了顯著效果，如表6所示。

               表6   濾波器投運前后的諧波電流等參數對比表

              

    參考文獻：

    [1] 王兆安等.諧波抑制和無功功率補償(第二版). 機械工業出版社，2005，10.

    [2] PELLY B R..Thyristor phase-controlled converters and cycloconverters[M].New York:Wiley,1971.

    [3] K.S.Smith.L.Ran Input current Harmonic Analysis of pseudo 12-pluse 3-phase to 6-phase cycloconverters. In: IEEE Tran. On PowerElec., 1996,11(4 ).

    其他作者：

    沈達鵬，工程師，電力自動化專業，從事工業自動化技術，主持完成首都機場T3航站托盤自動回收項目、北京南站樓宇自動化項目、多項冶金業轉爐自動化項目、高爐自動化項目、燒結自動化項目等工作。

    張偉華，2002年至今一直從事無功補償及諧波濾波等電氣設備的方案設計及機械設計和電氣設計工作。參與、組織過多次重要產品的提高、升級工作。從事此工作以來，設計過幾百項無功補償及濾波項目。