变频器的电能质量问题及解决措施

本文从电能质量的概念入手，结合变频器的内部结构的相关知识，简要分析了电能质量与变频器之间的相互影响，在此基础上着重提出了变频器系统中所应用的解决方案。

1引言

采用变频器驱动的电动机系统,因其节能效果显著、调节方便维护简单，而在工业中得到广泛应用。变频器给人们的生产、生活带来方便和效率的同时，使电力系统的非线性负荷明显增加，谐波污染加重，从而导致矛盾的局面；而电力系统一方面要承受变频器带来的污染，同时，又会由于系统因各种因素产生的电能质量问题影响变频器运行的稳定性。

2电能质量及其等级划分

IEC （ 1000-2-2/4 ）标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性”。 IEEE Std.1100-1999将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与主布线系统及其它相关装置相协调的方式驱动、保护电子装置”。简而言之， “电能质量”是“任何明显引起电压、电流或频率偏移并由此导致用户装置故障或误动作的电能问题”。

不论如何表达，“电能质量”的概念中应包括电能供应中所要考虑的一切方面，这些方面可以分成如下三类：

（1）电压和频率的偏差：过电压、欠电压、频率偏差。

（2）电压和电流的波形：电压跌落、电压突升、电压波动和闪变、谐波、三相不对称。

（3）供电连续性：瞬时断电，暂时断电，持续断电。

每一项的定义，按照 IEEE Std.1159-1995，如图 1 所示：

图1 IEEE Std.1159-1995中的有关定义

电能质量等级的划分是以电能质量的定义为基础，以用户的要求为根据，以变电站的承受能力为条件所制订的。每个变电站所连接的负荷类型是各不相同的，而不同的负荷必然会对电能质量提出不同的要求。在这些要求高于电站所能达到的水平时，电站就要进行代价利益分析：或者低于用户提出的标准，或者采取措施，提高本身的供电质量，满足用户的要求。权衡折衷之后，对上面提到的各个方面规定出不同的补偿目标，制定出合适的电能质量等级。一般而言，常将电能质量分为常质（ normal quality ）、优质（ premium quality ）、高质（ high quality ）电力三个级别。

3、电能质量的干扰原因

电能质量直接关系到电力系统的供电安全和供电质量，从技术上讲，影响电能质量的因素主要包括三个方面：

（1）自然现象的因素，如雷击、风暴、雨雪等对电能质量的影响，使电网发生事故，造成供电可靠性降低。

（2）电力设备及装置的自动保护及正常运行的因素，如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响，使额定电压暂时降低、产生波动与闪变等。

（3）电力用户的非线性负荷、冲击性负荷等大量投运的因素，如炼钢电弧炉、电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、产生电压扰动、产生电压波动与闪变等。

4、变频器对电能质量的影响

对于电力系统来说，变频器对电能质量的影响主要表现为谐波的污染。目前应用较多的变频器主电路为交-直-交结构（如图2所示），它是把工频（50HZ）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，电机的转速和电源的频率是线性关系。

图2 变频器为交-直-交结构

变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，即外部输入为工频电源，经三相桥式不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可调的交流信号。变频器就是利用这一原理将50Hz的工频电通过整流和逆变转换为频率可调方向的交流电源。这些都是由非线性原件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波。另外变频器输入端的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响。

变频器输入侧产生谐波机理：对于变频器而言，只要是电源侧有整流回路的，都将产生因非线性引起的谐波。以三相桥整流电路为例，交流电网电压为一正弦波，交流输入电流波形为方波，对于这个波形，按傅氏级数可分解为基波和各次谐波，通常含有6m±1(m=1,2,…)次谐波，其中高次谐波干扰电网。单个基波与几个高次谐波组合一起被称为畸波。如图3所示：

图3 基波与高次谐波 畸波

变频器输出侧产生谐波机理：在逆变输出回路中，输出电压和输出电流均有谐波。由于变频器是通过CPU产生6组脉宽可调的SPWM波控制三相的6组功率元件导通/关断，从而形成电压、频率可调的三相输出电压。

其输出电压和输出电流是由SPWM波和三角载波的交点产生的，不是标准的正弦波，如电压型变频器，其输出电压波形为方形波，用傅氏级数分解电压方波和电流正弦锯齿波可分析出包含较强的高次谐波成分，高次谐波对设备产生很强的干扰，甚至造成设备不能使用，周围仪器信号失真。

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

5、电能质量问题对变频器的影响

对于变频器来说，电能质量问题所造成的影响主要表现以下：

（1）电压偏差超标会使用电设备的损耗增加、寿命缩短、工作不正常，会破坏电力系统同步运行的稳定性、电压的稳定性以及电网的经济运行，会引起变频器系统报过压故障或欠压故障。

（2）电压的波动和闪变主要由波动性负荷引起，其超标会危害与其连接在公共供电点的其他用户的设备，如使电机转速不均匀和人机界面及电子设备工作不正常等，这将会导致变频器报过流故障、驱动故障等，以及人机界面死机或监控界面电压电流显示不准确等现象。

（3）谐波由谐波源（非线性设备和负荷）注入系统，会影响系统设备中功率器件、电解电容、变压器、电缆 、电压互感器等的使用寿命，威胁系统的安全运行，增加系统的功率损耗，增大测量仪表的误差，干扰通信等。使变频器系统在运行中出现驱动故障、过热故障、光纤故障等。

（4）三相不平衡会使发电机工作不正常，增加变压器的附加损耗造成其局部过热，继电保护及自动装置误动，变频器产生非特征谐波，增加中性线电流产生电噪声干扰，增加输电线损耗，干扰通信等。使变频器在运行中报缺相故障，若三相长时间出现严重不平衡，还会导致变频器系统的三相冷却风机和功率单元内部三相小变压器等严重烧毁，从而导致过热故障、光纤故障等一系列故障。

（5）电力系统稳定运行时，全系统有相同的频率。在允许的频率偏差范围内，主要是引起变频器设备的效率问题；当偏差超过范围，则会危及变频器设备的安全，严重时甚至造成系统瓦解崩溃。

（6）暂时过电压和瞬态过电压以及电压跌落和短时供电中断的问题，会直接影响变频器系统的正常运行，一般会引起过压故障、欠压故障，针对直流供电工作的功率单元在电压跌落和短时供电中断的情况下，还可能出现缺相故障，针对交流供电工作的功率单元在电压跌落和短时供电中断的情况下，则可能出现光纤故障。

从上述分析中可以得知，电能质量低下对变频器造成的故障主要包括：驱动故障、过压故障、欠压故障、缺相故障、过流故障、过热故障。这些故障有两种情况，一种情况属于瞬时故障，从用户现场返回后，经过多次试验，故障都无法再现，给故障分析增加了很多困难；另一种情况则造成严重损失，IGBT、SCR、电解电容等大面积损坏。

6、解决方法

针对以上电能质量问题，解决方法主要有以下几种：

（1）在高压大功率变频器中，采用多相脉冲整流，可以将谐波限制在比较小的情况下。输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差。对于6kV系列变频器，变压器副边绕组分5级或7级。对5级产品，每级电压700V，相互间移相12°，构成30脉冲整流方式；对于7级产品，每级电压460V，相互间移相8.57°，构成42脉冲整流方式，通过多级。

对于10kV系列，变压器副边绕组分8级，每级电压700V，相互间移相7.5°，构成48脉冲整流方式。通过这种多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立单元引起的谐波电流，可以大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，使其负载下的网侧功率因数达到0.95以上。

（2）采用无源滤波器或有源滤波器。使用无源滤波器主要是改变在特殊频率下的电源的阻抗，吸收负荷所产生的高次谐波电流，既具有滤波作用还具有无功补偿的作用；而使用有源滤波器主要是补偿非线性负载，它是由具有换向能力的半导体元件GTO和直流电流源组成，通过GTO的导通和采用PWM控制方式，调制出和负荷产生的谐波电流大小相等、极性相反的电流，与谐波电流相抵消从而达到滤波效果。

在实际运用中，采用无源滤波器和有源滤波器互补混合使用的方式，充分发挥无源滤波器结构简单、成本低，有源滤波器补偿性能好的优点，从而使整个系统获得良好的性能。

（3）变频器功率单元内部的单元控制板采用三电平PWM方式，也称NPC（Netural Point clamped,中点钳位）方式。与普通的二电平PWM方式相比，由于输出相电压电平数增加到3个，每个电平幅值相对下降，且提高了输出电压谐波消除算法的自由度，可使输出波形质量比二电平方式有较大的提高。

（4）设置电容器进行人工补偿。电容器分为并联电容器和串联电容器。并联电容补偿主要是为了改变网络中无功功率分配，从而抑制电压的波动，提高用户的功率因数、改善电压的质量。串联补偿主要是为了改变线路参数，从而减少线路电压损失，提高线路未端电压并减少电能损耗。

（5）当电机电缆长度大于50米或80米（非屏蔽）时，为了防止电机启动时的瞬时过电压，在变频器与电动机之间安装交流电抗器。如图4所示：

图4串联输出电抗器

（6）使用具有隔离的变压器，可以将电源侧绝大部分的传导干扰隔离在变压器之前。

（7）弱电信号采用光耦隔离，防止由于干扰致使信号采集不准确。

（8）合理布线，屏蔽辐射，在电动机与变频器之间的电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆，并和其他弱电信号线分走不同的电缆沟敷设，降低线路干扰，变频器使用专用接地线。

（9）双PWM能量回馈系统，通过这种方式，可以将产生的再生能量进行充分利用，从而起到即节约电能又处理再生电能的功效。

（10）电源输入侧有冲击过电压、雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压可能发生的情况下，可以在吸收侧并联浪涌吸收装置（脉冲抑制器）或过电压保护器，或串联电抗器等方法加以解决。如图5所示：

图5串联交流电抗器

（11）控制单元的控制电实现双路供电。一路由工频220V整流成直流供电，另一路通过UPS供电，确保工作的可靠性。

（12）在大功率变频器的功率单元中，不仅采用了CR滤波电路，还采用了RCD吸收电路，可以有效地吸收di/dt和du/dt。

（13）在使用单片机、PLC等为核心的控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的信号滤波；另外，还增加了飞车启动、掉电重起（功率单元中的单元控制板采用直流供电方式）、软启动、同步投切以增加系统自身的抗干扰能力。

（14）利用变压器分接头调压。电力降压变压器的高压绕组上，除主分接头外，还有几个附加分接头，若电网电压过高或过低，还可采用改变变压器分接头方式来调节变比，从而达到改变变压器输出电压的目的。

（15）处理好屏蔽和接地。

7、结论

综上所述，可以清楚地了解电能质量与变频器之间的相互影响，在具体治理上可采用多相脉冲整流、无源滤波器、有源滤波器、UPS、过电压保护器等方法，将变频器的谐波控制在最小范围内，并最大限度降低电能质量问题对变频器运行的影响，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电能质量。

（编自《电气技术》，原文标题为“变频器的电能质量问题及解决措施 ”，作者为倪梅娟、张小青、肖如泉。）