变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿
1 变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿的意义
随着变频器的广泛应用，变频器供电系统的谐波治理与元功功率补偿的意义逐渐被人们所认识。变频器供电电源按傅立叶级数可以分解为基波有功电游泳流，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；导致网压波动；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网压波形畸变和辐射干扰，引起同一电网下其它负载出力减小，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，电容器由于超温和过压而损坏，供电变压器温升加大。为避免谐波电流大副度增加，电容器由于超温和过压而损坏，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。根据我们的经验，采用就地谐波治理与无功功率补尝，一年或一年半时间即可从节能中回收全部投资。
2变频器供电系统的谐波治于是与无功功率补偿方法
根据变频器分类，变频器供电系统的就地谐波治理与无功功率补偿装置分为：
含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置；6%电抗的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尝是安装含各次滤波器的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网压峰顶开通，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 变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿的原理和应用
下面就北京三义电力电子公司MV系列就地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。
TSC动态无功功率补偿装置主回路如图一所示。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，而且使谐波电流和网压畸变率均达到GB/T14549-93国家标准。
固定投入的滤波装置主回咱与图一类似，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网压提升，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。
随着变频器的广泛应用，变频器供电系统的谐波治理与元功功率补偿的意义逐渐被人们所认识。变频器供电电源按傅立叶级数可以分解为基波有功电游泳流，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；导致网压波动；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网压波形畸变和辐射干扰，引起同一电网下其它负载出力减小，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，电容器由于超温和过压而损坏，供电变压器温升加大。为避免谐波电流大副度增加，电容器由于超温和过压而损坏，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。根据我们的经验，采用就地谐波治理与无功功率补尝，一年或一年半时间即可从节能中回收全部投资。
2变频器供电系统的谐波治于是与无功功率补偿方法
根据变频器分类，变频器供电系统的就地谐波治理与无功功率补偿装置分为：
含各次滤波器的TSC动态无功功率补偿装置；6%电抗的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尝是安装含各次滤波器的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网压峰顶开通，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 变频器供电系统的谐波治理与无功功率补偿的原理和应用
下面就北京三义电力电子公司MV系列就地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。
TSC动态无功功率补偿装置主回路如图一所示。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，而且使谐波电流和网压畸变率均达到GB/T14549-93国家标准。
固定投入的滤波装置主回咱与图一类似，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网压提升，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。
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