沈龙大

    男，教授级高工，从事电力电子技术应用、交流直流电气传动及自动化、电网无功补偿及谐波治理、大功率冶金及电化学电解电源等工作。



    摘  要：介绍了非典型电力负荷（交-交变频器驱动负荷）的无功和谐波及对策。

    关键词：非典型；电力负荷；交-交变频器；无功；谐波；对策

    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

    典型的电力负荷以负荷性质可分为电感性负荷、电阻性负荷、电容性负荷，电感性负荷如变压器、电抗器、电机、感应线圈、镇流器、扼流圈等，通常以50Hz工频电源驱动，其电压相位角具有电流滞后电压，产生感性无功功率，功率因数较低，所以产生的谐波含量较小；电阻性负荷如白炽灯、电弧、氯碱电解设备、阻性矿热炉等，理论上其电压电流相位角为同相位，功率因数很高，接近1，不产生高次谐波；电容性负荷如电容器组、无功补偿装置，其电压电流相位角为电流超前电压，产生容性无功功率，与系统容易产生谐波放大和谐振。以供电电源类型可分为工频交流供电负荷和直流电源供电负荷。工频交流电源供电负荷如各类交流电动机、楼宇办公及家用电器等，采用50Hz交流电直接恒速驱动和变频器调速驱动或晶闸管调压控制；直流电源供电负荷如直流电动机，是通过二极管或晶闸管整流装置将50Hz交流电变换成直流电，或采用蓄电池给负荷提供直流电源。

    典型电力负荷的电力参数在理想条件下具有规律性，容易被人们认识和控制，对其产生的无功功率、高次谐波等问题也容易被解决，如直流电动机采用6脉波或12脉波变流器供电，其产生的高次谐波可用来计算，谐波电流含量可用来计算。对6脉波系统理论上主要产生5、7、11、13次等特征谐波，对12脉波系统理论上主要产生11、13、17次等特征谐波，各次谐波电流含量小于20％、14％、9％、7.5％等，功率因数为0.65左右。根据上述典型的谐波次数及含量、系统功率因数，可提出较正确的解决方案。

    非典型电力负荷是指在非理想条件下或在供电电源和用电负荷之间增加中间环节而产生非典型的电力参数，如交-交变频调速系统、交直交变频调速系统、中频加热炉等，有的产生非特征谐波和旁频，有的功率因数很高，高次谐波电流含量很大，给采用无源滤波器技术来解决问题带来很大麻烦。采用有源滤波器当然是最理想的解决方案，但是一次投资成本太高，在目前多数用户难以接受。

   1 交-交变频器调速驱动负荷的无功和谐波

   1.1 概述

    进入21世纪，在各行各业传动领域中已全面应用变频器调速节能时代，交-交变频器为直接变频，是将50Hz工频交流电直接变换成频率可变的交流电，具有效率高，过载能力强，耐负荷冲击能力强，输出电压电流为正弦波，低速特性好等特点，已被广泛应用于低速大容量的钢厂初轧机、低频输入输出辊道、矿山提升机等场所。

    1.2 交-交变频器的原理结构

    交-交变频器的主电路结构如图1所示。 

               

                      图1   交-交变频器的主电路结构

    有一台四绕组或三台双绕组整流变压器供电，三组反并联连接的晶闸管整流桥式整流器构成，一般为6脉波变流器可以看成是由三组直流可逆系统组成。通过余弦交叉相位控制原理，输出三相频率可控的正弦波电压、正弦波电流。

    1.3 交交变频器驱动负荷的谐波分析

    由交交变频器固有的电路结构和相位控制机理所决定，其存在输入功率因数低，注入电网的谐波丰富，除在理想的条件下，存在特征谐波，谐波电流含量大外，还存在直流分量。同时存在一定含量的间谐波（旁频）分量。包含高次谐波的拍频分量，为输入频率和输出频率之和或之差，其表达式如式（1）所示。

    6脉波时输入电流中的谐波频率为及

    12脉波时输入电流中的谐波频率为 （1）

    式中为注入电网的谐波频率，为电网频率50Hz，为交交变频器输出频率，通常为0～25Hz。输出电压中的谐波频率为，其中P=1、2、3…，n为0和正整数1、2、3…

    交交变频器输入电流的频谱与输入和输出频率有关，设变频器的输出电流为 （2）

    式中为输出电流有效值，为输出电流角频率，为输出电流相对于输出电压零点初相位角。

    交交变频器的输入电流如式（3）所示。

     （3）
    可以看出交交变频器注入电网的电流中的谐波频率和含量。

    由上分析可见，交交变频器驱动负荷所产生谐波次数、谐波电流值、谐波含有率与输入电流频率、变流器结构、输出电压、输出频率、变流器相数、负荷电流大小有关，由于交交变频器的相控触发滞后角受“余弦交叉”调制，，其中，为输出正弦波电压幅值与输出的最大幅值之比。


    使输出电压接近正弦波，由于采用相位控制，输入端需要提供滞后的无功电流，造成交交变频器的输入功率因数低，同时存在移相重迭角、触发移相脉冲的不对称和电压调制系数、输入电流受到输出波形的调制等因素影响，造成输入电流中不仅含有典型变流器中的特征谐波，其中k=1、2、3…，P为整流脉波数，主要存在5、7、11、13次等特征谐波，而且含有与输出频率有关的非特征谐波。存在旁频谐波分量。由于采用“余弦交叉”控制机理，使交交变频器的输出频率小于25Hz变化。

      表1   850轧机交交变频器驱动输入电流中各种频率时的谐波电流值
      

  

    表1中负荷以2倍冲击计算，变频器的输入额定电流为220A*2＝440A，可计算出不同频率时的谐波电流值。

    表2 表示电机工作在基速以下时的谐波电流（基波电流为440A）。

    表3 表示电机工作在基速以上时的谐波电流（基波电流为440A）。

    2 某钢厂850初轧机交交变频器驱动的功率因数及谐波分析

    以某钢厂轨梁850初轧机采用交交变频器调速驱动，整流变压器额定容量为5400kVA，额定电压为kV负荷交流同步电动机额定容量为2500kW*2，额定电压为1650V，额定电流为980A。

    850轧机同步电动机的调速范围为0～100/200rpm，相应交交变频器的输出频率＝0~6.67/13Hz，在基速以下（N<100rpm），其电压调制系数r正比于转速或变频器输出频率，变频器额定输入电流为220A，2倍冲击时为440A，在基速以上（N>100rpm），变频器额定输入电流为220A，计算出变频器输入电流中的各种谐波频率时的谐波电流值，如表1所示。

    由表1可见，当电机转速在基速No以下时，变频器输入电流中的谐波电流的频率主要分布在250、350、650Hz范围，如表2所示。在基速以上时，谐波电流的频率比低速时要宽，且分布在其整数次谐波的左右，即“旁频”，如表3所示。

    大容量交交变频驱动的轧机负荷，由于晶闸管在换相过程中吸收大量的无功功率，其大小随晶闸管相位控制角的变化而变化，变换频率在基速以下，变频器的功率因数越低，如表4所示。

   表4  表示不同频率时的功率因数

   
    交交变频器的输入电流谐波含量随输出电压的升高而减小，在基速以下各次谐波电流含量随升速而降低，当转速高于额定转速时谐波电流含量基本不变。

    表5表示输入电流谐波含有率随交交变频器输出电压变化规律。

    表5  输入电流中谐波含有率随交交变频器输出电压的变化规律

    

    整流变压器一、二次侧中谐波电流含量与接线方式有关。在多台交交变频器工作时，适当选择供电变压器的连接组别，可降低低次谐波电流，使电网电流畸变率、电压畸变率减小。

    3 对交交变频器驱动的功率因数低、谐波污染的对策

    3.1 优化和改善交交变频器结构

    （1）交交变频器功率变换器件采用半控型晶闸管（SCR）和自关断器件直接并联的混合型主回路结构，如图2所示。同时给晶闸管和GTO控制脉冲，同时触发，晶闸管以电流自然换流为滞后功率因数，GTO（IGBT）以自身换流为超前功率因数，以提高交交变频器功率因数。
                  

                                    图2   混合型交交变频器

    （2）供电变压器的多重化，使输出波形接近正弦波，以减小高次谐波，减小谐波含量，如图3所示。
                   
                                     图3   多重化交交变频器

    （3）多台交交变频器组合运行时，优化变压器绕组接线方式，以减小低次谐波含量。

    （4）采用正弦波脉宽调制控制技术（SPWM），以减小高次谐波。

    （5）采用有环流控制技术，以提高交交变频器的输出频率接近工频。

    4 增设无功补偿及谐波滤波装置

    针对交交变频器存在功率因数低，高次谐波分量严重且存在旁频等问题，拟在高压侧或在整流变压器二次侧加无功补偿及谐波滤波装置。具无功补偿和谐波滤波功能，要求补偿装置具有快速动态补偿功能，通常在高压侧设置SVC-TCR动态补偿系统或在变压器的二次侧设置低压动态SVC-TSC补偿装置，滤波器为3、5、7、11、13次，二阶高通滤波器，以吸收特征谐波及旁频，稳定电网电压，提高功率因数，高压侧动态补偿系统如图4所示。

                 

                            图4   SVC-TCR动态补偿系统原理图

    5 应用实例效果

    某钢厂中板轧机为交交变频器驱动交流同步电动机负荷，电机功率为5000kW，最大有功功率6084kW，最大无功功率为9018kvar，功率因数低，小于0.56，除含有大量3、5、7、11、13次特征谐波（I5 次为115.8A，I7 次为52.8A，I11 次为31.2A，I13 次为19.2A等均超出国家标准），还含有大量旁频谐波；给供电电网造成较大危害，在6kV系统采用了SVC-TCR无功补偿谐波滤波装置，FC设置3、5、7、11次二阶高通滤波器，动态补偿采用TCR系统，FC容量分别为：3次为1.2Mvar，5次为4.2Mvar，7次为3Mvar，11次为1.8Mvar，TCR容量为8.5Mvar。

    装置投入运行后取得了显著效果，如表6所示。

               表6   滤波器投运前后的谐波电流等参数对比表

              

    参考文献：

    [1] 王兆安等.谐波抑制和无功功率补偿(第二版). 机械工业出版社，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：

    沈达鹏，工程师，电力自动化专业，从事工业自动化技术，主持完成首都机场T3航站托盘自动回收项目、北京南站楼宇自动化项目、多项冶金业转炉自动化项目、高炉自动化项目、烧结自动化项目等工作。

    张伟华，2002年至今一直从事无功补偿及谐波滤波等电气设备的方案设计及机械设计和电气设计工作。参与、组织过多次重要产品的提高、升级工作。从事此工作以来，设计过几百项无功补偿及滤波项目。