簡論變頻器廣泛應用對電力系統的影響

(3) 采用高頻整流電路，改善整流波形，提高功率因數，直流電壓可調節;

(4) 逆變環節采用高開關頻率高的電力電子器件，如MOSFET，IGBT等，可以提高載波頻率比，抑制變頻器輸出端的高頻諧波。

(5) 在逆變環節采用多重化技術，提高脈波數，使輸出的電流電壓波形更加接近正弦波。但重數越多電路越復雜，可靠性會隨之降低，三重化電路可以兼顧輸出波形質量和設備可靠性，較理想。

2.3.2 采用合適的控制策略

從變頻器控制器這一點出發，可采用更合適的控制策略或者在原來的控制策略基礎上作點優化和改進，原理上更大限度地減少諧波的產生。以實際應用中常用的正弦脈寬調制法(SPWM)法和特定消諧法(SHE)法為例。

根據SPWM基本理論，當調制波頻率為fr，載波頻率為fc，載波頻率比N=fc/fr，單極性SPWM控制在輸出電壓中產生N-3次以上的諧波，雙極性SPWM控制在輸出電壓中產生N-2次以上的諧波。比如，N=25，采用單極性SPWM控制，低于22次的諧波全被消除，采用雙極性SPWM控制，低于23次的諧波全被消除。

但輸出電壓頻率較高的時候，由于受到元件開關頻率的限制，N值不可能大，SPWM控制的優勢就不太明顯了，這個時候選擇SHE法可以在開關次數相等的情況下輸出質量較高的電壓、電流，降低了對輸入、輸出濾波器的要求。

2.3.3 采取濾波電路

在變頻器外部采取措施，綜合考慮變頻器注入電網的特征諧波以及個別變頻器的特有非特征諧波特性，制訂濾波方案對污染源進行治理。也即通常說的先污染，后治理。只用濾波器效果并不理想，與上述二類方法配合作用更見效。

(1) 若變頻器輸入側沒有裝設專用變壓器，可在輸入側接入交流電抗器(ACL)使整流阻抗增大，抑制高次諧波電流。

(2) 在變頻器和電網系統間的電力回路中使用交流濾波器。交流濾波器有調諧濾波器和二次型濾波器，調諧濾波器用于單次諧波的吸收，而二次型濾波器則適用于多個高次諧波的吸收，一般兩者組合使用，消除某個單次諧波同時濾除某次及以上的諧波。

(3) 在變頻器輸出端加LC濾波器可以濾除變頻器輸出的高次諧波，且可以延長PWM的上升沿，減小dV/dt，從而抑制變頻輸出過電壓。如果采用LC濾波器接外殼，還可以濾除變頻器輸出的零序分量，避免零序電壓經定子繞組與定、轉子邊的寄生電容產生的電流對電機等設備造成損失。

5 變頻器輸入電流不對稱

5.1 輸入電流不對稱及其影響

工業應用中的交直交電壓型變頻器往往采用三相橋式結構，低載運行時交流電源輸入側輸入電流不對稱會引起三相功率因數不平衡現象。這主要是由于中間直流環節不是無窮大容量，在實際運行中存在充放電過程，變頻器滿載運行時，輸入輸出電流接近額定值，充放電電流影響不大，但是變頻器在啟動后未達到額定功率前或者在低載的狀態穩定運行的情況下，由于輸入輸出電流也非常的小，充放電電流的影響就不能忽略。下面以圖5所示交直交變頻器為例，對低載工況下，充放電電流引起的輸入電流不對稱現象產生原理進行簡單分析。

圖5 交直交電壓型變頻器拓撲結構

輸入三相對稱電壓Ua、Ub、Uc，頻率為0，一般來說輸入為工頻電壓，0=50Hz。直流環節電壓Uc波形如圖6所示，為一系列紋波。則直流側電容相應的充放電電流iD 波形如圖7所示，其頻率為3 ?0，變頻器逆變環節的輸入電流i2主要由變頻器負載特性決定，對純阻性負載而言，i2應該是一系列正弦半波，如圖8所示。由圖5可見變頻器整流環節輸出電流i1應是i2和iD的矢量疊加，疊加后的波形如圖9所示。根據三相全控橋式6脈波整流原理可以推得變頻器輸入側三相電流如圖10、11、12所示，顯然三相波形嚴重不對稱，A相電流的有效值較B、C兩相都大。

則在一定的有功輸入情況下，由于輸入電壓三相對稱，計算得到A相的視在功率比B、C兩相大，因此A相的無功功率較大，功率因數較低，三相功率因數出現不平衡。本文分析是A相表現得功率因數偏低，實際變頻設備運行時，根據其輸出頻率以及整流、逆變環節控制方式的不同，功率因數偏低現象有可能出現在B相或者C相。

5.2 實際測試結果

為驗證變頻器輸入電流不對稱引起的功率因數不平衡現象，以杭州市某自來水廠使用的變頻器為例，于2005年11月14日采用TOPAS1000電能質量測試儀對變頻器輸入側進行了測試。該變頻器輸入工頻380(V)3相交流電，送出5～9kHz的二次交流電，二次電壓為540(V)左右，測試期間逐步梯次增加變頻器輸入有功功率，逐次記錄不同有功功率水平下的輸入電壓、電流、視在功率以及功率因素。

輸入功率為33kW時，在變頻器輸入端測量得到電流波形如圖13所示，可見B相電流較A、C兩相差別很大，隨著輸入功率的增加，B相電流和A、C兩相的電流波形越來越接近，圖14和圖15分別是輸入功率為54kW和85kW時輸入側電流波形。不同功率水平下測得的輸入電壓、電流、視在功率和功率因數的對比如表1所示。顯然，輸入功率為33kW時，三相的功率因數顯著不平衡，B相的功率因數明顯偏低，輸入功率為54kW，B相功率因數有了很大改善，輸入功率增加到85kW，B相功率因數和A、C兩相已然差別不大。