高压变频器对电网的影响

高压变频技术主讲人：边春元2011年8月内容介绍高压变频器对电网的影响三电平PWM电压源变频器原理三电平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高压变频器对电动机的影响三电平PWM逆变控制策略大容量多电平变换器发展概述IGCT系统现存问题初步探讨功率器件概述三、高压变频器对电网的影响本讲主要从使用高压变频器后对电网的谐波污染、功率因数的影响等方面讨论高压变频器对电网的影响。变频器对电网的影响主要取决于变频器整流电路的结构和特性。1、高压变频器对电网的谐波污染近年来，高压变频器的应用越来越广泛，由于高压变频器容量一般较大，占整个电网的比重较为显著，所以高压变频器对电网的谐波污染问题已经不容忽视。许多场合下，由于采用了输入谐波电流较高的变频器，产生了严重的谐波污染问题。从本质上而言，任何高压变频器或多或少会产生谐波污染，只是程度不同而已。三、高压变频器对电网的影响（续）解决谐波污染有两种办法：1）采取谐波滤波器，对高压变频器产生的谐波进行治理，以达到供电部门的要求，也即通常所说的“先污染，后治理”的办法；2）采用产生谐波电流较小的变频器，变频器本身基本上不对电网造成谐波污染，即采用所谓的“绿色”电力电子产品，从本质上解决谐波污染问题。电网谐波污染控制的标准：1）国际应用较普遍标准：IEEE519—19922）我国的谐波控制标准：国标GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》三、高压变频器对电网的影响（续）晶闸管整流电路谐波分析：6脉波晶闸管整流电路。6脉波晶闸管整流电路输入波形。三、高压变频器对电网的影响（续）三、高压变频器对电网的影响（续）•输入电流中含有很高的谐波分量，输入电流的5次谐波可达20%，7次谐波可达12%。•由于晶闸管的快速换相，还会产生一定的高次谐波，可达35次以上，高次谐波会对电话等通信线路产生一定的干扰。•整流电路总的谐波电流失真约为30%，所以一般要设置输入谐波滤波器。•滤波器体积庞大，且影响系统的效率，额外增加投资，滤波器的设计与电网参数和负载工况都有关系，一旦参数和工况发生变化，滤波器又得重新调整，十分不便，且影响滤波效果。三、高压变频器对电网的影响（续）12脉波晶闸管整流电路。三、高压变频器对电网的影响（续）12脉波晶闸管整流电路输入波形。三、高压变频器对电网的影响（续）•整流器由两组晶闸管整流桥串联而成，分别由输入变压器的两组二次绕组（星形和三角形互差30度电角度）供电。如变压器的二次交流电压为2000V时，每组整流桥能产生最高2800V左右的直流电压，两组整流桥串联后直流电压约为5600V。•在每组整流桥中可以采用单个额定电压为5kv的晶闸管，避免了器件的直接串联，这是12脉波整流电路呆了的一大优点。•另一优点是大大改善了输入电流波形，降低了输入谐波电流，总谐波电流失真约为10%左右。三、高压变频器对电网的影响（续）晶闸管整流电路输入谐波电流：输入谐波电流失真。三、高压变频器对电网的影响（续）•12脉波整流电路还不能达到规定的电网短路电流小于20倍负载电流时总谐波电流失真小于5%的要求。因此，也要安装谐波滤波装置。•12脉波结构时采用的输入变压器还起到承受变频器产生的绝大部分共模电压的作用，使电动机绝缘不受影响。当然，变压器在设计时也要考虑能够承受一次侧和二次侧的谐波电流。在电流源型变频器中：一般利用电流环通过调节晶闸管的触发延迟角，进一步调节直流整流电压来实现对直流环节电流的闭环控制，当滤波电抗器较小时，电流脉动增加，电流环的控制作用会恶化，各个晶闸管的导通时间会不一致，这种情况下，还会产生不规则的谐波分量。三、高压变频器对电网的影响（续）二极管整流电路谐波分析：12脉波二极管整流电路。整流电路由两组6脉波的二极管整流桥串联而成，采用大电容进行滤波，形成电压源型整流电路结构。三、高压变频器对电网的影响（续）•目前，二极管工业应用最高电压为6000左右，二极管的正向压降很低，6000V、3700A的二极管，正向压降可低到1.7V。•电网电压较高时，可采用二极管串联，也可采用整流桥串联，在实现多重化同时，避免器件直接串联。•在整流桥输出和滤波电容之间可以串入直流电抗器，可减少输入电流的谐波分量，然而会带来弊端，影响滤波电容对变压器输入浪涌电压的吸收效果。•由于整流后直流电压基本保持恒定，所以输出侧逆变器必须采用PWM控制。•二极管整流电路的输入谐波电流取决于电网侧阻抗和直流电抗器的大小。三、高压变频器对电网的影响（续）•由于采用二极管不可控整流，换相在对线电压最小时才发生，导致di/dt非常小；尤其当电源侧阻抗较大时，换相更加缓慢，使高次谐波电流相对于晶闸管整流电路大大降低。12脉波二极管整流电路输入波形。三、高压变频器对电网的影响（续）•为了满足IEEE529—1992对应的5%的谐波电流失真的要求，对6脉波二极管整流电路结构需要设置谐波滤波器。•由于二极管整流电路的谐波分量随着谐波次数的增加而急剧下降，所以采用12脉波整流结构后，二极管整流电路的谐波失真会大大降低，可接近7%左右。•晶闸管整流电路和二极管整流电路除了6脉波结构和12脉波结构外，还可以采取更高脉波数的结构，如18脉波、24脉波，输入谐波也会随着降低，但会导致系统结构复杂，成本增加。•大多数PWM电压源型变频器采用二极管整流电路，若整流采用PWM控制，则可做到输入电流基本为正弦波，谐波电流很低。•单元串联多电平变频器采用多重化结构，输入脉波数很高。比如6kv电压等级的变频器，输入为30脉波整流结构，总的谐波电流失真可低于1%，不加任何滤波器就可以满足电网对谐波失真的要求。称“完美无谐波”高压变频器。三、高压变频器对电网的影响（续）2、高压变频器的输入功率因数在晶闸管电流源型整流电路中，中间直流环节的电压正比于电动机线电压额定值乘以运行点电动机实际的功率因数，再乘以转速百分比。所以直流环节电压会随着转速的下降而很快降低，整流电路晶闸管的触发延迟角必须后移，这样导致输入功率因数很快下降。另一个解释是，由于电流源型变频器的整流器电流和逆变器电流一般相等，负载所需的无功电流会直接反射到电网，导致输入功率因数较低。三、高压变频器对电网的影响（续）coscosinininoutoutoutUIUIinoutII从能量转换角度分析。根据变频器输入、输出功率关系，有对电流源性变频器，一般，所以cos[/()]cos[/()]cosinoutinoutnomoutUUff三、高压变频器对电网的影响（续）可见，普通电流源型变频器的输入功率因数较低，且会随着转速的下降而跟着线形下降，为了解决输入功率因数较低的问题，往往需要设置功率因数补偿装置，同时也起到了消除部分谐波电流的作用。功率因数补偿装置既增加成本和体积，又降低了系统的效率和可靠性。由于存在谐波，在一定的参数配合下，功率因数补偿电容可能引起并联谐振现象，危及电容器本身和附近电气设备的安全，因此，在并联电容器组的设计中，必须考虑谐波放大问题，通常可采取避开谐振点的方法，即无论是集中补偿和分散就地补偿的电容器组，均要串联适当的电抗器。三、高压变频器对电网的影响（续）二极管整流电路功率因数在0.96以上，不必设置功率因数补偿装置。直流环节滤波电容在逆变器功率器件的开关周期提供负载所需的无功电流，所以不会反映到整流器输入侧，导致输入功率因数较高，输入变压器和整流器所需处理的电流下降，有利于提高系统的整体效率。采用全控型电力电子器件构成的PWM型整流电路，其功率因数可调，可以为1，也可做成超前功率因数，对电网起到无功补偿的作用。单元串联多电平PWM变频器功率因数在0.95以上。三、高压变频器对电网的影响（续）3、总结采用晶闸管整流的电流源型变频器有较大的输入谐波电流，一般要设置输入谐波滤波器，以满足电网对谐波失真的要求，或者采取更高输入脉波数的结构。其输入功率因数较低，且会随着转速的下降而降低，一般都要设置功率因数补偿装置。二极管整流的电压源型变频器在6脉波输入结构时，输入谐波电流较大，需要采取滤波措施，12脉波结构时，谐波电流失真接近标准要求，在要求不是很高的场合可以直接使用。其输入功率因数较高，一般不必采用功率因数补偿装置。三、高压变频器对电网的影响（续）采用全控型电力电子器件的PWM型整流电路，输入谐波很低，功率因数可调，不必采取谐波滤波器和功率因数补偿装置，属于“绿色”电力电子产品，但由于其成本相对较高，应用受到限制。单元串联多电平PWM变频器输入谐波电流很低，功率因数较高，也属于“绿色”电力电子产品，具有较大的应用前景。