DQZHAN技術訊：變頻器的電能質量問題分析及解決方案
變頻器是工業電動機節能的主要手段，節能效率在30%左右，效果顯著，同時，它還具有**的調速和保護功能。但是變頻器是典型的非線性用電設備，使用過程中會產生大量的特征次諧波，這些諧波污染電網，對用電設備的**穩定性構成嚴重的威脅;同時由于畸變無功的存在，變頻器綜合用電功率因數比較低，嚴重降低了配電設備的使用效率。本文重在介紹一種對變頻器進行針對性的諧波治理和無功補償的設備。
1.前言
“十二五”時期，我國將把大幅度降低能源消耗作為適應社會主義市場經濟要求的長效機制。近年來，經過國內大量變頻節能項目的實施，驗證了變頻節能是一項提高電能高效利用的技術措施，是一項能夠有力推動節能降耗持續運行的雙贏節能技術。
但變頻器群的大量投入帶來的電能質量問題也越來越凸顯，主要表現為配電系統中大量的無功功率往復、降低配電設備的使用率和大量的諧波帶來的用電不穩地問題，這就要求有針對性的設備對變頻器進行無功補償和諧波治理，變頻器專用濾波器應運而生。
2.變頻器帶來的電能質量問題
2.1.問題描述
2.1.1.變頻器群工作時，變頻器出現概率性的保護動作問題，繼電保護誤動作，PLC異常，儀表讀數錯誤，特別是變頻器負荷比例增加時，配電系統不穩定現象惡化趨勢明顯。
2.1.2.變頻器負荷比例比較大的現場，無功補償電容器不能有效投切，電容器容易損壞和燒毀，考核點功率因數難以持續達標。
2.1.3.隨著變頻器負荷的增加，原來正常使用的電纜、變壓器溫升明顯，變壓器噪音異常，配電設備的容量得不到充分的使用。
2.1.4.變頻器驅動的電機發熱嚴重，噪聲尖銳，絕緣、軸承容易損壞。
2.2.電能質量數據
2.2.1.諧波數據
許多文獻資料中給出的變頻器THDI為30%左右，這個結果是建立在變頻器內置了合適的直流電抗器的基礎之上的。國產大部分品牌及部分國際品牌是未內置電抗器的，因此通常情況下變頻器輕載時THDI可以達到140%以上，重載時THDI也在80%左右，如此大的諧波電流畸變率肯定會給接入的系統帶來嚴重的諧波問題。一般弱系統在變頻器負荷比例達到20%左右，強系統在變頻器負荷比例達到40%左右，諧波帶來的不穩定問題就會凸顯。
圖1：75kW變頻器不串聯電抗器的電流波形和頻譜
表格1：某品牌75kW變頻器不串聯電抗器的電流頻譜
表格2：某品牌15kW變頻器出廠實測數據
2.2.2.功率因數數據
認為變頻器功率因數很高的觀念普遍存在，變頻器的相移功率因數的確很高，且電力公司僅考核相移功率因數，所以會有變頻器功率因數的錯覺。
但是由于畸變無功的存在，功率因數引入畸變因子之后，所得出的綜合功率因數是很低的。即便畸變無功功率不被考核，但是這部分無功功率在配電系統中的流動會引起線路和變壓器損耗，占用線路和變壓器容量，降低設備有效使用率。圖2DPF代表相移無功，PF代表綜合功率因數，變頻器類負載實測值差距明顯。
圖2：90kW變頻器50%負荷率時的功率情況
2.3.相關標準
2.3.1.諧波標準
和變頻器相關的諧波標準有GB14549、GB17625和IEEE519、IEC61000-3。
GB14549、IEEE519體現了供電公司與電力用戶之間的責任關系，供電公司使用這個標準保證公用電網的電能質量。
GB17625、IEC61000-3體現了設備制造商與設備用戶之間責任關系，設備用戶使用這個標準來保證采購的設備使用過程中對內不對企業造成危害，對外不為供電公司懲罰。
2.3.2.功率因數標準
水電財字第215號文件對工業用戶要求的功率因數標準為不低于0.90。
變頻器的無功功率由兩部分組成：相移無功和畸變無功。變頻器功率因數比較低的原因是畸變無功較大，綜合功率因數一般為0.6~0.8。純電容補償不能解決畸變無功過大的問題，必須采用變頻器專用濾波器來提高功率因數。
3.變頻器專用濾波器的應用案例
3.1.工程現場問題描述
某陶瓷廠1臺3150kVA變壓器，主要為天然氣站的供電。氣站的氣泵采用某日資品牌的變頻器驅動電機。2014年春節之前沒有特別異常的故障現象，只是電容器損壞比較頻繁;2014年春節之后新增一些變頻器，出現變頻器群偶發、隨機性的直流母線電壓過低保護問題，嚴重影響生產的連續性。
用萬用表測試母線電壓，*小不低于375V，在變頻器適應的電壓范圍之內。進而采用法國CA5335電能質量測試儀測試，正常生產時變壓器出線側電壓為394V，見圖3，電壓畸變率9.7%左右，見圖4;氣站電房距離變壓器出線柜電房100m左右，變頻柜母線電壓為376V，見圖5，電壓畸變率13.2%左右，見圖6。
圖3：3150kVA變壓器出線側電壓波形
圖4：3150kVA變壓器出線側電壓畸變率
圖5：氣站電房變頻柜母線電壓波形
圖6：氣站電房變頻柜母線電壓畸變率
3.2.問題的特殊性
3.2.1.由3.1的數據可以看出，母線電壓在變頻器容許的運行范圍之內，但是電壓波形變成了平頂波。變頻器直流母線主要靠波頭充電，平頂波造成對直流母線的充電不足，直流母線電壓過低、保護。
3.2.2.現場補償電容損壞嚴重，測試發現投入的電容器流入大量的高次諧波，這些諧波加速了電容器的老化，同時惡化了系統中的諧波嚴重程度。
圖7：流入補償電容器電流波形及畸變率
3.2.3.由于現場24小時連續生產，改造出線柜電房普通補償為濾波補償不具備安裝空間和操作條件。
3.2.4.變頻器的相移無功很小，采用LC濾波器不能投入足夠的基波容量，濾波效果難以保障。
3.2.5.變頻器負載率變化范圍比較大，要求濾波器在此范圍內具有良好的濾波特性。
3.3.變頻器電能質量問題的解決方案
本案例的現場問題很明確：變頻器群大量的諧波電流饋入變壓器引起嚴重的電壓畸變，比較長的線路加劇了末端電壓的損失和畸變情況，進而引起變頻器直流母線電壓充電不足，低電壓保護。
3.3.1.傳統的濾波方式有針對變壓器的集中LC無源濾波和APF有源濾波。
3.3.2.本案例由于空間和生產方式的問題，集中LC無源濾波不具有安裝空間和操作條件，無法實施，同時無源濾波在輕負荷時濾波效果不夠理想。
3.3.3.APF有源濾波可以有效的濾除變頻器的諧波，降低母線電壓畸變，但是成本較高，不是*優的解決方案，同時有源濾波有比較大的有功損耗，會持續增加運行成本，不能同時解決功率因數補償問題，也是使用方的顧慮。
3.3.4.變頻器專用濾波器對單臺變頻器電流諧波畸變率可以限制到5%左右，在很寬的負荷率區間內都具有良好的濾波特性，同時兼顧功率因數補償和諧波治理兩個功能，體積較小，可以安裝到變頻柜內，可選擇具有改造條件的變頻器進行配套。
3.3.5.本案例*終采用部分變頻器加裝專用濾波器，限制諧波電流總畸變率到不影響變頻器群穩定運行的方式解決了現場問題。圖8為加裝到變頻柜內的濾波器，圖9、圖10為某臺變頻器濾波效果。
圖8：現場改造后的照片
圖9：5.5kW變頻器90%負荷濾波前諧波電流畸變率
圖10：5.5kW變頻器90%負荷濾波后諧波電流畸變率
表格3：某品牌15kW變頻器濾波后實測數據
表格3為某臺變頻器不同負荷率配套專用濾波器后的濾波效果，可見濾波器在比較寬的負荷率范圍內都具有良好的濾波特性。
4.變頻器專用濾波器適用的范圍
變頻器專用濾波器適用于所有的對電網表現為6脈波整流特性的負載。
4.1.適用負載
對電網表現為六脈波整流負載特性的用電設備有：變頻器，UPS、EPS電源，工業電磁爐，化成電源，充電樁，單晶爐、多晶爐電源，淬火、透熱電源，磁選設備，注塑設備等。
配套型產品可以幫助以上產品滿足EMC認證要求，獲得出口資格。
配套濾波器之后，原本需要12脈波整流方可適應市場要求的用電設備依然采用6脈波整流即可滿足要求，甚至有更好的用電特性。
4.2.適用行業
變頻器、UPS等6脈波整流負載在**，紡織，通訊，拉晶，石油，化工，醫藥，塑料，市政，陶瓷，空調，煤炭等行業均有大量的應用。
這些行業基本都屬于高耗能企業，電能質量的優化從根本上取決于相應的行業設計院在項目投產期就提出相應的電能質量保證方案。
5.常用的濾波設備及效果對比
常用的被動性濾波方式有串聯電抗器，并聯LC濾波器，并聯APF有源濾波器，串聯SSF變頻器專用濾波器，這幾種方式對于變頻器的電能質量問題均能夠取得不同程度的改善效果。
注：Qn為濾波設備額定容量。
6.結束語(意義及建議)
對變頻器類負荷就地進行諧波治理和無功補償，是整個社會對電能質量需求的一種趨勢，也是歐美等發達國家的常規做法。
隨著電力電子技術在日常生活中的應用普及，電能質量問題不僅僅是電力系統中的技術問題，而且是關系到生活、生產質量的社會問題。
電能質量問題在項目實施的過程中就進行控制成本是*低的，等到出問題再實施改造一是重復建造，浪費資源，二是施工難度大，有時候局限于空間問題而不能采取*合理的方案。
就解決設備級電能質量問題來說，變頻器專用濾波器是6脈波整流類負載效果*好，*經濟，*具有性價比的治理設備。
變頻器專用濾波器只解決了變頻器對電源側的電能質量問題，但不能解決負荷側驅動電機的發熱、噪音、絕緣和軸承加速老化問題。改善這類問題需要在變頻器負荷側進一步加裝輸出電抗器或者正弦濾波器。
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