1、高压变频技术高压变频技术主讲人：边春元主讲人：边春元20112011年年8 8月月内容介绍内容介绍高压变频器对电网的影响高压变频器对电网的影响三电平三电平PWMPWM电压源变频器原理电压源变频器原理三电平三电平PWMPWM整流控制策略整流控制策略PWMPWM整流的基本原理整流的基本原理高压变频器对电动机的影响高压变频器对电动机的影响三电平三电平PWMPWM逆变控制策略逆变控制策略大容量多电平变换器发展概述大容量多电平变换器发展概述IGCTIGCT系统现存问题初步探讨系统现存问题初步探讨功率器件概述功率器件概述三、高压变频器对电网的影响三、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
2、本讲主要从使用高压变频器后对电网的谐波污染谐波污染、功率因数功率因数的影响等方面讨论高的影响等方面讨论高压变频器对电网的影响。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。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、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高压变频器容量一般较大，占整，占整个电网的比重较为显著，所以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高压变频器对电网的谐波污染问题已经不容忽视。已经不容忽视。许多
3、场合下，由于采用了许多场合下，由于采用了输入谐波电流较高输入谐波电流较高的变频器，产生了严重的谐波污染的变频器，产生了严重的谐波污染问题。从本质上而言，问题。从本质上而言，任何任何高压变频器或多或少会产生谐波污染，只是程度不同高压变频器或多或少会产生谐波污染，只是程度不同而已。而已。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）解决谐波污染有两种办法：解决谐波污染有两种办法：1）采取采取谐波滤波器谐波滤波器，对高压变频器产生的谐波进行治理，以达到，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，也即通常所说的供电部门的要求，也即通常所说的“先污染，后治理先污染，后治理”
4、的办法；的办法；2）采用采用产生谐波电流较小的变频器产生谐波电流较小的变频器，变频器本身基本上不对电网，变频器本身基本上不对电网造成谐波污染，即采用所谓的造成谐波污染，即采用所谓的“绿色绿色”电力电子产品电力电子产品，从本质上解，从本质上解决谐波污染问题。决谐波污染问题。电网谐波污染控制的标准：电网谐波污染控制的标准：1）国际应用较普遍标准：国际应用较普遍标准：IEEE51919922）我国的谐波控制标准：我国的谐波控制标准：国标国标GB/T1454993电能质量公用电电能质量公用电网谐波网谐波三、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）晶闸管整流电路谐波分析：晶闸管整流电
5、路谐波分析：6脉波晶闸管整流电路。脉波晶闸管整流电路。6脉波晶闸管整流电路输入波形。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）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次谐波可达次谐波可达20%，7次次谐波可达谐波可达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，次以上，高次谐波会对电话等通信线路产生一定的干扰。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
6、电流失真约为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，所以一般要设置输入谐波滤波器。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。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）三、高压变频器对电网的影响（续）12脉波晶闸管整流电路。脉波晶闸管整流电路。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
7、）12脉波晶闸管整流电路输入波形。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）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度电角度）供电。如变压器的二次交流电压为压为2000V时，每组整流桥能产生最高时，每组整流桥能产生最高2800V左右的直流电压，两组整左右的直流电压，两组整流桥串联后直流电压约为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在每组整流桥中可以采用
8、单个额定电压为5kv的晶闸管，避免了器件的晶闸管，避免了器件的直接串联，这是的直接串联，这是12脉波整流电路呆了的一大优点。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电流失真约为10%左右。左右。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）晶闸管整流电路输入谐波电流：输入谐波电流失真。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）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脉波整流电路还不能
9、达到规定的电网短路电流小于20倍负载电流倍负载电流时总谐波电流失真小于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。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。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：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一般利用电流环通过调节晶闸管的触发延迟角
10、，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。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）三、高压变频器对电网的影响（续）二极管整流电路谐波分析：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脉波的二极管整流桥串联而成
11、，采用大电容进行滤波，形成电压源型整流电路结构。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）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，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。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
12、输入电流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。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。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。小。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）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，导致由于采用
13、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；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。路大大降低。12脉波二极管整流电路输入波形。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）三、高压变频器对电网的影响（续）为了满足为了满足IEEE5291992对应的对应的5%的谐波电流失真的要求，对的谐波电流失真的要求，对6脉波二极管脉波二极管整流电路结构需要设置谐波滤波器。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
14、急剧下降，所以采用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。左右。晶闸管整流电路和二极管整流电路除了晶闸管整流电路和二极管整流电路除了6脉波结构和脉波结构和12脉波结构外，还可以采脉波结构外，还可以采取更高脉波数的结构，如取更高脉波数的结构，如18脉波、脉波、24脉波，输入谐波也会随着降低，但会导致脉波，输入谐波也会随着降低，但会导致系统结构复杂，成本增加。系统结构复杂，成本增加。大多数大多数PWM电压源型变频器采用二极管整流电路，若整流采用
15、电压源型变频器采用二极管整流电路，若整流采用PWM控制，控制，则可做到输入电流基本为正弦波，谐波电流很低。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电压等级电压等级的变频器，输入为的变频器，输入为30脉波整流结构，总的谐波电流失真可低于脉波整流结构，总的谐波电流失真可低于1%，不加任何滤，不加任何滤波器就可以满足电网对谐波失真的要求。称波器就可以满足电网对谐波失真的要求。称“完美无谐波完美无谐波”高压变频器。高压变频器。三、高压变频器对电网的影响（续）三、高压变频器对电网的影
16、响（续）2、高压变频器的输入功率因数、高压变频器的输入功率因数 在在晶闸管电流源型整流电路晶闸管电流源型整流电路中，中间直流环节的电压正比中，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，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。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另一个解释是，由于电流源型变
17、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，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，导致导致输入功率因数较低输入功率因数较低。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）coscosin ininout outoutU IU I inoutII从能量转换角度分析。根据变频器输入、输出功从能量转换角度分析。根据变频器输入、输出功率关系，有率关系，有对电流源性变频器，一般对电流源性变频器，一般 ，所以，所以cos/()cos/()cosinoutinoutnomoutUUff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（
18、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，往往需要往需要设置功率因数补偿装置设置功率因数补偿装置，同时也起到了消除部分谐波电流，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的作用。功率因数补偿装置既增加成本和体积增加成本和体积，又，又降低了系统的降低了系统的效率和可靠性效率和可靠性。由于。由于存在谐波，在一定的参数配合下，功率因数存在谐波，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
19、容器本身和附近电气设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备的安全，因此，在并联电容器组的设计中，必须，因此，在并联电容器组的设计中，必须考虑谐波放大考虑谐波放大问题，通常可采取避开谐振点的方法问题，通常可采取避开谐振点的方法，即无论是，即无论是集中补偿和分散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）三、高压变频器对电网的影响（续）二极管整流电路二极管整流电路功率因数在功率因数在0.96以上，不必设置功率因数补以上，不必设置功率因数补偿装置。偿装置。直流环节滤波电容在逆变器功率器件的
20、开关周期提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供负载所需的无功电流，所以不会反映到整流器输入侧，导，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。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采用全控型电力电子器件构成的PWM型整流电路型整流电路，其功率因，其功率因数可调，可以为数可调，可以为1，也可做成，也可做成超前功率因数，对电网起到无功超前功率因数，对电网起到无功补偿的作用。补偿的作用。单元串联多电平单元串联多电平PWM变频器变
21、频器功率因数在功率因数在0.95以上。以上。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）3、总结、总结采用采用晶闸管整流的电流源型变频器晶闸管整流的电流源型变频器有较大的输入谐波电流，一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。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二极管整流的电压源型变频器在
22、在6脉波输入结构时，输入谐波电脉波输入结构时，输入谐波电流较大，需要采取滤波措施，流较大，需要采取滤波措施，12脉波结构时，谐波电流失真接脉波结构时，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。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）三、高压变频器对电网的影响（续）采用采用全控型电力电子器件的全控型电力电子器件的PWM型整流电路型整流电路，输，输入谐波很低，功率因数可调，不必采取谐波滤波入谐波很低，功率因数可调，不必采取谐波滤波器和功率因数补偿装置，属于器和功率因数补偿装置，属于“绿色绿色”电力电子产电力电子产品，但由于其成本相对较高，应用受到限制。品，但由于其成本相对较高，应用受到限制。单元串联多电平单元串联多电平PWM变频器变频器输入谐波电流很低，输入谐波电流很低，功率因数较高，也属于功率因数较高，也属于“绿色绿色”电力电子产品，具电力电子产品，具有较大的应用前景。有较大的应用前景。
