简论变频器广泛应用对电力系统的影响

(3) 采用高频整流电路，改善整流波形，提高功率因数，直流电压可调节;

(4) 逆变环节采用高开关频率高的电力电子器件，如MOSFET，IGBT等，可以提高载波频率比，抑制变频器输出端的高频谐波。

(5) 在逆变环节采用多重化技术，提高脉波数，使输出的电流电压波形更加接近正弦波。但重数越多电路越复杂，可靠性会随之降低，三重化电路可以兼顾输出波形质量和设备可靠性，较理想。

2.3.2 采用合适的控制策略

从变频器控制器这一点出发，可采用更合适的控制策略或者在原来的控制策略基础上作点优化和改进，原理上更大限度地减少谐波的产生。以实际应用中常用的正弦脉宽调制法(SPWM)法和特定消谐法(SHE)法为例。

根据SPWM基本理论，当调制波频率为fr，载波频率为fc，载波频率比N=fc/fr，单极性SPWM控制在输出电压中产生N-3次以上的谐波，双极性SPWM控制在输出电压中产生N-2次以上的谐波。比如，N=25，采用单极性SPWM控制，低于22次的谐波全被消除，采用双极性SPWM控制，低于23次的谐波全被消除。

但输出电压频率较高的时候，由于受到元件开关频率的限制，N值不可能大，SPWM控制的优势就不太明显了，这个时候选择SHE法可以在开关次数相等的情况下输出质量较高的电压、电流，降低了对输入、输出滤波器的要求。

2.3.3 采取滤波电路

在变频器外部采取措施，综合考虑变频器注入电网的特征谐波以及个别变频器的特有非特征谐波特性，制订滤波方案对污染源进行治理。也即通常说的先污染，后治理。只用滤波器效果并不理想，与上述二类方法配合作用更见效。

(1) 若变频器输入侧没有装设专用变压器，可在输入侧接入交流电抗器(ACL)使整流阻抗增大，抑制高次谐波电流。

(2) 在变频器和电网系统间的电力回路中使用交流滤波器。交流滤波器有调谐滤波器和二次型滤波器，调谐滤波器用于单次谐波的吸收，而二次型滤波器则适用于多个高次谐波的吸收，一般两者组合使用，消除某个单次谐波同时滤除某次及以上的谐波。

(3) 在变频器输出端加LC滤波器可以滤除变频器输出的高次谐波，且可以延长PWM的上升沿，减小dV/dt，从而抑制变频输出过电压。如果采用LC滤波器接外壳，还可以滤除变频器输出的零序分量，避免零序电压经定子绕组与定、转子边的寄生电容产生的电流对电机等设备造成损失。

5 变频器输入电流不对称

5.1 输入电流不对称及其影响

工业应用中的交直交电压型变频器往往采用三相桥式结构，低载运行时交流电源输入侧输入电流不对称会引起三相功率因数不平衡现象。这主要是由于中间直流环节不是无穷大容量，在实际运行中存在充放电过程，变频器满载运行时，输入输出电流接近额定值，充放电电流影响不大，但是变频器在启动后未达到额定功率前或者在低载的状态稳定运行的情况下，由于输入输出电流也非常的小，充放电电流的影响就不能忽略。下面以图5所示交直交变频器为例，对低载工况下，充放电电流引起的输入电流不对称现象产生原理进行简单分析。

图5 交直交电压型变频器拓扑结构

输入三相对称电压Ua、Ub、Uc，频率为0，一般来说输入为工频电压，0=50Hz。直流环节电压Uc波形如图6所示，为一系列纹波。则直流侧电容相应的充放电电流iD 波形如图7所示，其频率为3 ?0，变频器逆变环节的输入电流i2主要由变频器负载特性决定，对纯阻性负载而言，i2应该是一系列正弦半波，如图8所示。由图5可见变频器整流环节输出电流i1应是i2和iD的矢量叠加，叠加后的波形如图9所示。根据三相全控桥式6脉波整流原理可以推得变频器输入侧三相电流如图10、11、12所示，显然三相波形严重不对称，A相电流的有效值较B、C两相都大。

则在一定的有功输入情况下，由于输入电压三相对称，计算得到A相的视在功率比B、C两相大，因此A相的无功功率较大，功率因数较低，三相功率因数出现不平衡。本文分析是A相表现得功率因数偏低，实际变频设备运行时，根据其输出频率以及整流、逆变环节控制方式的不同，功率因数偏低现象有可能出现在B相或者C相。

5.2 实际测试结果

为验证变频器输入电流不对称引起的功率因数不平衡现象，以杭州市某自来水厂使用的变频器为例，于2005年11月14日采用TOPAS1000电能质量测试仪对变频器输入侧进行了测试。该变频器输入工频380(V)3相交流电，送出5～9kHz的二次交流电，二次电压为540(V)左右，测试期间逐步梯次增加变频器输入有功功率，逐次记录不同有功功率水平下的输入电压、电流、视在功率以及功率因素。

输入功率为33kW时，在变频器输入端测量得到电流波形如图13所示，可见B相电流较A、C两相差别很大，随着输入功率的增加，B相电流和A、C两相的电流波形越来越接近，图14和图15分别是输入功率为54kW和85kW时输入侧电流波形。不同功率水平下测得的输入电压、电流、视在功率和功率因数的对比如表1所示。显然，输入功率为33kW时，三相的功率因数显着不平衡，B相的功率因数明显偏低，输入功率为54kW，B相功率因数有了很大改善，输入功率增加到85kW，B相功率因数和A、C两相已然差别不大。