关于交直交电力电子变频器

谐波分析综述

前言

国际上公认的谐波含义为：“谐波（harmonics）是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。由于谐波频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高次谐波，谐波次数用 h表示。变频器分为交-交和交-直-交两种方式。交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电转换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。

谐波研究的重要意义:非线性负载产生的谐波会对电力系统会造成大的危害：谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

谐波研究现状:现代电力系统中，各种非线性、冲击性、波动性负载大量增加，这些负载带来的谐波畸变是影响电能质量的一个重要因素。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60 年代，由于高压直流输电技术的发展，相关学者发表了有关变流器引起电力系统谐波的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日益严重，世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的相关标准和规定。我国对谐波问题的研究起步较晚，同国外先进技术水平相比较仍存在较大差距。

谐波污染对电力系统的危害严重性主要表现在： (1) 谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费; 由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的 3 次谐波电流流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。

( 2) 谐波影响各种电气设备的正常工作。对发电机的影响除产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声和过电压; 对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的 di/dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。

(3) 谐波使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器其电路比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。

(4) 谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重事故。

(5) 谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差; 谐波对其他系统及电力用户危害也很大，如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作; 影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低;设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。

主要研究内容：

1

文献[1]根据变频器的基本原理，利用电力系统暂态软件PSCAD搭建起十二脉冲变频器的仿真模型，对变频器模型的的各个结构和变频器产生的谐波含量进行了理论分析和研究；利用电能质量测试仪3196实地测量天津某钢铁企业中频炉变频器网侧整流部分的谐波含量，得到实测数据并与所建仿真模型相应处谐波数据进行比较，验证仿真模型的有效性。

文献[2]文中理论分析了变频装置中变频器将产生6k ± 1 次特征谐波，此谐波使电网中电流严重畸变，并通过某单位变频给水泵实例证实此理论分析的正确性。对此提出了有效的谐波抑制方法，给出了单调谐滤波器的详细设计过程。应用PSCAD/EMTDC软件对某单位变频给水泵实例进行仿真分析。

文献[3]本文从谐波的概念入手，分析变频器谐波产生的原因及其危害，在此基础上提出了抑制谐波的常用方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量。

文献[4]本文利用Matlab仿真软件中的Simulink建立了高压变频器仿真模型,对采用多电平移向式PWM控制技术带电动机负载的高压变频器稳态运行情况进行了仿真,仿真结果表明三电平PWM电压源型高压变频器的输出谐波主要集中在6000Hz左右的高频范围内。利用电动机对高频谐波感抗很大的特点,在很宽的调速范围内,保持输出电压、电流的谐波和电动机转矩脉动都很小。

文献[5]基于交流电动机拖动中的交直交变频调速系统，对电网谐波的影响问题进行了理论研究与仿真分析，提出了多组变频器的移相式组合供电方法． 针对某热连轧生产线的多组辅助传动系统，分别定量分析了当输出频率变化和系统中负载对象、LC 滤波器、脉宽调制电路和变压器的参数变化时，供电网侧的谐波率和波形畸变率． 仿真结果表明，移相式组合供电方法及合理的拖动系统设计可以大幅度降低供电网侧谐波干扰，总谐波畸变率可抑制在 4. 0% 以内． 本研究为工厂拖动系统的设计、无功补偿系统设计以及拖动系统故障诊断提供了有效的方法．

文献[6]介绍和讨论了新的AC / DC/ AC转换系统的直接谐波分析的方法。它采用了矢量的特点和他们的特征序列，获得的电压和转换系统的变换器的电流传输规则，然后得到整个AC / DC / AC直接谐波分析方法。该方法可以推断出交流高次谐波电流从交流电压中的表达，并且不需要交流和直流侧之间迭代。直接谐波分析方法具有的优点简单的公式和显式的方法，而且是更适合的小电压失真和多转换器的情况下。

文献[7]本文论述了不同类型逆变器的谐波分析。设计了降低谐波含量的滤波器，提高了系统的功率因数和效率。还有各种各样的PWM技术来减少在IEEE标准% THD。系统的设计和仿真是利用MATLAB／Simulink和输出波形%THD评价。

文献[8]本文针对电力系统的动态相互作用带来谐波共振这一问题研究，在一个由多个电流和电压控制的电力系统控制逆变器LCL和LC滤波器。分析的方法是通过扩展到网状和平衡三相电网阻抗。基于节点导纳矩阵，提出了一种基于阻抗比的方法。通过这种方式，每个逆变器系统的谐振模式的贡献可以通过Nyquist稳定性判据容易预测。为了验证理论分析，时域仿真和实验测试的一三个逆变器为基础的系统。

文献[9]本文提出了一种新的非迭代谐波分析方法，用于系统的交流/直流变换器。该方法是基于谐波耦合导纳矩阵模型的交流/直流变换器。在非迭代的方式下，通过求解系统的各次谐波频率和变换器的谐波矩阵方程，得到各次谐波频率的谐波电压。本文介绍了该方法的理论基础和分析推导。所提出的方法与PSCAD仿真，并比较结果，验证该方法的有效性和准确性。

文献[10]本文详细分析了不平衡电网条件下三相并网逆变器的谐波电流产生原理。提出方法，该方法是能够提取一个选择性的谐波的谐波的消除方法，在这项研究中所提出的结构的性能和分析通过实验验证的。

2

对所有文献进行综合、分析、比较、对照可知：加装滤波器会使变频器对电网的电流畸变得到明显的改善；装置谐波可补偿装置来补偿谐波；选用适当的电抗器：输入电抗器。在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器，这样可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数，这样进线电流的波形畸变大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的1/2左右；在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流的畸变大约为10%～15%，18相的为3%～8%，完全满足国际标准的要求。

进一步研究各种谐波分析的方法和研发各种新型的变换器来限制产生谐波。

总结：

通过阅读大量文献可知，一般来讲，变频器对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对于系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视。通过加装滤波器，加装滤波器会使变频器对电网的电流畸变得到明显的改善；选用适当的电抗器，这样可使整流阻抗增大来有效抑制高次谐波电流，减少电源浪涌对变频器的冲击，改善三相电源的不平衡性，提高输入电源的功率因数；在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。 电压型变频器负载侧谐波特性，负载侧的电压畸变率随负载的变化不变，电压型变频器负载侧输出电压畸变率和负载的大小无关。

电流型变频器负载侧谐波特性，负载侧的电流畸变率随负载的变化不变，电流型变频器负载侧输出电流畸变率和负载的大小无关。

逆变电路采用SPWM 控制时，输出电压电流的谐波畸变率和仅和调制度有关，和载波频率无关，随着调制度的增大输出电压谐波畸变率逐渐变小，因此在采用SPWM 控制时，其调制度在小于1 的范围内尽可能的增大。

展望：对SPWM 的谐波分析也是以定性的分析，实际上SPWM 控制技术在实用电源系统中，经常要用到跟踪控制法，有的为了适应输入电压和负载电流变化条件下维持输出电压恒定，希望输入电流是可控的（例如CVCF 电源）；而对于像以交流电动机为负载的VVVF 电源，为了适应各种不同的力矩需要，希望输出电流时可控的，为了满足某个量的可控或恒定，应该引入该量的反馈，这便形成了电流反馈控制。电流滞环控制是电流反馈控制的一种，这种控制方式以其自身的优点在实用电源系统中得到了充分的重视和应用。在下一阶段可以在这个方面进行不遗余力的努力，以达到变频调速系统本身更好的减少对电网的谐波输入。

参考文献

[1]韩得刚,师五喜. 基于PSCAD的十二脉变频器谐波分析[J]. 仪器仪表用户,2013,06:48-51. [2]施俊杰,孔令国. 变频器谐波分析与抑制对策[J]. 应用能源技术,2014,10:47-51. [3]刘欣. 变频器谐波危害分析及解决措施[J]. 现代建筑电气,2013,S1:209-212.

[4]朱海洋. 一种新型高压变频器的输出谐波仿真分析[J]. 机电工程技术,2010,07:95-98+195-196. [5]王继忠,童朝南,李擎. 一类多组交直交变频调速系统对电网谐波影响的分析[J]. 北京科技大学学报,2014,10:1394-1399.

[6]Lv Z, Xia L, Wu Z. A New Harmonic Analysis Method for AC/DC/AC Converters[C]//Power Electronics and Intelligent Transportation System, 2008.PEITS'08.Workshop on. IEEE, 2008: 389-393.

[7]Govindaraj K, Vikneshwaran G, Sreejith S, et al. Harmonic Analysis of

Inverter[J].International Journal of Engineering Science Invention ISSN (Online): November 2013 ∥ PP.53-61

[8]Wang X, Blaabjerg F, Chen Z, et al. Modeling and analysis of harmonic resonance in a

3