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高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響_第2頁(yè)
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高壓變頻技術(shù)

主講人:邊春元2011年8月高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!內(nèi)容介紹高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響三電平PWM電壓源變頻器原理三電平PWM整流控制策略PWM整流的基本原理高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響三電平PWM逆變控制策略大容量多電平變換器發(fā)展概述IGCT系統(tǒng)現(xiàn)存問題初步探討功率器件概述高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響本講主要從使用高壓變頻器后對(duì)電網(wǎng)的諧波污染、功率因數(shù)的影響等方面討論高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響。變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響主要取決于變頻器整流電路的結(jié)構(gòu)和特性。1、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染近年來,高壓變頻器的應(yīng)用越來越廣泛,由于高壓變頻器容量一般較大,占整個(gè)電網(wǎng)的比重較為顯著,所以高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染問題已經(jīng)不容忽視。

許多場(chǎng)合下,由于采用了輸入諧波電流較高的變頻器,產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染問題。從本質(zhì)上而言,任何高壓變頻器或多或少會(huì)產(chǎn)生諧波污染,只是程度不同而已。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))解決諧波污染有兩種辦法:

1)采取諧波濾波器,對(duì)高壓變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理,以達(dá)到供電部門的要求,也即通常所說的“先污染,后治理”的辦法;

2)采用產(chǎn)生諧波電流較小的變頻器,變頻器本身基本上不對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染,即采用所謂的“綠色”電力電子產(chǎn)品,從本質(zhì)上解決諧波污染問題。電網(wǎng)諧波污染控制的標(biāo)準(zhǔn):

1)國(guó)際應(yīng)用較普遍標(biāo)準(zhǔn):IEEE519—1992

2)我國(guó)的諧波控制標(biāo)準(zhǔn):國(guó)標(biāo)GB/T14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!6脈波晶閘管整流電路輸入波形。三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))12脈波晶閘管整流電路。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))整流器由兩組晶閘管整流橋串聯(lián)而成,分別由輸入變壓器的兩組二次繞組(星形和三角形互差30度電角度)供電。如變壓器的二次交流電壓為2000V時(shí),每組整流橋能產(chǎn)生最高2800V左右的直流電壓,兩組整流橋串聯(lián)后直流電壓約為5600V。在每組整流橋中可以采用單個(gè)額定電壓為5kv的晶閘管,避免了器件的直接串聯(lián),這是12脈波整流電路呆了的一大優(yōu)點(diǎn)。另一優(yōu)點(diǎn)是大大改善了輸入電流波形,降低了輸入諧波電流,總諧波電流失真約為10%左右。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))12脈波整流電路還不能達(dá)到規(guī)定的電網(wǎng)短路電流小于20倍負(fù)載電流時(shí)總諧波電流失真小于5%的要求。因此,也要安裝諧波濾波裝置。12脈波結(jié)構(gòu)時(shí)采用的輸入變壓器還起到承受變頻器產(chǎn)生的絕大部分共模電壓的作用,使電動(dòng)機(jī)絕緣不受影響。當(dāng)然,變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮能夠承受一次側(cè)和二次側(cè)的諧波電流。在電流源型變頻器中:一般利用電流環(huán)通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)延遲角,進(jìn)一步調(diào)節(jié)直流整流電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流環(huán)節(jié)電流的閉環(huán)控制,當(dāng)濾波電抗器較小時(shí),電流脈動(dòng)增加,電流環(huán)的控制作用會(huì)惡化,各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)不一致,這種情況下,還會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的諧波分量。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))目前,二極管工業(yè)應(yīng)用最高電壓為6000左右,二極管的正向壓降很低,6000V、3700A的二極管,正向壓降可低到1.7V。電網(wǎng)電壓較高時(shí),可采用二極管串聯(lián),也可采用整流橋串聯(lián),在實(shí)現(xiàn)多重化同時(shí),避免器件直接串聯(lián)。在整流橋輸出和濾波電容之間可以串入直流電抗器,可減少輸入電流的諧波分量,然而會(huì)帶來弊端,影響濾波電容對(duì)變壓器輸入浪涌電壓的吸收效果。由于整流后直流電壓基本保持恒定,所以輸出側(cè)逆變器必須采用PWM控制。二極管整流電路的輸入諧波電流取決于電網(wǎng)側(cè)阻抗和直流電抗器的大小。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))

為了滿足IEEE529—1992對(duì)應(yīng)的5%的諧波電流失真的要求,對(duì)6脈波二極管整流電路結(jié)構(gòu)需要設(shè)置諧波濾波器。由于二極管整流電路的諧波分量隨著諧波次數(shù)的增加而急劇下降,所以采用12脈波整流結(jié)構(gòu)后,二極管整流電路的諧波失真會(huì)大大降低,可接近7%左右。晶閘管整流電路和二極管整流電路除了6脈波結(jié)構(gòu)和12脈波結(jié)構(gòu)外,還可以采取更高脈波數(shù)的結(jié)構(gòu),如18脈波、24脈波,輸入諧波也會(huì)隨著降低,但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本增加。大多數(shù)PWM電壓源型變頻器采用二極管整流電路,若整流采用PWM控制,則可做到輸入電流基本為正弦波,諧波電流很低。單元串聯(lián)多電平變頻器采用多重化結(jié)構(gòu),輸入脈波數(shù)很高。比如6kv電壓等級(jí)的變頻器,輸入為30脈波整流結(jié)構(gòu),總的諧波電流失真可低于1%,不加任何濾波器就可以滿足電網(wǎng)對(duì)諧波失真的要求。稱“完美無諧波”高壓變頻器。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))從能量轉(zhuǎn)換角度分析。根據(jù)變頻器輸入、輸出功率關(guān)系,有

對(duì)電流源性變頻器,一般,所以高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))二極管整流電路功率因數(shù)在0.96以上,不必設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。直流環(huán)節(jié)濾波電容在逆變器功率器件的開關(guān)周期提供負(fù)載所需的無功電流,所以不會(huì)反映到整流器輸入側(cè),導(dǎo)致輸入功率因數(shù)較高,輸入變壓器和整流器所需處理的電流下降,有利于提高系統(tǒng)的整體效率。

采用全控型電力電子器件構(gòu)成的PWM型整流電路,其功率因數(shù)可調(diào),可以為1,也可做成超前功率因數(shù),對(duì)電網(wǎng)起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

單元串聯(lián)多電平PWM變頻器功率因數(shù)在0.95以上。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))采用全控型電力電子器件的PWM型整流電路,輸入諧波很低,功率因數(shù)可調(diào),不必采取諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置,屬于“綠色”電力電子產(chǎn)品,但由于其成本相對(duì)較高,應(yīng)用受到限制。

單元串聯(lián)多電平PWM變頻器輸入諧波電流很低,功率因數(shù)較高,也屬于“綠色”電力電子產(chǎn)品,具有較大的應(yīng)用前景。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))晶閘管整流電路諧波分析:

6脈波晶閘管整流電路。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))輸入電流中含有很高的諧波分量,輸入電流的5次諧波可達(dá)20%,7次諧波可達(dá)12%。由于晶閘管的快速換相,還會(huì)產(chǎn)生一定的高次諧波,可達(dá)35次以上,高次諧波會(huì)對(duì)電話等通信線路產(chǎn)生一定的干擾。整流電路總的諧波電流失真約為30%,所以一般要設(shè)置輸入諧波濾波器。濾波器體積龐大,且影響系統(tǒng)的效率,額外增加投資,濾波器的設(shè)計(jì)與電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載工況都有關(guān)系,一旦參數(shù)和工況發(fā)生變化,濾波器又得重新調(diào)整,十分不便,且影響濾波效果。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))12脈波晶閘管整流電路輸入波形。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))晶閘管整流電路輸入諧波電流:輸入諧波電流失真。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))二極管整流電路諧波分析:

12脈波二極管整流電路。整流電路由兩組6脈波的二極管整流橋串聯(lián)而成,采用大電容進(jìn)行濾波,形成電壓源型整流電路結(jié)構(gòu)。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))由于采用二極管不可控整流,換相在對(duì)線電壓最小時(shí)才發(fā)生,導(dǎo)致di/dt非常??;尤其當(dāng)電源側(cè)阻抗較大時(shí),換相更加緩慢,使高次諧波電流相對(duì)于晶閘管整流電路大大降低。12脈波二極管整流電路輸入波形。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))2、高壓變頻器的輸入功率因數(shù)

在晶閘管電流源型整流電路中,中間直流環(huán)節(jié)的電壓正比于電動(dòng)機(jī)線電壓額定值乘以運(yùn)行點(diǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際的功率因數(shù),再乘以轉(zhuǎn)速百分比。所以直流環(huán)節(jié)電壓會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的下降而很快降低,整流電路晶閘管的觸發(fā)延遲角必須后移,這樣導(dǎo)致輸入功率因數(shù)很快下降。另一個(gè)解釋是,由于電流源型變頻器的整流器電流和逆變器電流一般相等,負(fù)載所需的無功電流會(huì)直接反射到電網(wǎng),導(dǎo)致輸入功率因數(shù)較低。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))可見,普通電流源型變頻器的輸入功率因數(shù)較低,且會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的下降而跟著線形下降,為了解決輸入功率因數(shù)較低的問題,往往需要設(shè)置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置,同時(shí)也起到了消除部分諧波電流的作用。功率因數(shù)補(bǔ)償裝置既增加成本和體積,又降低了系統(tǒng)的效率和可靠性。由于存在諧波,在一定的參數(shù)配合下,功率因數(shù)補(bǔ)償電容可能引起并聯(lián)諧振現(xiàn)象,危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全,因此,在并聯(lián)電容器組的設(shè)計(jì)中,必須考慮諧波放大問題,通??刹扇”荛_諧振點(diǎn)的方法,即無論是集中補(bǔ)償和分散就地補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M,均要串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娍蛊?。高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響共23頁(yè),您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!三、高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響(續(xù))3、總結(jié)

采用晶閘管整流的電流源型變頻器有較大的輸入諧波電流,一般要設(shè)置輸入諧波濾波器,以滿足電網(wǎng)對(duì)諧波失真的要求,或者采取更高輸入脈波數(shù)

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