變頻器運行對電網所產生的高分量諧波電流極大的影響了電網質量，使同電網中的用電設備不能正常使用。根據相關的政策法規本文闡述了變頻器產生諧波電流的幾種治理方案優缺點，結合實際案例重點分析了有源濾波器（APF）在治理變頻器產生諧波電流的明顯應用效果。

1、引言

在理想的情況下，優質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓。但在實際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產生諧波。我們所說的供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工業用電頻率50Hz為基波頻率)整數倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。在供電系統中，產生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備(又稱為非線性負荷)供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形畸變，使電源質量變壞。

隨著科學技術的發展，隨著工業生產水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。過高的諧波分量不僅增加了電網的供電損耗，而且干擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網的安全運行。

2、諧波概述

在交流電源系統中，含有大量諧波的電源設備可以等效為一個線性負載和一系列的諧波電流源。可以認為，連接到交流電源的非線性負載從交流電源吸取基波電流并向交流電源反饋各種頻率的諧波電流。諧波電流值和電源內阻越大，諧波所造成的電壓波形失真也就越大，所造成的危害也越大。

我們知道在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。所謂非線性，就是自變量和變量之間不成線性關系，成曲線或者其他關系。用函數解釋則為：y=f（x），當為一次函數時，y與x是線性關系，為其他條件時為非線性關系。在電子線路中，電壓與電流不成線性關系，在負載的投入、運行過程中，電壓和電流的關系是經常變化的。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。

根據法國數學家傅立葉分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波頻率是基波頻率的整倍數，可以區分為偶次與奇次，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為l00Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19次等。

3、諧波的危害

諧波對電力系統的污染日益嚴重，諧波源的注入使電網諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網，對各種電氣設備都有不同程度的影響和危害。具體的危害如下：

（1）對變壓器來說，在變壓器繞組中有諧波電流，在鐵芯中感應磁通，鐵芯產生熱損耗，尤其是渦流損耗大，產生鐵損。

（2）架空線路諧波電流產生熱損，較大的高次諧波電流分量能顯著地延緩潛供電流的熄滅，導致單相重合閘失敗。電纜中的諧波電流會產生熱損，使電纜介損、溫升增大。諧波電流在高壓架空線路上的流動除增加線損外，還將對相鄰通訊線路產生干擾影響。

（3）電力電容器由于諧波電流會引起附加絕緣介質損耗，加快電力電容器絕緣老化。

（4）系統諧波電壓或電流發生諧振則引起過電壓和過電流，對電氣設備絕緣損壞，引起噪音與振動。

（5）對設備來說，電子計算機會由于諧波干擾發生失真；工業電子設備功能會因其被破壞。對繼電保護、自動控制裝置和計算機產生干擾和造成誤動作，造成電能計量的誤差。

（6）諧波對繼電保護和自動控制裝置產生干擾，造成誤動和拒動。尤其是一些衰減時間較長的暫態過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅值大、諧波含量也很大，更容易引起繼電保護的誤動作。

4、變頻器產生諧波的治理

變頻器的主電路一般為交-直-交組成，外部輸入的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓，經電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流電壓。在整流回路中，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，諧波次數通常為6n±1次高次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。如果電源側電抗充分小、換流重疊角可以忽略，那么n次高次諧波為基波電流的1/n。

變頻器輸入端產生的諧波將會使電網中繼電保護和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差，對附近的通信系統產生干擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信系統無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；設備壽命縮短，家用電器工況變壞等。

為了治理變頻器輸入端諧波對公用電網的污染，一般在變頻器前端串入無源濾波器或并接有源濾波器，還有采用IGBT替代晶閘管整流裝置的變頻器（四象限變頻器）等方式。

4.1采用無源濾波器

無源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結構是將電感與電容串聯，可對主要次諧波（3、5、7）構成低阻抗旁路；單調諧濾波器、雙調諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。無源濾波器由電感、電容和電阻等被動元件組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道。如圖1所示為無源濾波原理圖。

圖1無源濾波原理圖

優點：結構簡單、成本低廉、運行可靠性較高。

缺點：

●無源濾波器是串聯接入變頻器電源端，安裝較復雜。

●通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

●出于成本和空間要求，調諧支路一般只能是一條，因此THDI最多只能控制在到5%。

●此外，調諧支路存在容易和電網側發生諧振，放大電網諧波電壓。

4.2采用IGBT替代晶閘管整流裝置的變頻器（四象限變頻器）

IGBT功率模塊可以實現能量的雙向流動,采用IGBT做整流裝置的四象限變頻器,用高速度、高運算能力的DSP產生PWM控制脈沖矢量控制算法實現了變頻器輸入電流與電網電壓完全同步，電動狀態時輸入電流與電網電壓相位一致；發電狀態時輸入電流與電網電壓相位相反。輸入電流波形始終保持很好的正弦度，實現了單位功率因數，輸入電流的總畸變率較低，實現消除對電網的諧波污染，如圖2所示為四象限變頻器工作原理圖。

圖2四象限變頻器工作原理圖

優點：滿載運行時治理諧波效果較好。

缺點：

●四象限變頻器硬件方面主就是整流和逆變電路都使用可雙向導通的半導體元件，一般是IGBT，相比兩象限變頻器的晶閘管或二極管來說成本比較高。

●由于變頻器前端采用的電感和電容濾波電路均為額定滿載功率配置，在變頻器滿載運行時輸入電流的總畸變率能夠非常低，但是在變頻器非滿載運行時輸入電流的總畸變率會有所提高，整體來說諧波治理效果不理想。

4.3采用有源濾波器

有源濾波器（ActivePowerFilter，簡稱APF）是通過外部互感器實時采集電流信號，通過內部檢測電路分離出其中的諧波部分，通過IGBT功率變換器產生與系統的諧波大小相等相位相反的補償電流注入變頻器電源端的電網，實現濾除諧波的功能。如圖3所示為有源濾波器內部工作原理圖。

圖3有源濾波器內部工作原理圖

優點：

●有源濾波器是并聯接在變頻器電源端，安裝方便，且可以靈活的作為選配裝置，不用對現有變頻器進行更改。

●受負載阻抗影響較小，全功率負載下治理諧波效果好。

缺點：成本相對較高。

分析比較以上三種變頻器運行時輸入端產生諧波的治理方案后，采用有源濾波器的方案相對比較理想，下面就具體案例進行數據比較。

5、案例分析

上海辛格林納新時達電機有限公司生產的AS720系列液冷變頻器已經大量應用于中央空調壓縮機的驅動系統中，AS720液冷變頻器與有源濾波器配合使用來治理變頻器運行時對電源電網產生的諧波。以下就部分波形和數據做分析。測試點均為有源濾波器電源端即電網側，如圖4所示。

圖4有源濾波器治理變頻器產生諧波的應用拓撲圖

（1）圖5所示為變頻器在100%負載下的測試數據。

圖5變頻器在100%負載下的測試數據

（2）圖6所示為變頻器在70%負載下的測試數據。

圖6變頻器在70%負載下的測試數據

（3）圖7所示為變頻器在50%負載下的測試數據。

圖7變頻器在50%負載下的測試數據

（4）圖8所示為變頻器在30%負載下的測試數據。

圖8變頻器在30%負載下的測試數據

測試具體數據匯總如附表所示。

附表測試具體數據匯總

由以上波形和數據可以看出，在投入有源濾波器后，不同的負載情況下電網側的諧波電流分量得到了大幅度降低。上海辛格林納新時達電機有限公司已經將有源濾波器和變頻器完美結合的這種方式廣泛應用于中央空調、皮帶運輸等大功率電機驅動系統中的諧波治理，解決了用戶電源電網由于變頻器運行時受諧波干擾的困擾，得到大量客戶的一致好評。

6、結語

在隨著變頻器應用越來越廣泛的同時，變頻器運行時對電網產生的諧波也隨之被大家關注，無論使用無源濾波器、有源濾波器（APF）還是采用IGBT替代晶閘管整流裝置的變頻器（四象限變頻器）的方式，均能不同程度的解決諧波問題，尤其是使用有源濾波器并聯在變頻器電源端的方式，不僅安裝方便，且在變頻器不同負載下諧波分量均能控制在很低水平，由于有源濾波器采用了大量IGBT功率器件，在降低成本和提高穩定性等方面還需廣大研發工程師們進一步努力。

總結

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