一、引言
隨著變頻器日益廣泛的普及和應(yīng)用，其占電網(wǎng)總負(fù)荷的比例已經(jīng)越來越大。其中大部分系額定電壓為三相380V的交直交型變頻器（本文以下簡(jiǎn)稱變頻器）。而隨之帶來的網(wǎng)側(cè)諧波問題也越來越受到各變頻器用戶和供電部門的關(guān)注。
本文將簡(jiǎn)單介紹變頻器網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生機(jī)理和一些常用諧波抑制技術(shù)，然后重點(diǎn)推薦一種實(shí)用的諧波計(jì)算方法。用戶可以按照本文中推薦的方法計(jì)算使用變頻器時(shí)所產(chǎn)生的諧波電流，從而決定應(yīng)該采用哪種對(duì)策，以使整個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
二、網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生機(jī)理
1. 諧波電流的產(chǎn)生
由于變頻器的整流部分一般為三相全波不可控整流，直流回路采用大電容作為濾波器。這樣，雖然變頻器的網(wǎng)側(cè)輸入電壓波形基本上是正弦波，但輸入電流是脈沖式的充電電流，含有豐富的諧波。其波形如圖1所示。 
圖1 變頻器的輸入電壓和電流波形
變頻器網(wǎng)側(cè)電流的波形由線路總等效阻抗和主電容兩端的電壓共同決定，同時(shí)受二極管整流器本身參數(shù)的影響。另外，其電流大小和波形與直流側(cè)電壓密切相關(guān)，而直流側(cè)電壓又會(huì)隨著負(fù)載變化而波動(dòng)。因此，通過解析表達(dá)式定量地計(jì)算變頻器網(wǎng)側(cè)電流比較困難，在工程上也不實(shí)用。一般分析時(shí)，可采用簡(jiǎn)化的近似方法來計(jì)算。
2. 諧波電流與線路阻抗的關(guān)系
網(wǎng)側(cè)總線路阻抗越大，輸入電流就越平滑，諧波電流越小。因此常用直流或交流電抗器來增加線路阻抗，從而改善輸入電流波形。
在加入電抗器之后，輸入電流的尖峰變小，同時(shí)二極管的導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，因此可以降低變頻器的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量。
直流電抗器和交流電抗器都可以用于抑制諧波，但兩者各有特點(diǎn)。以三菱變頻器的電抗器附件FR-BEL（直流）和FR-BAL（交流）為例來說明兩者之間的異同。其使用結(jié)果見表1。
表1 交流電抗器和直流電抗器使用效果比較
3. 網(wǎng)側(cè)電流波形與直流側(cè)電壓的關(guān)系
變頻器負(fù)載變化時(shí)，會(huì)影響直流側(cè)電壓。只有在整流電壓大于主電容兩端的電壓（Ed）時(shí)，整流器才會(huì)有輸入電流。因此，直流電壓的大小會(huì)決定二極管整流器的導(dǎo)電寬度。表2給出了變頻器輸入電流波形和直流電壓之間的關(guān)系。
表2 變頻器輸入波形和直流電壓之間的關(guān)系
表2中，波形系數(shù)和峰值系數(shù)表征輸入電流的畸變程度，變頻器的輸入功率因數(shù)被定義為總輸入功率和表觀功率之比。又由于輸入電壓和電流的基波相位基本相同，忽略三相不平衡的影響，可以得到
λL≈ILI/IL
即功率因數(shù)約等于基波電流和總電流之比。因此表2也可以反映直流側(cè)電壓和功率因數(shù)之間的關(guān)系。
三、抑制高次諧波的對(duì)策
1. 相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
變頻器輸入電流中偶次諧波和3倍次諧波含量很小，一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)，因此本文主要以分析輸入電流中的5，7，11，15，17，19次諧波電流為例。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》和GB12668.3—2003《調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)及其特定的試驗(yàn)方法》，公共連接點(diǎn)（PCC）的諧波電流限值與電源短路電流和最大基波負(fù)載電流之比相關(guān)。在基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流允許值如表3所示。
表3 基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流允許值
其中，基準(zhǔn)短路容量（Sj）和電壓的關(guān)系為0.38kV～10MVA；6kV10kV～100MVA。
本文中用的諧波電流限值為GBT14549～93中規(guī)定的基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流允許值，而GB12668.3～2003附錄B中給出的指標(biāo)為不同Rsc下各次諧波電流的限值（%），兩者可以互相折算，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況自行選擇。
2. 不同系統(tǒng)配置時(shí)的諧波含量
根據(jù)三菱電機(jī)提供的數(shù)據(jù)，使用二極管三相橋整流變頻器時(shí)，不同配置下的諧波含量如表4所示。
表4 諧波電流含量表
四、諧波電流計(jì)算方法
1. 計(jì)算步驟
如前所述，變頻器的諧波電流很難直接通過解析公式計(jì)算。下面推薦一種計(jì)算方法，供大家參考。
步驟1：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際變壓器的短路容量計(jì)算所允許的各次諧波電流，具體公式為
Ih=IGB（Sr/Sj）
式中：Ih為各次諧波電流允許限值；IGB為基準(zhǔn)短路容量下各次諧波電流限值；Sr為實(shí)際短路容量，MVA；Sj為基準(zhǔn)短路容量，380V時(shí)取10MVA。
同一公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點(diǎn)的協(xié)議容量或最大負(fù)荷容量與其供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配。如果簡(jiǎn)單地用諧波電流算術(shù)和的方法，得到的結(jié)果往往過于保守，會(huì)造成資源的浪費(fèi)。推薦使用偽平方求和的方法，即有
Ihi=Ih（Si/St）1/a
式中：Si為用戶的用電協(xié)議容量或最大負(fù)荷容量，MVA；St為供電設(shè)備容量，MVA；Ihi為折算后的各次諧波電流允許值；a為相位疊加系數(shù)，按表5進(jìn)行取值。各次諧波的相位疊加系數(shù)如表5所示。
表5 各次諧波的相位疊加系數(shù)
步驟2：額定電流折算
I’e=Ie×（0.38標(biāo)準(zhǔn)電壓）
式中：I’e為折算后的額定電流；Ie為變頻器的額定電流。
步驟3：根據(jù)表4以及變頻器的電路形式來確定各次諧波電流的大小，并和步驟1的結(jié)果相比較，判斷是否符合國(guó)標(biāo)。計(jì)算公式如下：
Ih=I’e×諧波含量（%）×負(fù)載率
如果不符合國(guó)標(biāo)，則應(yīng)采用其他的對(duì)策，如使用電抗器、添加諧波補(bǔ)償設(shè)備等。
2. 實(shí)例分析
供電系統(tǒng)（10kV）短路容量為10MVA，總供電容量為1MVA。某用戶協(xié)議容量都為0.5MVA。若某用戶只使用1臺(tái)變頻器，其型號(hào)為FR-A540-45K，負(fù)載率為80%，分析其諧波電流是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算過程如下。
(1) 根據(jù)Ih=IGB（Sr/Sj）和表3，容易得到折算后的限值如表6所示。 
表6 折算后的限值
然后根據(jù)公式Ihi=Ih（Si/St）1/a和表5，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)該用戶的各次諧波電流限值，如I5=2×（0.51）1/1.2=1.12
分別計(jì)算各次諧波電流限值，得到該用戶的最大允許諧波電流如表7所示。 
表7 最大允許諧波電流
(2) 查變頻器手冊(cè)得到該變頻器的額定電流：Ie=86（A）
折算到10kV側(cè)：
I’e =Ie×（0.3810）=3.27（A）
(3) 在不帶電抗器時(shí)，有
I5=3.27×65%×80%=1.7（A）
使用直流電抗器（DCL）時(shí)，有
I’5=3.27×30%×80%=0.78（A）
同理，可計(jì)算得到表8中的數(shù)據(jù)。 
表8 諧波電流計(jì)算值
對(duì)比表7和表8可以發(fā)現(xiàn)，在不使用直流電抗器時(shí)，5次和7次諧波超標(biāo)。如果使用直流電抗器，則可以滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)。
五、結(jié)束語
實(shí)際應(yīng)用中常用的諧波抑制措施，除了上文所提及的使用電抗器外，主要還有12相整流和使用可控整流等方式。但因通用變頻器很少采用這些電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以就不再詳敘了。諧波問題一直是變頻器發(fā)展過程中有待解決的一個(gè)主要技術(shù)障礙。近兩年來，已經(jīng)開始出現(xiàn)一些采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的商業(yè)化低壓變頻器產(chǎn)品，如三電平變頻器，矩陣式變頻器（MC）等。相信隨著成本的降低和一些技術(shù)難題的解決，在未來5～10年內(nèi)，變頻器網(wǎng)側(cè)諧波這一難題將有望得到有效解決，變頻器也將成為名符其實(shí)的“綠色電源”。
