變頻器諧波的產生及抑制方法

趙思羽（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

變頻器諧波的產生及抑制方法

趙思羽（中國石油天然氣集團公司節能技術監測評價中心）

在油氣生產過程中，由于產量較低時，設備運行負荷較低，設備能耗較大。為了降低設備能耗，提出變頻運行技術，但變頻器運行時，對電網產生諧波。變頻器產生的諧波對供電電網形成電磁干擾，影響電網的供電質量，可使動力設備發熱，減少設備使用壽命；諧波的輻射會產生無線電干擾，影響在線數據的傳輸。為了解決以上問題，采用了YH-8010有源濾波器。經現場測試驗證，其能有效抑制對低壓配電網的污染，改善配電網的供電電能質量，進而達到保護設備安全，延長設備壽命和配電網節能降耗的目標。

變頻器；諧波；有源濾波

引言

變頻器在油田應用十分廣泛，其工作原理是把供電電源50 Hz轉換成不同頻率的交流電源，進而實現接入設備的變速調速運行，控制電路控制其主電路，整流電路將交流電變換成直流電，逆變電路將直流電再逆變成交流電[1]。整個電路運行時，會產生大量不同頻率的諧波，其中輸入端產生的諧波對供電電網形成電磁干擾，影響電網的供電質量，嚴重時燒毀變壓器，導致整個供電線路停電[2]；變頻器輸出端產生的諧波可使動力設備發熱，增大設備的震動，長期運行會減少設備使用壽命；諧波的輻射會產生無線電干擾，影響在線數據的傳輸。

為了降低諧波對整個電路電網用電設備的影響，需要在變頻器輸入、輸出端分別配置濾波器、交流電抗器、平波電抗器等抗源設備，過濾掉諧波，進而降低對電網和設備的影響，實現節能降耗。

1 諧波概念

在交流電網中，電源頻率為50 Hz，稱為工頻，而與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。

在正弦電路中，除了正弦波之外，還有非正弦波。任何一個周期性的非正弦波，均可以分解為無窮多個頻率不同的正弦量的疊加，凡是有周期性非正弦波存在的環境中，均有諧波存在（圖1）。

當基波與諧波疊加后，就會改變交流電的頻率和振幅，從而改變整個電網的頻率和振幅，進而影響用電設備。

1.1 變頻器運行時產生諧波干擾

輸入側：變頻器整流后，電流脈動性非常大，即產生大量諧波，從而降低電源的供電質量，干擾接入用電設備的工作穩定性。

輸出側：變頻器運行時會產生一系列矩形波，這些矩形波主要以高次諧波為主。這些高次諧波會產生電磁輻射干擾無線電設施，降低無線設備側傳輸效果；若加到電動機的繞組上，會降低電動機的絕緣性能，使其銅損和鐵損增加，局部溫度增高；同時，諧波電流會改變電動機電磁轉矩，產生振動力矩，使其發生周期性轉速變動，從而影響輸出頻率，并發出噪聲震動，減少電動機的使用壽命。

2 諧波危害

變頻器產生的高次諧波對油田電網產生的危害日益嚴重。其中包括：

1）當諧波進入供電電網后，對電網所帶的用電設備產生諧波損耗，對發電機會降低其發電效率，增加電網的線路損耗，降低用電設備的運行效率；嚴重時會引起線路火災，如中線過熱后，線路起火，降低整個供電網絡的質量，甚至停電。

2）諧波影響各種電器設備的正常運行，如增加注水泵機組電動機的震動，增加泵房的噪聲污染，也能使電動機發熱，減少電動機的使用壽命，也不利于現場數據錄取人員的身體健康。

圖1 諧波合成示意圖

3）諧波會在電網中產生并聯諧振和串聯諧振，從而放大諧波振幅，導致整條供電線路出現問題。油井停抽后，井下壓力變化較大，外輸泵停運后，會導致儲罐液位升高。

4）諧波會產生無線電干擾，對鄰近的通信系統產生干擾。例如，注水站、注聚站、中轉站等控制系統會受到影響，并使各站所信號采集發生漂移，數據不準確，不能及時反映生產運行情況，人員無法掌握實時數據[3]。

大慶油田公司對大慶油田配電網的467個重點部位的諧波測試表明，變電所主母線和饋出線諧波超標率分別為2.5%、6%，而低壓變頻器諧波超標75%，是油田電網目前主要的諧波源。電網諧波污染對變頻器也會造成自身損害。以第四采油廠為例，目前有站用、庫用變頻器779臺，井用變頻器1 502臺，總計2 281臺。主要由ABB、AB、東芝、西門子、艾默生、INVT等24個廠家提供，具體情況見表1。

表1 采油四廠變頻器型號構成情況

2016年上半年共維修井用、站庫變頻器71臺次。同比2015年上半年增長97.2%。其中維修ABB變頻器16臺、AB變頻器5臺、風得控變頻器26臺、INVT變頻器4臺、匯川變頻器10臺、星辰變頻器8臺、施耐德變頻器2臺。變頻器的諧波電流與變頻器的廠家有關，主要是因為不同廠家生產的變頻器，其所用的濾波電路的不同，變頻器內部結構也有所不同，如是否內嵌直流電抗器或交流電抗器、濾波電容的容量大小等。本文主要分析用于現場故障率較高的風得控變頻器。

應用諧波檢測儀檢測風得控變頻器產生的諧波見圖2。通過現場檢測圖譜可以看出，風得控變頻器產生諧波較為明顯，諧波污染較為嚴重，同時也可以得出諧波因素是導致變頻器損壞的重要因素之一。

圖2 諧波圖譜

3 諧波抑制

目前諧波抑制主要有以下三種方法：安裝諧波補償裝置；改造變頻器的工作原理，使其無法產生諧波，并使其功率因數為1.0，沒有無功功率產生；在電網中安裝諧波過濾器，減少諧波流入電網網絡，減少其對電網的危害。

3.1 電抗器

變頻器運行時，產生的諧波電流中，其中5、7次諧波所占比重較大，對用電設備影響較大，主要造成用電設備發熱。對于電網來說，導致電網的無功功率消耗較大，從而使整條線路的功率因數降低，增加電網的運行負荷，降低電網的供電質量。在線路中串聯電抗器能有效降低低頻次的諧波電流。根據接入點的不同，主要分為以下幾種抑制方式。

1）交流電抗器，串聯方式依次為電源、交流電抗器、變頻器，其主要作用是：提高功率因數，將功率因數提高到0.85以上；減少浪涌對變頻器的沖擊，減少變頻器故障，延長變頻器的使用壽命；使電源三相電壓相對平衡。

2）直流電抗器，串聯方式為整流橋、直流電抗器、濾波電容器，其主要功能是：削弱輸入電流中的高次諧波，將功率因數提高到0.95以上，相對交流電抗器更能提高功率因數；其主要優點是結構簡單、體積小、易于安裝等。

3）輸出電抗器，串聯方式為變頻器、輸出電抗器、電動機，其主要作用是：抑制變頻器經逆變輸出后調制方波在電路上產生的過電壓，保證電動機正常工作，延長電動機的使用壽命。

3.2 濾波器

在供電線路中安裝濾波器的主要作用是抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源或電動機。當濾波器安裝在變頻器輸出端時，可以減少電磁噪聲和損耗；當濾波器安裝在變頻器輸入端時，可以減少其諧波對供電端的影響。濾波器的主要作用是減少頻率較高的諧波分量。根據安裝位置的不同，可分為輸入濾波器和輸出濾波器。

1）輸入濾波器通常分為兩種：線路濾波器，其內部構件主要為電感線圈，它通過增加線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流；輻射濾波器，其內部構件主要為高頻電容器，電容器能夠吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分，凈化電路諧波。

2）輸出濾波器，其內部構件主要為電感線圈。它除了可以削弱輸出電流中的高次諧波外，還能削弱電動機中由高次諧波電流引起的附加轉矩；但必須注意以下幾個方面：變頻器輸出端不能接入電容器；當輸出濾波器由電容性電路構成時，濾波器內接入電容器的一側，必須與電動機側相接，其示意圖如圖3所示。

3.3 制動電阻

1） 作用：消耗再生到直流電路中的能量，使電動機獲得制動轉矩。

2） 使用場合：電動機在停止時產生再生電能的條件下。

圖3 LC濾波器單元

3） 制動電阻的參數選擇：包括電阻的阻值和電阻的耗散功率。電阻的阻值決定制動時流過電阻的電流大小，耗散功率決定制動時電阻的容許發熱量；由于制動電阻的發熱量與通電時間成正比，因此，在頻繁起停的場合選擇制動電阻時其耗散功率應適當加大。

3.4 接地

變頻器的接地既可以降低外界干擾，也能降低對外界的干擾。在現場安裝過程中，當電源零線（中線）、地線（保護接地、系統接地）不分別接入，或者控制系統屏蔽地（控制信號屏蔽地和主電路導線屏蔽地）混亂連接時，將會降低整個變頻系統的穩定性和可靠性。

對于變頻器安裝，其中主回路端子PE（E、G）的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段。在變頻器中設計安裝消諧保護系統（圖4）。

圖4 變頻器消諧裝置安裝示意圖

3.5 諧波現場治理效果

以采油四廠第四油礦2-6注入站為例，該站諧波量較高，對整個站內運行設備產生嚴重影響，為了減少諧波影響，在站內配電室安裝YH-8010有源濾波器。

表2、表3、表4示出四礦2-6注入站在治理前后各項數據的對比。治理后各項指標符合國家及大慶油田企業標準，消除了諧波可能帶來的危害，從而可以保證生產的正常、安全進行[4]。

表2 2-6注入站在治理前公共聯結點電能質量分析

表3 2-6注入站在治理后公共聯結點電能質量分析

使用YH-8010有源濾波器有效抑制了低壓配電網的污染，改善配電網的供電電能質量，從而達到保護設備安全，延長設備壽命和配電網節能降耗的目標。

4 治理變頻器諧波污染的初步想法

針對采油四廠的變頻器諧波問題與現狀，提出以下想法：

◇對不同品牌型號的變頻器進行仿真及諧波檢測，并進行對比分析；

◇使用具有隔離功能的變壓器，可以阻擋電源側絕大部分的傳導諧波干擾；

◇合理布置電纜電線，屏蔽諧波輻射；

◇站內控制系統中，用軟件程序對采集信號和輸出信號進行濾波，降低諧波對整個控制系統的干擾。

5 結論

根據諧波產生原理，分析變頻器諧波產生的原因及其危害性，在此基礎上提出了抑制諧波的技術措施。主要通過現場應用YH-8010有源濾波器，監測前后諧波量的大小。經測試數據分析，該濾波器能有效抑制電網諧波，縮小變頻器的影響范圍，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，實現科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量，降低諧波對耗電設備的危害。

表4 測試總體數據匯總

[1]韓安榮.通用變頻器及其應用[M].北京：機械工業出版社，2010：52-57.

[2]劉成君，楊仁剛.變壓器諧波損耗的計算與分析[J].電力系統保護與控制，2008，36（13）：33-42.

[3]段曉波.高壓電網新型諧波測量系統及試驗方法[J].華北電力技術，2005，5：33-35.

[4]胡國輝，何為，王科.配電變壓器諧波附加損耗在線監測系統研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（22）：62-67.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.08.004

2017-05-11

（編輯 李發榮）

趙思羽，2011年畢業于東北石油大學（自動化專業），從事節能監測評價工作，E-mail：yj2zhaosy@cnpc.com.cn，地址：黑龍江省大慶市讓胡路區西賓路552號技術監督中心技能監測評價中心，163455。