隨著變頻器日益廣泛的普及和應用，其占電網總負荷的比例已經越來越大。其中大部分系額定電壓為三相380V的交直交型變頻器（本文以下簡稱變頻器）。而隨之帶來的網側諧波問題也越來越受到各變頻器用戶和供電部門的關注。
本文將簡單介紹變頻器網側諧波的產生機理和一些常用諧波抑制技術，然后重點推薦一種實用的諧波計算方法。用戶可以按照本文中推薦的方法計算使用變頻器時所產生的諧波電流，從而決定應該采用哪種對策，以使整個電氣傳動系統符合相關的國家標準。
二、網側諧波的產生機理
1. 諧波電流的產生
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，雖然變頻器的網側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
變頻器網側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，同時受二極管整流器本身參數的影響。另外，其電流大小和波形與直流側電壓密切相關，而直流側電壓又會隨著負載變化而波動。因此，通過解析表達式定量地計算變頻器網側電流比較困難，在工程上也不實用。一般分析時，可采用簡化的近似方法來計算。
2. 諧波電流與線路阻抗的關系
網側總線路阻抗越大，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，同時二極管的導通時間變長，因此可以降低變頻器的網側電流諧波含量。
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。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. 網側電流波形與直流側電壓的關系
變頻器負載變化時，會影響直流側電壓。只有在整流電壓大于主電容兩端的電壓（Ed）時，整流器才會有輸入電流。因此，直流電壓的大小會決定二極管整流器的導電寬度。表2給出了變頻器輸入電流波形和直流電壓之間的關系。
表2 變頻器輸入波形和直流電壓之間的關系
表2中，波形系數和峰值系數表征輸入電流的畸變程度，變頻器的輸入功率因數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也可以反映直流側電壓和功率因數之間的關系。
三、抑制高次諧波的對策
1. 相關國家標準
變頻器輸入電流中偶次諧波和3倍次諧波含量很小，一般都遠遠低于國標，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。根據國家標準GBT14549—93《電能質量公用電網諧波》和GB12668.3—2003《調速電氣傳動系統產品的電磁兼容性標準及其特定的試驗方法》，公共連接點（PCC）的諧波電流限值與電源短路電流和最大基波負載電流之比相關。在基準短路容量下各次諧波電流允許值如表3所示。
表3 基準短路容量下各次諧波電流允許值
其中，基準短路容量（Sj）和電壓的關系為0.38kV～10MVA；6kV10kV～100MVA。
本文中用的諧波電流限值為GBT14549～93中規定的基準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，用戶可以根據自己的實際情況自行選擇。
2. 不同系統配置時的諧波含量
根據三菱電機提供的數據，使用二極管三相橋整流變頻器時，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、諧波電流計算方法
1. 計算步驟
如前所述，變頻器的諧波電流很難直接通過解析公式計算。下面推薦一種計算方法，供大家參考。
步驟1：根據國家標準和實際變壓器的短路容量計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為基準短路容量下各次諧波電流限值；Sr為實際短路容量，MVA；Sj為基準短路容量，380V時取10MVA。
同一公共連接點的每個用戶向電網注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協議容量或最大負荷容量與其供電設備容量之比進行分配。如果簡單地用諧波電流算術和的方法，得到的結果往往過于保守，會造成資源的浪費。推薦使用偽平方求和的方法，即有
Ihi=Ih（Si/St）1/a
式中：Si為用戶的用電協議容量或最大負荷容量，MVA；St為供電設備容量，MVA；Ihi為折算后的各次諧波電流允許值；a為相位疊加系數，按表5進行取值。各次諧波的相位疊加系數如表5所示。
表5 各次諧波的相位疊加系數
步驟2：額定電流折算
I’e=Ie×（0.38標準電壓）
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的結果相比較，判斷是否符合國標。計算公式如下：
Ih=I’e×諧波含量（%）×負載率
如果不符合國標，則應采用其他的對策，如使用電抗器、添加諧波補償設備等。
2. 實例分析
供電系統（10kV）短路容量為10MVA，總供電容量為1MVA。某用戶協議容量都為0.5MVA。若某用戶只使用1臺變頻器，其型號為FR-A540-45K，負載率為80%，分析其諧波電流是否滿足國家標準。計算過程如下。
(1) 根據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
然后根據公式Ihi=Ih（Si/St）1/a和表5，計算得到對應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) 查變頻器手冊得到該變頻器的額定電流：Ie=86（A）
折算到10kV側：
I’e =Ie×（0.3810）=3.27（A）
(3) 在不帶電抗器時，有
I5=3.27×65%×80%=1.7（A）
使用直流電抗器（DCL）時，有
I’5=3.27×30%×80%=0.78（A）
同理，可計算得到表8中的數據。
表8 諧波電流計算值
對比表7和表8可以發現，在不使用直流電抗器時，5次和7次諧波超標。如果使用直流電抗器，則可以滿足諧波標準。
五、結束語
實際應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撲結構，所以就不再詳敘了。諧波問題一直是變頻器發展過程中有待解決的一個主要技術障礙。近兩年來，已經開始出現一些采用新的電路拓撲結構的商業化低壓變頻器產品，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難題的解決，在未來5～10年內，變頻器網側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的“綠色電源”。
：鞏經理
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：南京塞姆泵業有限公司
