高壓電壓源與電流源變頻器性能對比的討論

　　4 變頻器電網(wǎng)側的諧波電流

　　此諧波電流與逆變電路無(wú)關(guān)，只決定于變頻器前面輸入整流部分的電路與中間直流是用電容還是電感平波，下面不討論pwm整流，pwm整流有很好的性能，可四象限運行，高cosφ，低諧波，但有高頻騷擾輸到電網(wǎng)（與調制頻率有關(guān)），主要問(wèn)題是價(jià)格較高。這里只討論常用三相或多相整流裝置向電網(wǎng)輸出的諧波。

　　4.1 電壓源變頻器的諧波

　　中間直流環(huán)節用大電容平波，只能穩定直流電壓，此大電容對變動(dòng)的輸入卻是低阻抗，因而輸入電流有很大的諧波成分，iec標準［5］對此諧波分量已有數據列成表格如附表所示。

　　從附表中可以看出下面幾個(gè)特點(diǎn)：

　?。?）諧波是特征諧波，只和整流脈動(dòng)數有關(guān)，例如三相對稱(chēng)橋整流，則為6脈動(dòng)，最低諧波次數為5次，如果為18脈動(dòng)，則最低諧波次數為17次（理論上沒(méi)有5、7、11、13等低次諧波），所以大功率整流多采用多相整流，即變壓器有多個(gè)付繞組，彼此的相角有移位，而且諧波次數愈高，諧波相對值愈小。

　?。?）各次諧波量的大小與變頻器輸入端的系統短路容量大小成正相關(guān)關(guān)系，短路容量愈小，諧波量愈小，所以在變頻器輸入端之前要求串入一臺相對電抗值x%為4%的輸入電抗器，對低壓變頻器而言，制造廠(chǎng)一般都成套提供。對高壓變頻器而言，這個(gè)道理是一樣的，附表的數值也是適用的。x%不能太大也不能太小。

　?。?） 和下面的電流型變頻器相比，電壓源變頻器在同等條件下的諧波電流要大很多，對這一點(diǎn)，下面第4.3節再作對比分析。

　　4.2 電流源變頻器的諧波

　　中間直流環(huán)節用大電感，對變動(dòng)的電流而言，是一個(gè)很大的內抗，因而變頻器輸入電流中的諧波成分相對較少，它有以下特性：

　?。?） ih/i1= 1/h

　　上式中：i1-基波電流，由負載大小決定；ih-特征諧波中的第h次的諧波電流。

　　可見(jiàn)，諧波次數h愈高，其電流愈小，與h成反比，例如5次諧波只有基波電流的20%。

　?。?） 同電壓型諧波源的第（1）點(diǎn)一樣，諧波也是 特征諧波，如果采用多相整流例如18脈動(dòng)，最低諧波次數為17次，沒(méi)有13次以下的諧波。

　?。?） 變頻器輸入端短路容量減少時(shí)，諧波電流略有減少，但變化不大。

　　4.3 電壓源與電流源諧波的比較

　　從上面分析可知對普通整流而言，二者的諧波都是特征諧波，通過(guò)多相整流，可以消除低次的特征諧波，諧波的次數愈高，其數值愈小，但對同一次諧波而言，電壓源的諧波電流要大得多，以5次諧波為例，電流源的諧波相對值為1/5約為0.2，而電壓源的諧波電流值為0.3，而且這是有條件的：rsc=20，即在變頻器輸入端之前需要串有一個(gè)輸入電抗器，其相對電抗值加上電源系統的電抗（主要是變壓器電抗）要等于5%。電流源變頻器之前則并不需要為限制特征諧波而設置輸入電抗器。

　　5 變頻器輸出電流動(dòng)態(tài)性能比較

　　某些意見(jiàn)認為電流源變頻器輸出電流的快速性好，筆者不認同此結論，它的快速性肯定不如電壓源變頻器，理由如下：如果要瞬時(shí)增加輸出電流：

　?。?） 改變逆變側pwm的調制規律，提高直流電壓利用率，如果輸出是方塊波，則已無(wú)能為力；

　?。?） 從輸入交流側提高中間的直流電壓值例如當輸入側整流橋使用的是可控或半可控器件（晶閘管）時(shí)。

　　但即使這兩個(gè)措施同時(shí)采用，由于中間直流環(huán)節中有一個(gè)很大的電抗器，電流的上升速度就受到很大的抑制，電壓源變頻器則剛好相反，中間并聯(lián)的大電容是一個(gè)低阻抗，無(wú)論是接受電網(wǎng)來(lái)的能量，或輸出能量給逆變器和電機，它幾乎沒(méi)有阻礙作用，只要有控制措施，就能快速響應。

　　基于這樣的分析，電流源變頻器不適宜于動(dòng)態(tài)性能要求很高的機械，例如軋鋼機、提升機等，但電流上升率較低也有好處，就是萬(wàn)一發(fā)生短路，電子式過(guò)流保護易于湊效，電流上升率低這一固有性能、可以充分恰當地加以利用。

　　6 綜合性能比較

　　當前，電壓源變頻器在低壓產(chǎn)品方面是壓倒性的主流，在1kv以上高壓產(chǎn)品方面也是主流，這是不爭的事實(shí)，預計將來(lái)的局面也不會(huì )改變，這是因為電壓源變頻器的性能通用性強，適用于各種不同要求的負載，設計、生產(chǎn)技術(shù)也比較成熟，一般廠(chǎng)家都能掌握，但是高壓變頻器產(chǎn)品尚在發(fā)展中，當前尚存的主要問(wèn)題包括：高電壓大電流的全關(guān)斷電力電子器件有待發(fā)展，電動(dòng)機耐受高dv/dt的能力有限，因而三電平或多電平電壓源高壓變頻器是一個(gè)現實(shí)的可行方案，為了得到既可靠又經(jīng)濟的三電平或多電平方案，不同的拓撲結構尚在研發(fā)中。

　　電流源變頻器不適用于負荷快速度化的負載，他的優(yōu)點(diǎn)是兩電平方案有不危害電機的dv/dt輸出，如果將來(lái)高電壓大電流的全關(guān)斷器件能以不太高的價(jià)格大量出現，則他的發(fā)展勢頭有可能加大。

　　7 結束語(yǔ)

　　由上述分析可以看出，電壓源和電流源兩類(lèi)高壓變頻器各有各的發(fā)展空間，當前尚處在性?xún)r(jià)比的競爭態(tài)勢中，本文的目的只是對兩類(lèi)高壓變頻器的技術(shù)性能作一些嘗試性的分析和比較探討，對深入理解可能有些幫助，歡迎批評和指正。