根据IEEE 519实践和程序减少谐波

技术更新:工业设施应包括系统评估，包括谐波失真分析，而计划设施建设或扩建。非线性负载的供应商，如变频驱动器，可以提供服务和推荐设备，将减少谐波，以符合IEEE 519。

通过Nikunj沙 2014年5月20日

随着非线性负载使用的增加，电源谐波比以往任何时候都更加明显。对于工业用户来说，控制和监控工业系统设计及其对公用事业分配系统的影响是潜在的问题，他们负责遵守IEEE 519推荐的实践和程序。产业设施在计划建设或扩建设施时，应包括谐波失真分析等系统评价。非线性负载的供应商，如变频驱动器，可以提供服务和推荐设备，将减少谐波，以符合IEEE 519指南。

一般情况下，在任何共耦合点(PCC)，总谐波电压畸变的测量值不应超过5%，任何单个谐波电压畸变的测量值不应超过线路电压基本值的3%。通常，在典型应用中，谐波被测量到25阶，但在关键应用中，这些被测量到50或100阶。

有许多谐波缓解方法可用于个别应用(例如，每个驱动器)和“全局缓解”(例如针对一组非线性设备的通用谐波缓解解决方案)。可以使用特定类型的谐波缓解解决方案，这取决于应用和所需的衰减水平，以满足IEEE 519中给出的限制。

谐波控制，IEEE 519-1992指南

IEEE 519最初于1981年作为“IEEE静态功率变换器谐波控制和无功补偿指南”推出。它最初确定了配电系统对个别非线性负荷可接受的电压畸变水平。随着工业非线性负载(如变频驱动器)的使用越来越多，有必要修订该标准。

电力工程学会和工业应用学会的IEEE工作组制定了电力质量指南，电力公司必须提供，工业用户可以将其注入配电系统。修订后的标准于1993年4月12日发布，更新了1992年版IEEE 519，该标准为公用事业配电系统的谐波电压以及工业配电系统中的谐波电流建立了建议指南。根据该标准，工业系统负责控制在工业工作场所产生的谐波电流。由于通过配电系统阻抗反映的谐波电流在公用事业配电系统上产生谐波电压，该标准提出了基于工业配电系统设计的指导方针。

2004年，IEEE成立了一个名为“519修订工作组(PES/T&D谐波工作组)”的工作组，修订1992年版的IEEE 519(电力系统谐波控制建议实践和要求)，并开发了应用指南IEEE 519.1(电力系统谐波限制应用指南)。IEEE 519的修订版包括了基于过去20年在电力系统谐波、谐波对电力设备的影响以及如何限制谐波方面所获得的重要经验的变化。此外，在可能的情况下，本文档还包含了一些专门用于IEEE和其他国际标准的协调的材料。

应用指南IEEE 519.1包含了IEEE 519中建议的限制的重要原理和大量示例场景，并提供了控制电力系统谐波的程序，以及客户谐波注入和整体电力系统谐波水平的建议限制。

修订后的IEEE 519和应用指南IEEE 519.1被认为是互补的。

系统谐波的评估

为了防止或纠正工业设施中可能发生的谐波问题，在以下情况下，应对系统谐波进行评估:

扩建后，增加了较大的非线性负荷
在服务入口或附近增加功率因数校正电容器组或线路谐波滤波器
装置中增加了一台发电机作为备用电源
公用事业公司对电厂施加了更严格的谐波注入限制。

通常，非线性负载设备(如变频驱动器)的供应商或供应商会评估该设备可能对配电系统产生的影响。这通常涉及到与配电系统设计和阻抗相关的细节，类似于执行短路研究评估。

在线额外

[下面这篇在线文章解释了各种谐波缓解方法，并提供了7个无源谐波滤波器、12脉冲变换器前端、18脉冲变换器前端、有源滤波器和有源前端的在线连接图，以及不同类型前端的谐波校正值表。]

消除谐波的方法

大多数大功率(通常是三相)电气非线性设备通常需要减缓设备来将谐波电流和相关电压失真衰减到必要的范围内。根据所需解决方案的类型，缓解可以作为非线性设备(如交流线路电抗器或交流脉冲宽度调制(PWM)驱动器的线路谐波滤波器)的组成部分提供，也可以作为缓解设备的离散项目(如连接到配电板的有源或无源滤波器)提供。有很多方法可以减少谐波，从变频驱动设计到增加辅助设备。下面将解释一些目前用于减少谐波的最普遍的方法。

Delta-delta和delta-Wye变压器

这种配置使用两个具有相等非线性负载的独立实用馈电变压器。通过对消技术，将相位关系转移到各种6脉冲转换器。类似的技术也用于驱动器的12脉冲前端，下面将对此进行解释。

隔离变压器

在许多情况下，隔离变压器提供了一个很好的解决方案，以减轻非线性负载产生的谐波。其优点是通过提高或降低系统电压来实现“电压匹配”，并为有害的接地故障提供中性接地参考。当使用使用可控硅整流器(scr)作为桥式整流器的交流或直流驱动器时，这是最佳解决方案。

反应堆

使用电抗器是减少非线性负载产生的谐波的一种简单而经济的方法，是比隔离变压器更好的谐波减少解决方案。电抗器或电感器通常应用于变速驱动器等单独负载，并可在标准阻抗范围内使用，如2%，3%，5%和7.5%。

当通过电抗器的电流发生变化时，电抗器的两端就会产生与外加电压方向相反的电压，从而与电流的变化率相反。电抗器两端的感应电压由下式表示。

地点:

e =电抗器两端的感应电压

L =电抗器的电感，单位为亨利

di/dt =通过电抗器的电流变化率，单位安培/秒

电抗器的这一特性在限制由电气变速驱动器和其他非线性负载产生的谐波电流方面是有用的。此外，与驱动或其他非线性负载的终端相比，交流线路电抗器减少了其线路侧的总谐波电压失真(THDv)。

在电动变速驱动器中，电抗器经常用于除其他谐波缓解方法。在交流驱动器上，电抗器可以用于交流线路侧(称为交流线路电抗器)，也可以用于直流链路电路(称为直流链路或直流母线电抗器)，或两者同时使用，这取决于驱动器设计的类型和/或电源的必要性能。

交流电抗器在驱动器中比直流母线电抗器更常用，除了减少谐波电流外，它还为驱动器输入整流器提供浪涌抑制。使用电抗器的缺点是驱动器终端的电压降，大约与驱动器终端的电抗百分比成比例。

在大型驱动器中，交流线路和直流母线电抗器都可以使用，特别是当专用电源的短路容量相对于驱动器kVA相对较低或电源容易受到干扰时。图5给出了无整线电抗器和有整线电抗器的6脉冲前端电流波形的个别频率和总谐波失真的典型值。

无源谐波滤波器(或线谐波滤波器)

无源或线路谐波滤波器(LHF)也被称为谐波陷阱滤波器，用于消除或控制更主要的低阶谐波，特别是第5、7、11和13阶谐波。它们既可以作为大型非线性负载(如6脉冲驱动器)的独立部件使用，也可以通过将其连接到配电板用于多个小型单相非线性负载。LHF由无源lc电路(通常也有用于阻尼的电阻R)组成，该电路被调谐到需要减轻的特定谐波频率(例如，第5、第7、第11、第13等)。它的工作依赖于“共振现象”，这是由于电感器和电容器的频率变化而发生的。

串联谐振电路和(理论上)并联谐振电路的谐振频率可以为:

地点:

fr =共振频率，Hz

L =滤波电感，亨利

C =滤波电容，法拉

如图4所示，无源滤波器通常与非线性负载并联，并“调谐”以提供非常低的阻抗以缓解谐波频率。在实际应用中，13次谐波以上，它们的性能较差;因此，它们很少应用于高次谐波。

无源滤波器易受源阻抗和负载阻抗变化的影响。它们从其他来源(如PCC的下游)吸引谐波;因此，在设计时必须考虑到这一点。谐波和电力系统的研究通常是为了计算它们的有效性，并探索由于它们的拟议使用而在电力系统中产生谐振的可能性。图5给出了具有积分LHF的6脉冲前端电流波形的个别频率和总谐波失真的典型值。

有关控制谐波、图表和引用的更多方法，请参阅下一页。

12脉冲转换器前端

在这种配置中，桥式整流电路的前端使用了12个二极管而不是6个。其优点是将第5次和第7次谐波降低到更高阶，其中第11次和第13次谐波成为主要谐波。这将使这些谐波的幅度最小化，但不会消除它们。

缺点是成本较高，结构特殊，因为它需要delta-delta和delta-Wye变压器，“之字形”变压器，或自耦变压器来完成30度相移，以正常运行12脉冲配置。这种配置还会影响整个驱动系统的效率等级，因为与变压器/秒相关的电压降。图5.2说明了12脉冲转换器前端的典型基本图。两个6脉冲桥式整流器的直流侧并联以获得更高的电流(图5.2)，串联以获得更高的电压。表5.1给出了由12脉冲转换器绘制的电流的典型谐波失真值。

18脉冲转换器前端

18脉冲转换器前端拓扑结构由三相至9相隔离变压器或低成本专利设计的三相至9相自耦变压器组成，以创建18脉冲操作所需的±20度相移，以及包含18个二极管(每腿两个)的9相二极管整流器，以将9相交流转换为直流。图5.3为18脉冲系统框图。与12脉冲结构相似，18脉冲也存在成本较高、结构特殊的缺点。

九相18脉冲变换器不仅在交流输入电流中具有低谐波失真，而且还提供更平滑，更高的直流输出平均值。

此外，由于18个脉冲配置的特征谐波为18n±1(其中n为整数1,2,3，…)，它实际上消除了低阶非特征谐波(5,7,11,13)。表5.1显示了18脉冲配置的典型谐波性能。

活跃的过滤器

有源滤波器现在在工业应用中相对普遍，用于谐波缓解和无功补偿(如电子功率因数校正)。与无源lc滤波器不同，有源滤波器不会对网络产生潜在谐振，并且不受源阻抗变化的影响。

如图8所示的并联有源滤波器(与非线性负载并联)是有源滤波器的常见配置。有源滤波器由隔离栅双极晶体管(IGBT)桥和与交流PWM驱动器类似的直流母线结构组成。直流母线用作储能单元。有源滤波器通过从非线性负载电流波形中滤除基波电流来测量“失真电流”波形，然后馈电给控制器产生相应的IGBT发射模式来复制和放大“失真电流”并产生“补偿电流”，该“补偿电流”以反相(显示180度)注入负载以补偿谐波电流。当根据“谐波补偿电流”正确额定时，有源滤波器为非线性负载提供其工作所需的谐波电流，而源仅提供基电流。

有源滤波器是复杂而昂贵的产品。此外，认真调试有源滤波器是非常重要的，以获得最佳性能，尽管“自调谐”模型现在可用。然而，有源滤波器在降低谐波和控制功率因数方面确实提供了良好的性能。它们的使用应根据应用标准逐个项目加以审查。

主动前端

“有源前端”(AFE)，也被称为“正弦输入整流器”，可从许多交流驱动和不间断电源(UPS)系统公司提供低输入谐波足迹。

带主动前端的交流PWM驱动器的典型配置如图9所示。

如图所示，一个正常的6脉冲二极管前端被一个完全控制的IGBT桥所取代，与输出逆变器桥的配置相同。

直流母线和IGBT输出桥结构类似于标准的带二极管输入桥的6脉冲交流PWM驱动器。

与6脉冲二极管桥的传统交流PWM驱动器相比，输入IGBT输入桥整流器的操作显著降低了低次谐波(<50次谐波)。然而，它固有地引入了显著的高阶谐波，超过50次。此外，IGBT开关的动作在载波频率(~2-3 kHz)引入明显的“纹波”到电压波形中，必须通过交流线路电抗器(也可以作为能量存储，允许输入IGBT整流器作为直流总线的升压调节器)和电容器的组合来衰减，以形成无源(也称为清洁电源)滤波器。与相同额定的传统6脉冲交流PWM驱动器相比，AFE驱动器具有明显更高的传导和辐射电磁干扰(EMI_发射)，因此在应用它们时可能需要特殊的预防措施和安装技术。AFE驱动器本质上是“四象限”(它们可以在两个旋转方向上驱动和制动，制动过程中任何多余的动能都可以再生到电源)，提供高动态响应，并且相对不受电压下降的影响。AFE驱动器的真实功率因数很高(约0.98-1.0)。无功电流通常是通过驱动器接口键盘控制的。

电力系统设计

使用下面的方程来确定分布上是否会发生共振条件:

地点:

hr =共振频率与基频的倍数(= fr/f1)

kVAsc =研究点的短路kVA

kVARc =电容器在系统电压下的kVAR额定值

如果hr等于或接近特征谐波(例如第5次或第7次)，则有可能出现共振条件。

Nikunj Shah是西门子工业公司低压驱动设计工程的负责人。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念