1. 其他同类纯变频器负载企业配电系统状态

低压由两台 2.5MVA 变压器供电，主要设备为变频器负载，每台变压器共计 15 台 132kW 变频器并联，每台变压器总计最大功率 1980kW。配电系统如下图（1）所示。

经查实变压器短路阻抗为 10.43%，变频器未接入输入电抗器。下图为配电系统电气示意图。

测试数据 ：

从上述测试数据可以看出，系统的基波功率因数 cosφ在没有任何补偿设备的情况下已经达到了 0.97，系统的功率因数 PF 也达到了 0.94，因此系统对于无功并没有过多的需求（根本原因是变频器的拓扑结构中需要直流支撑电容器，变相的提供了电容补偿）。但可以从测试数据中看出，系统的电压谐波含量达到 9.1%，远超过国标≤5%的要求。与此同时，电流谐波含量为 27.5%，需要进行治理的不是无功，是谐波。

2. 系统分析与仿真

系统配电变压器的短路阻抗一般设计为 6-10%，如果变频器无输入电抗器，变压器可以看做整流变压器，这样可以降低系统的成本。该系统初期设计在降低成本的同时，使得系统低压侧电压谐波含量极高，容易导致敏感的控制设备故障。

2.1. 变频器整流输入的电流谐波

变频器的输入侧是典型的 6 脉冲整流器，当连接于理想电网时（即电网容量无限大，电网无电压谐波），其谐波含量由输入电抗器的电抗率决定。下表为电抗率与谐波含量仿真的曲线：

从上表看出，当变频器输入电抗率为 2%时，变频器输入侧最大谐波含量为 66%左右，当变频器输入侧电抗率为 4%时，输入侧最大谐波含量为 40%左右。当变频器输入侧电抗率为 10%时，输入侧最大谐波含量为 26%左右。
2.2. 非线性负载导致的电压畸变
       通常一般用户高压侧的电压畸变率可以忽略不计。当用户连接大功率的非线性负载，如变频器后，其负载中的电流流过变压器，在变压器的短路阻抗（通常为 4%~10%，相当于串联电抗器）上，会产生压降，其中无功导致基波电压降落，谐波导致电压畸变。
2.3. 有源滤波的本质
       有源滤波器直接目标是滤除（或称为补偿）负载中的谐波，使源电流（=负载电流+滤波器电流）为正弦波，正弦波流过变压器，不会导致变压器电压畸变。从而间接滤除了由于非线性负载导致的电压畸变。当有源滤波器完全滤除负载中的谐波电流后，变压器中电流为正弦电流，变压器传输正弦电流，不会导致输出电压畸变，因此变压器输出侧的电压谐波含量为 0%。因此非理想电网经过良好滤波后，电网可以等效为理想电网。
2.4. 该系统加装滤波器后的问题
       该系统安装理想滤波器后，对于任意负载，其谐波阻抗为 0，因此变压器的短路阻抗在安装滤波器后将不能降低变频器的谐波电流（理想滤波后变压器短路阻抗为零，相当于变压器短路阻抗无法起到变频器输入电抗的作用）。所以在此系统中，通过滤波器良好滤波后，变频器的输入阻抗降低到 0，因此理论上变频器（变频器内无直流电抗情况下）的谐波含量将达到 100%以上，见上图。变频器过高的输入谐波电流，会导致变频器故障率升高，需要避免。
3. 解决方案
3.1. 概述
       有源滤波的目的是降低电流电压谐波、降低配电系统损耗，提高设备运行的稳定性，谐波越低，系统损耗越低、系统越稳定。但具体到每个系统并不是谐波滤除率越高越好，应根据系统特点具体分析、相互对照，提出相对合理的谐波治理目标与解决方案。
3.2. 最佳治理方案
3.2.1. 装 每台变频器输入侧加装 4% 左右的电抗器
       原配置的变频器无输入电抗器，通过滤波器治理系统谐波后，变频器的输入电流谐波达到 100%以上，变频器的输入电流峰值因数高，容易导致变频器故障。
       更换后可以使得变频器输入侧的电流谐波在 40%左右，可以保证变频器的使用安全。
3.2.2. 安装合适的滤波器
       计算方式： 根据负载容量计算
       主要谐波源负载计算负荷： 945KVA
       主要谐波源负载谐波含量： 27%
       计算公式： 谐波电流 = 谐波源负载计算负荷 * 谐波含量 / ( 1.732 * 电压等级 )
       计算结果： 谐波电流 = 368A
       每段母线安装 1 套 400A 有源滤波，共计 2 套。

法拉德电气（北京）有限公司
技术部
2016年7月