近年來(lái)，隨著電子信息行業(yè)的迅速發(fā)展，相關(guān)的場(chǎng)地環(huán)境需求也緊隨計(jì)算機(jī)等設(shè)備的需求而提高，尤其在電力方面，已經(jīng)由過(guò)去簡(jiǎn)單地提供電源發(fā)展到提供高質(zhì)量的綠色電源上，特別是在諸如國(guó)家氣象信息中心這樣的高密度計(jì)算機(jī)房中，電能質(zhì)量已經(jīng)成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，電源的質(zhì)量直接影響到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)和運(yùn)行。當(dāng)前，電能質(zhì)量主要存在以下一系列問(wèn)題:諧波畸變、斷電、過(guò)(欠)電壓、電壓暫降、瞬變、浪涌等，引發(fā)這些問(wèn)題的原因一方面來(lái)自基礎(chǔ)設(shè)施共享，如電網(wǎng)中的一個(gè)故障影響到該電網(wǎng)中的其它用戶，另一方面，來(lái)自用電設(shè)備自身。當(dāng)前，由于設(shè)備普遍采用開(kāi)關(guān)電源器件，導(dǎo)致負(fù)載電流波形嚴(yán)重畸變，呈現(xiàn)非正弦波形，加之供電線路存在一定的阻抗，電流波形使電壓波形發(fā)生畸變，該電壓波形會(huì)嚴(yán)重污染上一級(jí)電網(wǎng)。鑒于以上這些情況，電能質(zhì)量問(wèn)題已成為電源工作者面臨的一個(gè)難題。
UPS" title="UPS">UPS產(chǎn)生的諧波
1諧波概念及危害
在理想的電力系統(tǒng)下，電壓和電流波形都是光滑的正弦波，而實(shí)際上，當(dāng)用電設(shè)備為非線性負(fù)載時(shí)，例如:開(kāi)關(guān)型電源、電子鎮(zhèn)流器、變速傳動(dòng)裝置、UPS等，電流波形就會(huì)呈現(xiàn)非正弦波。具有基波電源頻率整數(shù)倍頻率的電壓或電流稱為諧波。通過(guò)對(duì)波形進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)可知:任何周期性的波形都可以分解成一個(gè)基波頻率的正弦波和多個(gè)諧波頻率的正弦波，對(duì)于對(duì)稱波形，所有偶次諧波為零。
由諧波引起的危害可分為諧波電流引起的危害和諧波電壓引起的危害。諧波電流引起的危害包括3N次諧波電流在中線的疊加致使配電電纜必須降容使用、變壓器的損耗增大、諧波使斷路器誤跳閘等;諧波電壓引起的危害主要包括電壓畸變影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行和過(guò)零噪擾等。
2UPS產(chǎn)生諧波機(jī)理
與電力電子裝置有關(guān)的原始波形幾乎都是非正弦的，波形都含有諧波分量，UPS是其中的一個(gè)代表，UPS的整流方式是產(chǎn)生諧波的一個(gè)重要原因，在理想情況下，認(rèn)為交流電源是三相對(duì)稱工頻正弦波電壓，忽略供電電源自身的諧波，同時(shí)也不考慮脈沖橋式整流電路換相重疊角的影響，忽略直流回路電流紋波的影響并假定電路的觸發(fā)脈沖對(duì)稱、導(dǎo)通角α相等，在上述理想條件下，當(dāng)裝置處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)函數(shù)法將被分析波形表示成一系列已知波形與開(kāi)關(guān)函數(shù)的乘積和的形式，將其中的已知波形與開(kāi)關(guān)函數(shù)都展開(kāi)成級(jí)數(shù)的形式，再對(duì)乘積和進(jìn)行整理化簡(jiǎn)，最后將被分析的波形表示成級(jí)數(shù)的形式，以便于討論其中諧波的級(jí)次與含量。
3UPS整流產(chǎn)生諧波的特點(diǎn)
UPS整流產(chǎn)生諧波可分為整流直流電壓諧波和電源側(cè)的電流諧波，對(duì)于多脈沖整流電路，可以得到如下結(jié)論:
對(duì)于直流側(cè)電壓:
(1)電路的總脈沖數(shù)越多，在直流端電壓波形中諧波抵消得越多，直流側(cè)電壓波形越好;
(2)在系統(tǒng)直流側(cè)電壓中出現(xiàn)的諧波頻率為電壓脈沖數(shù)的整數(shù)倍，諧波級(jí)次n=pm。例如6脈沖電路，電壓諧波頻率為6m倍輸入頻率;
(3)諧波次數(shù)越低，諧波幅值越大。
對(duì)于交流側(cè)電流:
(1)對(duì)于理想的p脈沖整流器，在交流側(cè)只有下列次數(shù)的諧波電流：n=Pm±1次，式中m=1，2，3，…。各個(gè)諧波電流分量的幅值為基波電流的l/n。例如，對(duì)于6脈沖整流裝置，線電流中只有5、7、11、13、17、19…等奇次諧波，其中5、7次諧波幅值分別為基波電流的1/5和1/7;對(duì)于12脈沖裝置，線電流中只有11、13、23、25…等奇次諧波，其幅值也顯著減小;
(2)增加整流器的脈沖數(shù)p，對(duì)減小交、直流兩側(cè)的諧波分量有決定性影響。所以，構(gòu)成脈沖數(shù)盡可能大的系統(tǒng)是整流裝置減少交、直流兩側(cè)諧波電流和諧波電壓的根本措施。
本文主要就UPS整流產(chǎn)生的電源側(cè)電流諧波進(jìn)行分析研究。
UPS整流濾波" title="整流濾波">整流濾波方式與諧波抑制關(guān)系
1、信息中心大功率UPS分類
國(guó)家氣象信息中心共有12臺(tái)大功率UPS，幾乎涵蓋了目前市場(chǎng)上各種形式的大功率UPS，根據(jù)整流、濾波方式的不同，可將其分成以下幾種類型，如：
整流器件整流方式隔離變壓器輸入濾波方式UPS典型
晶閘管(SVR)6脈沖無(wú)無(wú)120kVAA品牌UPS120kVAB品牌UPS250kVAA品牌UPS
有源濾波+無(wú)源濾波300kVAA品牌UPS
12脈沖30°移相變壓器11次諧波濾波器" title="濾波器">濾波器300kVAC品牌UPS
原邊：三角形副邊：星形+三角形11次諧波濾波器13次諧波濾波器625kVAD品牌UPS
IGBTPWM無(wú)無(wú)120kVAE品牌UPS
2、對(duì)6脈沖無(wú)輸入隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析
以250kVAA品牌UPS為代表的6脈沖晶閘管整流UPS，無(wú)輸入隔離變壓器和輸入濾波器，通過(guò)FLUKEF434電能質(zhì)量分析儀檢測(cè)得到該UPS的諧波頻譜分析圖及電流波形，如圖2所示。由圖可見(jiàn)，輸入電流波形嚴(yán)重畸變，A相輸入電流總諧波畸變達(dá)到45.3%，其中5次諧波占很大成分，A相約為41.5%，7次諧波次之，A相約為13.9%，與前所述的UPS6脈沖整流產(chǎn)生諧波的特點(diǎn)相符，輸入功率因數(shù)PF(0.79)與基波功率(位移)功率因數(shù)COSφ(0.86)的比值較大，即電流畸變因數(shù)ζ(0.92)偏離1較大，說(shuō)明輸入電流的畸變較嚴(yán)重。另外，在電流波形呈現(xiàn)非正弦的情況下，畸變功率D即由諧波電流產(chǎn)生的無(wú)功功率也是不容忽視的。
3、對(duì)12脈沖含有移相隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析
對(duì)于三角形繞組的變壓器，3N次諧波全部同相，因此，3N次諧波電流在繞組里循環(huán)，不會(huì)向電網(wǎng)擴(kuò)散，輸入隔離變壓器對(duì)電流諧波有一定的抑制作用。信息中心兩臺(tái)30OkVAC品牌UPS在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)上，輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線電流由12個(gè)晶閘管整流完成，這大大減小了UPS的輸入諧波電流。另外，C品牌UPS安裝了吸收11次諧波輸入濾波器，即將LC串聯(lián)諧振電路的諧振點(diǎn)調(diào)整到55OHz，使整流電路產(chǎn)生的11次諧波大部分流入LC串聯(lián)諧振回路，從而將流入電網(wǎng)的諧波電路抑制在允許值之內(nèi)。
為了提高電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)可參考度的準(zhǔn)確性，將中心所有并聯(lián)冗余的UPS全部切換到單臺(tái)UPS供電，這樣，提高了單臺(tái)UPS的負(fù)載率，使全部參與比較的幾種整流、濾波方式的UPS負(fù)載率均在45%~65%之內(nèi)，使比較的數(shù)據(jù)受負(fù)載率影響較小，更加具有參考性和信服度。通過(guò)電能質(zhì)量分析可以得到:30OkVAC牌UPS輸入總諧波畸變較小，最高的一相僅為5.2%，諧波主要以7次為主，且諧波含量較小，輸入功率因數(shù)不高(僅為0.89)，基波功率因數(shù)COSφ(0.89)與總輸入功率因數(shù)相等，說(shuō)明電流畸變很小。
4、對(duì)12脈沖含有輸入隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析
D晶牌UPS采用12脈沖晶閘管全橋整流電路，兩個(gè)整流器與輸入端均隔離，原邊為三角形連接、副邊整流器A采用三角形連接，整流器B采用星形連接，該UPS裝有智能化的輸入濾波器，可根據(jù)負(fù)載量決定是否投入使用部分濾波電容，對(duì)于采用12脈沖整流方式的UPS來(lái)說(shuō)，輸入電流的諧波主要以11次、13次為主，故該UPS濾波器設(shè)計(jì)即針對(duì)11次和13次諧波進(jìn)行吸收，由電能質(zhì)量分析圖可知:對(duì)于11次、13次諧波的濾波效果非常好，11次、13次諧波含量?jī)H為0.3%和0.4%，而總電流諧波畸變也在5.2%以內(nèi)，電流呈現(xiàn)出較好的正弦波形且輸入功率因數(shù)高達(dá)0.94。D品牌UPS采用的智能化輸入濾波器能有效地凈化來(lái)自市電電網(wǎng)的脈沖、浪涌電壓、尖峰電壓、高頻電磁干擾等可能對(duì)UPS造成的危害，同時(shí)也可以減小由整流器所形成的電流諧波對(duì)市電電網(wǎng)的諧波污染，并且提高了輸入功率因數(shù)。
5、對(duì)脈寬調(diào)制整流無(wú)輸入隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析
脈沖整流器是一種以脈寬調(diào)制(PWM)方式工作的整流器，與相控整流器相比具有功率因數(shù)高、諧波含量低、交流側(cè)電流接近于正弦，以及整流器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)家氣象信息中心12OkVAE品牌UPS即為采用IGBT的PWM整流工作方式的UPS，從電能質(zhì)量分析圖中(見(jiàn)圖5)可以得出:在負(fù)載率為62.2%的情況下，其輸入電流總諧波畸變?cè)?0.9%以內(nèi)，以5次諧渡和7次諧波為主，電流波形較接近正弦波，但并不光滑，功率因數(shù)很高(0.94)，符合PWM整流的特點(diǎn)。但是，經(jīng)過(guò)分析比較可知:PWM整流產(chǎn)生的總諧波畸變大于12脈沖相控整流，與傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為PWM整流"諧波含量最低"的特點(diǎn)略有差別。
6、對(duì)6脈沖含有有源+無(wú)源輸入濾波器UPS的諧波分析
300kVAA品牌UPS采用6脈沖整流，無(wú)輸入隔離變壓器，配置了有源濾波器和無(wú)源濾波器的混、合濾波器(THM)作為抑制諧波的措施，有源濾波器的基本原理是:通過(guò)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電流i1，經(jīng)補(bǔ)償電流檢算電路計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic*，該信號(hào)作為補(bǔ)償電流參考值經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路得到補(bǔ)償電流實(shí)際值ic，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功電流抵消(ic=ih)，最終得到期望的電源電流(is=if)。300kVAA品牌UPS采用了混合濾波器(THM)，當(dāng)諧渡含量較大時(shí)，有源濾波自動(dòng)投入，當(dāng)諧波含量較小時(shí)，采用LC無(wú)源濾波。
分析比較可知:在混合濾波器后端測(cè)量的效果等同于直接測(cè)量6脈沖SCR整流器產(chǎn)生的諧波，觀察其波形發(fā)現(xiàn)它與250kVAA品牌UPS輸入波形極其類似。另外，其總輸入諧波電流畸變很大，最高的一相達(dá)到47.6%，尤以5次諧波為主(43.6%)，7次諧波次之(17.2%)且輸入功率因數(shù)很低，僅為0.77。對(duì)比混合濾波器前端的檢測(cè)數(shù)據(jù)可知:輸入電流波形呈現(xiàn)光滑完好的正弦波，輸入總諧波畸變?cè)?.4%以內(nèi)，3次諧波含量相比略大(3.6%)，其余各次諧波含量都很小。有源濾波器對(duì)諧波的抑制過(guò)程可以理解為:由有源濾波器產(chǎn)生以下這種波形的電流，即整流器所需波形的電流減去電網(wǎng)波形電流，總而言之，由有源濾波器提供諧波電流，而非電網(wǎng)提供。但是，由于有源濾波器自身無(wú)法產(chǎn)生任何電能，必須以消耗電網(wǎng)電能的方式來(lái)進(jìn)行諧波補(bǔ)償，所以，有源濾波與UPS配合使用時(shí)具有效率不高的缺點(diǎn)。
比較和總結(jié)
整流、濾波方式輸入總諧波畸變輸入功率因數(shù)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
6脈沖SCR整流很大較低諧波畸變嚴(yán)重
12脈沖SCR整流+30°移相變壓器+11次諧波濾波器較小高諧波抑制效果較好移相變壓器諧波抑制效果不如輸入隔離變壓器
12脈沖SCR整流+輸入隔離變壓器+11次諧波濾波器+13次諧波濾波器很小最高(1)輸入總諧波畸變很低(2)功率因數(shù)較高(3)可靠性高、技術(shù)成熟(4)相對(duì)成本低體積較大
IGBTPWM整流小較低(1)對(duì)諧波有一定的抑制效果(2)功率因數(shù)較高(僅限負(fù)載率較高的情況)目前無(wú)法生產(chǎn)高功率IGBT整流器
6脈沖SCR整流+混合濾波器最小較低諧波抑制效果很好，輸入總諧波畸變很低(1)存在誤補(bǔ)償問(wèn)題(2)可靠性不高(3)系統(tǒng)效率低(4)成本高
對(duì)于類似國(guó)家氣象信息中心這樣以大型計(jì)算機(jī)機(jī)房為主要負(fù)載的場(chǎng)地環(huán)境來(lái)說(shuō)，選用12脈沖晶閘管(SCR)整流方式，配合以11、13次諧波濾波器或者IGBTPWM整流方式以及6脈沖SCR整流配以混合濾波器的三種形式均可對(duì)諧波具有較好的抑制效果但若負(fù)載效率較低，則可排除IGBTPWM整流方式，因其在負(fù)載率較低的情況下，功率因數(shù)也較低。信息中心的計(jì)算機(jī)房負(fù)載量很大且必須考慮能耗問(wèn)題，故綜合諸多因素，12脈沖晶閘管(SCR)整流方式，配合11、13次諧波濾波器的形式在目前較有合適，在諧波的抑制、功率因數(shù)的提高方面均有一定的優(yōu)勢(shì)。