在前面我們有討論過UPS電源諧波危害的認識與治理,下面我們就諧波輸入問題來分析大型UPS不間斷電源。


1、諧波及其危害

   在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備供電的結(jié)果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，電力質(zhì)量變壞。因此，諧波是電力質(zhì)量的重要指標之一。

諧波的危害表現(xiàn)為：引起電力設備附加損耗和發(fā)熱;使同步發(fā)電機的額定輸出功率降低，轉(zhuǎn)矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短使用壽命，甚至損害；諧波注入電網(wǎng)后會使無功功率增加，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧波，損壞電氣設備以及干擾通信電路的正常工作。

2、大型UPS輸入諧波對供電系統(tǒng)的影響

   在實際維護當中，經(jīng)常遇到UPS電源輸入諧波電流所帶來的問題，總結(jié)起來主要有以下兩個方面：

（1)、對輸電線路的影響

在趨膚效應的作用下，輸電線路阻抗隨著頻率的升高而增加，高次諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。

此外，輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容。當注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)路諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，會激勵電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會英氣繼電保護裝置裝置出現(xiàn)誤動，以致?lián)p壞設備，于此同時還可產(chǎn)生相當大的諧波網(wǎng)損。

（2）、對電力電容的影響

諧波電壓的增高會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，當電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會使諧波電流放大，造成電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。

3、治理UPS輸入諧波的主要方法

（1）、增加UPS輸入整流器的相數(shù)

可控硅整流器是UPS不間斷電源的主要諧波源之一。理論分析表明，可控硅整流器在其交流側(cè)與直流產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk（p為整流相數(shù)或脈動數(shù)，k為正整數(shù))。當脈動數(shù)由p=6增加到p=12時，可以有效地消除幅值較大的低頻項，可大大降低諧波電流的有效值。

（2）、增裝動態(tài)無功補償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力

在技術經(jīng)濟分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設動態(tài)無功補償裝置—靜止無功補償裝置或靜止同步補償裝置，以獲得補償負荷快速變動的無功需求、改善功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波、減少向系統(tǒng)注入諧波電流、穩(wěn)定母線電壓、降低三項電壓不平衡度等，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

（3）加裝濾波裝置（包括無源濾波和有源濾波裝置）

為了減少諧波對供電系統(tǒng)的影響，根本的思想是從產(chǎn)生的。諧波的源頭抓起，設法在諧波源附近抑制諧波電流的產(chǎn)生，降低諧波電壓防止諧波電流危害的方法：一是被動的防御，即在已產(chǎn)生諧波的情況下，采用傳統(tǒng)的無源濾波方法（由電容器、電抗器和電阻器一組無源元件組成的調(diào)諧濾波裝置），減輕諧波對電器設備的危害；另一種方法是主動地預防諧波電流的產(chǎn)生，即有源濾波方法，其原理是利用可關斷電力電子器件產(chǎn)生與負荷電流中的諧波分量大小相等、相位相反的電流來消除諧波。

綜上所述，解決UPS電源的輸入諧波問題一方面要嚴格限制諧波的發(fā)射水平，另一方面還要設法提高供電系統(tǒng)自身的康諧波干擾能力，改善諧波防護性能。

4、抑制諧波時要注意的問題

    在治理UPS不間斷電源輸入諧波時，如果不注意，會引發(fā)諧振、與發(fā)電機不兼容等相互關聯(lián)、錯綜復雜的問題。因為在增加輸入諧波器后，當UPS負載較輕時，UPS電源的功率因數(shù)會變成負功率因數(shù)—也就是此時UPS電源變成一個容性負載，發(fā)電機可能出現(xiàn)電壓升高或不穩(wěn)的現(xiàn)象。此時如果無功補償電容沒有退出的話，問題就變得更加嚴重，即使發(fā)電機不在使用時，不間斷電源的濾波器和補償電容也可能與變壓器的電感在諧波電流的作用下發(fā)生并聯(lián)諧振。

4.1  問題分析

（1）諧振

UPS電源產(chǎn)生的諧波電流，經(jīng)由電容器(UPS電源濾波器電容、電容補償器等）和供電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，由于諧振的發(fā)生，被放大10~15倍。被放大的諧波電流將導致電容器和變壓器內(nèi)部組件過熱甚至損壞。

（2)UPS與發(fā)電機不兼容

UPS大多數(shù)情況下運行在60%~70%的負載率，特別是1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)，每臺UPS電源的負載只有30%~40%，處于輕載狀態(tài)。此時由于輸入濾波器的影響，UPS不間斷電源可能變成一個容性負載，這種情況不影響關鍵負載和輸出，市電變壓器和輸配電系統(tǒng)也不受影響，但會影響發(fā)電機正常工作。特別是在市電停電轉(zhuǎn)發(fā)電機供電時，UPS不間斷電源將負載從電池轉(zhuǎn)向發(fā)電機，有一段“軟啟動”周期，因此首先接到發(fā)電機輸出端的主要負載是UPS電源的輸入濾波器，他們是高榮性的，使發(fā)電機發(fā)生自激，系統(tǒng)過壓或電壓調(diào)節(jié)器關閉，導致停機。

4.2  對策

綜合比較，采用12脈沖整流器與THM有源濾波器是較好的選擇，都能有效的解決UPS電源輸入諧波的問題，同時能減少諧振，不影響與發(fā)電機兼容。

（12）12脈沖整流器

12脈沖整流器的原理是再一個基本的6脈沖整流器（超前）的基礎上利用單繞組輸入/上繞組輸出地變壓器（后單繞組自藕式移相變壓器）產(chǎn)生滯后30°的移相電壓，再送人另一整流器（滯后整理器），使兩個整流器產(chǎn)生的直流并聯(lián)在UPS的輸入端上的總輸入電流基本消除5次諧波和部分消除7次諧波對電網(wǎng)的影響。

12脈沖整流器產(chǎn)生（12N+/-1)諧波，5和7次諧波非常小，可以無需考慮對5或7次諧波的濾波問題，11和13次諧波本身在幅度上較小，所以通常不需要加濾波器。即使加濾波器，電容容量也較小，不會引入大地無功，不存在容性問題。

（2）有源濾波器

對諧波的治理，傳統(tǒng)的方法主要采用被動式的無源濾波技術，主要缺點在于它要處理能量和濾波器阻抗的不匹配性。隨著電力電子、自動控制和高速計算機等技術的迅速發(fā)展，有源濾波成為治理諧波的主要方法。APF通常要對電網(wǎng)或負載的諧波進行實時計算，通過不同的控制方案，利用高頻逆變器進行諧波功率放大后，將不同補償目的點的諧波電壓、諧波電流抑制到足夠小的水平。

5、解決大型UPS輸入諧波的具體方案及比較

5、1 三種解決方案

   （1）6脈沖整流器+5次諧波濾波器

   這是UPS配置的傳統(tǒng)方案，已經(jīng)受了長時間的檢驗。它的優(yōu)點在于簡單、可靠，可局部減小諧波電流對電網(wǎng)的危害。但是技術落后，輸入電流諧波仍然偏大，超出IEC 61000—3—4標準要求，對發(fā)電機容量配比要求為1：2以上，并存在導致發(fā)電機輸出異常升高的隱患。

（2）12脈沖整流器+11次諧波濾波器

UPS電源蒸餾裝置為三相全控橋12脈沖整流器，加11次諧波濾波器后THDI值減小到4.5%（100%負載率），可基本消除諧波電流海量對電網(wǎng)的危害，之中配置對發(fā)電機容量的要求為1:14.

（3）6脈沖整流器+THM有源濾波器

這種方案輸入指標非常好，可大限度滿足IEC61000—3—4標準，輸入電流諧波下行＜4%（額定負載），輸入功率因數(shù)為0.94。

5.2 方案對比

    （1）技術方面比較

抑制諧波效果。12脈沖整流器+11次諧波濾波器方案可有效抑制諧波，但UPS不間斷電源輕載時效果不太好，此為輸入功率因數(shù)較低，系統(tǒng)損失較大；6脈沖整流器+5次諧波濾波器方案輸入功率因數(shù)較高，但抑制諧波的效果不理想，特別是在UPS輕載時較差；6脈沖整流器+THM有緣濾波器是唯一能全面滿足IEC標準的方案，對各次諧波的抑制情況較好。

可靠性。與6脈沖整流器+5次諧波濾波器方案相比，6脈沖整流器+THM有源濾波器

與12脈沖整流器+11次諧波濾波器的可靠性都有所降低。因為THM有源濾波器存在（誤補償）問題，另外使用IGBT管作為它的整流器和變換器的功率驅(qū)動管，器故障率提高。而12脈沖整流器是有兩個6脈沖整流器并聯(lián)組成的，因此部件增多，反而增加了UPS電源本身的故障點，降低了UPS系統(tǒng)的可靠性。

（2)價格比較

     6脈沖整流器+5次諧波濾波器方案便宜，12脈沖整流器+11次諧波濾波器方案價格較高，6脈沖整流器+THM有源濾波器方案價格高。

（3）性價比

6脈沖整流器+5次諧波濾波器方案雖然諧波抑制效果不好，但由于性能可靠、效率高，200KVA以上大型UPS電源還是采用這種配置。12脈沖整流器+11次諧波濾波器方案技術較為成熟，從諧波發(fā)生根源消除諧波，應該是今后解決諧波問題的發(fā)展方向。6脈沖整流器+THM有源濾波器方案技術先進，安裝方便，可有效解決現(xiàn)有UPS不間斷電源的輸入諧波問題。 

  


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