大型計算機機房為主負載的場地的UPS諧波的抑制方案

隨著電子信息行業(yè)的迅速發(fā)展，相關的場地環(huán)境需求也緊隨計算機等設備的需求而提高，特別是在諸如國家氣象信息中心這樣的高密度計算機房中，電能質量已經成為一個不容忽視的問題。當前，電能質量主要存在以下一系列問題:諧波畸變、斷電、過(欠)電壓、電壓暫降、瞬變、浪涌等，引發(fā)這些問題的原因一方面來自基礎設施共享，如電網中的一個故障影響到該電網中的其它用戶，另一方面，來自用電設備自身。

當前，由于設備普遍采用開關電源器件，導致負載電流波形嚴重畸變，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，該電壓波形會嚴重污染上一級電網。鑒于以上這些情況，電能質量問題已成為電源工作者面臨的一個難題。

1 UPS產生的諧波

1.1 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，而實際上，當用電設備為非線性負載時，例如:開關型電源、電子鎮(zhèn)流器、變速傳動裝置、 UPS等，電流波形就會呈現(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。通過對波形進行傅立葉級數(shù)展開可知:任何周期性的波形都可以分解成一個基波頻率的正弦波和多個諧波頻率的正弦波，對于對稱波形，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備的正常運行和過零噪擾等。

1.2 UPS產生諧波機理

與電力電子裝置有關的原始波形幾乎都是非正弦的，波形都含有諧波分量，UPS是其中的一個代表，UPS的整流方式是產生諧波的一個重要原因，在理想情況下，認為交流電源是三相對稱工頻正弦波電壓，忽略供電電源自身的諧波，同時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)脈沖對稱、導通角α相等，在上述理想條件下，當裝置處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，通過開關函數(shù)法將被分析波形表示成一系列已知波形與開關函數(shù)的乘積和的形式，將其中的已知波形與開關函數(shù)都展開成級數(shù)的形式，再對乘積和進行整理化簡，最后將被分析的波形表示成級數(shù)的形式，以便于討論其中諧波的級次與含量。1.3 UPS整流產生諧波的特點

UPS整流產生諧波可分為整流直流電壓諧波和電源側的電流諧波，對于多脈沖整流電路，可以得到如下結論:

對于直流側電壓:

(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，直流側電壓波形越好;

(2)在系統(tǒng)直流側電壓中出現(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。

對于交流側電流:

(1)對于理想的p脈沖整流器，在交流側只有下列次數(shù)的諧波電流：n=Pm±1次，式中m=1，2，3，…。各個諧波電流分量的幅值為基波電流的l/n。例如，對于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，對減小交、直流兩側的諧波分量有決定性影響。所以，構成脈沖數(shù)盡可能大的系統(tǒng)是整流裝置減少交、直流兩側諧波電流和諧波電壓的根本措施。

2 UPS整流濾波方式與諧波抑制關系

2.1 信息中心大功率UPS分類

國家氣象信息中心共有12臺大功率UPS，幾乎涵蓋了目前市場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，如表1所示。

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脈沖無無120kVA A品牌 UPS120kVA B品牌 UPS250kVA A品牌 UPS

有源濾波+無源濾波300kVA A品牌 UPS

12脈沖30°移相變壓器11次諧波濾波器300kVA C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625kVA D品牌 UPS

IGBTPWM無無120kVA E品牌 UPS