如何改善電能質量:UPS整流方式的比較與選擇

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(wǎng)中的一個故障影響到該電網(wǎng)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(wǎng)。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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生諧波的特點

UPS整流產(chǎn)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。

本文主要就UPS整流產(chǎn)生的電源側電流諧波進行分析研究。

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 UPS2.2 對6脈沖無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，無輸入隔離變壓器和輸入濾波器，通過FLUKEF434電能質量分析儀檢測得到該 UPS的諧波頻譜分析圖及電流波形，如圖2所示。由圖可見，輸入電流波形嚴重畸變，A相輸入電流總諧波畸變達到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，說明輸入電流的畸變較嚴重。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)生的無功功率也是不容忽視的。

2.3 對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)，不會向電網(wǎng)擴散，輸入隔離變壓器對電流諧波有一定的抑制作用。信息中心兩臺30OkVAC品牌UPS在原有6脈沖整流的基礎上，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)諧振電路的諧振點調整到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。為了提高電能質量測試數(shù)據(jù)可參考度的準確性，將中心所有并聯(lián)冗余的UPS全部切換到單臺UPS供電，這樣，提高了單臺UPS的負載率，使全部參與比較的幾種整流、濾波方式的UPS負載率均在45%~65%之內，使比較的數(shù)據(jù)受負載率影響較小，更加具有參考性和信服度。通過電能質量分析可以得到(見圖3):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，說明電流畸變很小。

2.4 對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)負載量決定是否投入使用部分濾波電容，對于采用12脈沖整流方式的UPS來說，輸入電流的諧波主要以11次、 13次為主，故該UPS濾波器設計即針對11次和13次諧波進行吸收，由電能質量分析圖(見圖4)可知:對于11次、13次諧波的濾波效果非常好，11 次、13次諧波含量僅為0.3%和0.4%，而總電流諧波畸變也在5.2%以內，電流呈現(xiàn)出較好的正弦波形且輸入功率因數(shù)高達0.94。D品牌UPS采用的智能化輸入濾波器能有效地凈化來自市電電網(wǎng)的脈沖、浪涌電壓、尖峰電壓、高頻電磁干擾等可能對UPS造成的危害，同時也可以減小由整流器所形成的電流諧波對市電電網(wǎng)的諧波污染，并且提高了輸入功率因數(shù)。2.5 對脈寬調制整流無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、交流側電流接近于正弦，以及整流器動態(tài)響應快的優(yōu)點，國家氣象信息中心12OkVAE品牌UPS即為采用IGBT的PWM整流工作方式的UPS，從電能質量分析圖中(見圖5)可以得出:在負載率為62.2%的情況下，其輸入電流總諧波畸變在10.9%以內，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。但是，經(jīng)過分析比較可知: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)的觀點認為PWM整流"諧波含量最低"的特點略有差別。

2.6 對6脈沖含有有源+無源輸入濾波器UPS的諧波分析

300kVAA品牌UPS采用6脈沖整流，無輸入隔離變壓器，配置了有源濾波器和無源濾波器的混、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:通過檢測補償對象的電流i1，經(jīng)補償電流檢算電路計算出補償電流的指令信號ic*，該信號作為補償電流參考值經(jīng)補償電流發(fā)生電路得到補償電流實際值ic，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功電流抵消(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)，當諧渡含量較大時，有源濾波自動投入，當諧波含量較小時，采用LC無源濾波。圖6和7分別為混合濾波器的原理示意圖和 300kVAA品牌UPS的THM示意圖，圖8和9分別為在混合濾波器THM后端和前端檢測到的電能質量分析圖，將兩圖分析比較可知:在混合濾波器后端測量的效果等同于直接測量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。對比混合濾波器前端的檢測數(shù)據(jù)可知:輸入電流波形呈現(xiàn)光滑完好的正弦波，輸入總諧波畸變在4.4%以內，3次諧波含量相比略大(3.6%)，其余各次諧波含量都很小。有源濾波器對諧波的抑制過程可以理解為: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法產(chǎn)生任何電能，必須以消耗電網(wǎng)電能的方式來進行諧波補償，所以，有源濾波與UPS配合使用時具有效率不高的缺點。3 比較和總結

整流、濾波方式輸入總諧波畸變輸入功率因數(shù)優(yōu)點缺點

6脈沖SCR整流很大較低諧波畸變嚴重

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、技術成熟(4) 相對成本低體積較大

IGBT PWM整流小較低(1) 對諧波有一定的抑制效果(2) 功率因數(shù)較高(僅限負載率較高的情況)目前無法生產(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) 存在誤補償問題(2) 可靠性不高(3) 系統(tǒng)效率低(4) 成本高

例如類似國家氣象信息中心這樣以大型計算機機房為主要負載的場地環(huán)境來說，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諧波具有較好的抑制效果但若負載效率較低，則可排除IGBTPWM整流方式，因其在負載率較低的情況下，功率因數(shù)也較低。信息中心的計算機房負載量很大且必須考慮能耗問題，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。