UPS整流濾波與電能質量

0 引言

近年來，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，尤其在電力方面，已經(jīng)由過去簡單地提供電源發(fā)展到提供高質量的綠色電源上，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(jīng)成為一個不容忽視的問題，電源的質量直接影響到計算機的存儲和運行。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。

本文主要就UPS整流產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 UPS

2.2 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。