UPS整流濾波與電能質(zhì)量

0 引言

近年來，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(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，來自用電設(shè)備自身。當(dāng)前，由于設(shè)備普遍采用開關(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)量問題已成為電源工作者面臨的一個(gè)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(shí)際上，當(dāng)用電設(shè)備為非線性負(fù)載時(shí)，例如:開關(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。通過對(duì)波形進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開可知: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)行和過零噪擾等。

1.2 UPS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)，通過開關(guān)函數(shù)法將被分析波形表示成一系列已知波形與開關(guān)函數(shù)的乘積和的形式，將其中的已知波形與開關(guān)函數(shù)都展開成級(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。

1.3 UPS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。

2 UPS整流濾波方式與諧波抑制關(guān)系

2.1 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(wú)無(wú)120kVA A品牌 UPS120kVA B品牌 UPS250kVA A品牌 UPS

有源濾波+無(wú)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(wú)無(wú)120kVA E品牌 UPS

2.2 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，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。

2.3 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。通過電能質(zhì)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。