在前面我們有討論過(guò)UPS電源諧波危害的認(rèn)識(shí)與治理,下面我們就諧波輸入問(wèn)題來(lái)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(shè)備供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波，導(dǎo)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(biāo)之一。
諧波的危害表現(xiàn)為：引起電力設(shè)備附加損耗和發(fā)熱;使同步發(fā)電機(jī)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(huì)使無(wú)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(shè)備以及干擾通信電路的正常工作。
2、大型UPS輸入諧波對(duì)供電系統(tǒng)的影響
在實(shí)際維護(hù)當(dāng)中，經(jīng)常遇到UPS電源輸入諧波電流所帶來(lái)的問(wèn)題，總結(jié)起來(lái)主要有以下兩個(gè)方面：
（1)、對(duì)輸電線路的影響
在趨膚效應(yīng)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(duì)地電容。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)路諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，會(huì)激勵(lì)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(huì)英氣繼電保護(hù)裝置裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，以致?lián)p壞設(shè)備，于此同時(shí)還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。
（2）、對(duì)電力電容的影響
諧波電壓的增高會(huì)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(dāng)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(shí)，就會(huì)使諧波電流放大，造成電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)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(dòng)數(shù)，k為正整數(shù))。當(dāng)脈動(dòng)數(shù)由p=6增加到p=12時(shí)，可以有效地消除幅值較大的低頻項(xiàng)，可大大降低諧波電流的有效值。
（2）、增裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力
在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置—靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置或靜止同步補(bǔ)償裝置，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無(wú)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(xiàng)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(wú)源濾波和有源濾波裝置）
為了減少諧波對(duì)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(shè)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(dòng)的防御，即在已產(chǎn)生諧波的情況下，采用傳統(tǒng)的無(wú)源濾波方法（由電容器、電抗器和電阻器一組無(wú)源元件組成的調(diào)諧濾波裝置），減輕諧波對(duì)電器設(shè)備的危害；另一種方法是主動(dòng)地預(yù)防諧波電流的產(chǎn)生，即有源濾波方法，其原理是利用可關(guān)斷電力電子器件產(chǎn)生與負(fù)荷電流中的諧波分量大小相等、相位相反的電流來(lái)消除諧波。
綜上所述，解決UPS電源的輸入諧波問(wèn)題一方面要嚴(yán)格限制諧波的發(fā)射水平，另一方面還要設(shè)法提高供電系統(tǒng)自身的康諧波干擾能力，改善諧波防護(hù)性能。
4、抑制諧波時(shí)要注意的問(wèn)題
在治理UPS不間斷電源輸入諧波時(shí)，如果不注意，會(huì)引發(fā)諧振、與發(fā)電機(jī)不兼容等相互關(guān)聯(lián)、錯(cuò)綜復(fù)雜的問(wèn)題。因?yàn)樵谠黾虞斎胫C波器后，當(dāng)UPS負(fù)載較輕時(shí)，UPS電源的功率因數(shù)會(huì)變成負(fù)功率因數(shù)—也就是此時(shí)UPS電源變成一個(gè)容性負(fù)載，發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)電壓升高或不穩(wěn)的現(xiàn)象。此時(shí)如果無(wú)功補(bǔ)償電容沒(méi)有退出的話，問(wèn)題就變得更加嚴(yán)重，即使發(fā)電機(jī)不在使用時(shí)，不間斷電源的濾波器和補(bǔ)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(wèn)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(bǔ)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(dǎo)致電容器和變壓器內(nèi)部組件過(guò)熱甚至損壞。
（2)UPS與發(fā)電機(jī)不兼容
UPS大多數(shù)情況下運(yùn)行在60%~70%的負(fù)載率，特別是1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)，每臺(tái)UPS電源的負(fù)載只有30%~40%，處于輕載狀態(tài)。此時(shí)由于輸入濾波器的影響，UPS不間斷電源可能變成一個(gè)容性負(fù)載，這種情況不影響關(guān)鍵負(fù)載和輸出，市電變壓器和輸配電系統(tǒng)也不受影響，但會(huì)影響發(fā)電機(jī)正常工作。特別是在市電停電轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)供電時(shí)，UPS不間斷電源將負(fù)載從電池轉(zhuǎn)向發(fā)電機(jī)，有一段“軟啟動(dòng)”周期，因此首先接到發(fā)電機(jī)輸出端的主要負(fù)載是UPS電源的輸入濾波器，他們是高榮性的，使發(fā)電機(jī)發(fā)生自激，系統(tǒng)過(guò)壓或電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，導(dǎo)致停機(jī)。
4.2 對(duì)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(wèn)題，同時(shí)能減少諧振，不影響與發(fā)電機(jī)兼容。
（12）12脈沖整流器
12脈沖整流器的原理是再一個(gè)基本的6脈沖整流器（超前）的基礎(chǔ)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(gè)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(duì)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(wú)需考慮對(duì)5或7次諧波的濾波問(wèn)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(huì)引入大地?zé)o功，不存在容性問(wèn)題。
（2）有源濾波器
對(duì)諧波的治理，傳統(tǒng)的方法主要采用被動(dòng)式的無(wú)源濾波技術(shù)，主要缺點(diǎn)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(dòng)控制和高速計(jì)算機(jī)等技術(shù)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(duì)電網(wǎng)或負(fù)載的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，通過(guò)不同的控制方案，利用高頻逆變器進(jìn)行諧波功率放大后，將不同補(bǔ)償目的點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)。它的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單、可靠，可局部減小諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害。但是技術(shù)落后，輸入電流諧波仍然偏大，超出IEC 61000—3—4標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)發(fā)電機(jī)容量配比要求為1：2以上，并存在導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(fù)載率），可基本消除諧波電流海量對(duì)電網(wǎng)的危害，之中配置對(duì)發(fā)電機(jī)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(biāo)非常好，可大限度滿足IEC61000—3—4標(biāo)準(zhǔn)，輸入電流諧波下行＜4%（額定負(fù)載），輸入功率因數(shù)為0.94。
5.2 方案對(duì)比
（1）技術(shù)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(shí)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(shí)較差；6脈沖整流器+THM有緣濾波器是唯一能全面滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的方案，對(duì)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?yàn)門(mén)HM有源濾波器存在（誤補(bǔ)償）問(wèn)題，另外使用IGBT管作為它的整流器和變換器的功率驅(qū)動(dòng)管，器故障率提高。而12脈沖整流器是有兩個(gè)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(diǎn)，降低了UPS系統(tǒng)的可靠性。
（2)價(jià)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(jià)格較高，6脈沖整流器+THM有源濾波器方案價(jià)格高。
（3）性價(jià)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(shù)較為成熟，從諧波發(fā)生根源消除諧波，應(yīng)該是今后解決諧波問(wèn)題的發(fā)展方向。6脈沖整流器+THM有源濾波器方案技術(shù)先進(jìn)，安裝方便，可有效解決現(xiàn)有UPS不間斷電源的輸入諧波問(wèn)題。
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UPS電源 電氣化鐵路專(zhuān)用UPS在鐵路信號(hào)供電中的應(yīng)用之一鐵路信號(hào)供電的方式
