摘要：介紹UPS諧波的來(lái)源，無(wú)源濾波器的基礎知識和濾波原理，解釋UPS使用中濾波器是否啟用由負載決定的原理。

　　一、引言

 

　　隨著(zhù)對負載穩定性要求的不斷提升，UPS已經(jīng)成為保障機房設備穩定工作必不可少的組成，UPS作為整流和逆變的設備，不可避免的向電網(wǎng)中反饋諧波，UPS濾波也成為UPS使用中不可避免的問(wèn)題。

 

　　二、電力諧波的產(chǎn)生和危害

 

　　電力諧波主要由非線(xiàn)性負荷產(chǎn)生。非線(xiàn)性負荷吸收的電流與端電壓不成線(xiàn)性關(guān)系，結果電流發(fā)生波形畸變且導致端電壓波形畸變。這種周期性的畸變波形可按基頻(50Hz)展開(kāi)成傅里葉級數形式，其大于基頻的分量即為諧波。

 

　　諧波的危害：

 

　　1)大大增加了系統諧振的可能。諧波容易使電網(wǎng)與補償電容器之間發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，造成過(guò)電流，引起電容器、與之相連的電抗器和電阻器的損壞。

 

　　2)使電網(wǎng)中的設備產(chǎn)生附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設備的使用效率，增加電網(wǎng)線(xiàn)損。在三相四線(xiàn)制系統中，零線(xiàn)由于流過(guò)大量的3次及其倍數次諧波電流造成零線(xiàn)過(guò)熱，甚至引發(fā)火災。

 

　　3)諧波會(huì )產(chǎn)生額外的熱效應從而引起用電設備(旋轉電機電容器、變壓器)發(fā)熱，使絕緣老化，降低設備的使用壽命。

 

　　4)諧波會(huì )引起一些保護設備誤動(dòng)作，如繼電保護，熔斷器等。

 

　　5)諧波會(huì )導致電氣測量?jì)x表計量不準確。

 

　　6)諧波通過(guò)電磁感應和傳導耦合等方式對鄰近的電子設備和通信系統產(chǎn)生干擾，降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通信設備。

 

　　UPS整流部分現在主要使用6脈沖或12脈沖的SCR可控硅整流技術(shù)，分別會(huì )產(chǎn)生6n±1或12n±1次諧波，其中5次諧波或11次諧波是主要成分，是主要濾去的對象。如圖1，所示為采用6脈沖SCR可控硅整流技術(shù)的UPS。

 

　　

 

 

　　圖1.艾默生ITA系列UPS主拓撲圖

　　三、電力諧波管理制度

 

　　為了保證電網(wǎng)和用電設備的安全、穩定、經(jīng)濟運行，目前許多國家、國際組織以及一些大電力公司都制定了相應的諧波標準。如關(guān)于公用電網(wǎng)諧波限制的IEEE519-1992、GB/T14549-1993，關(guān)于用電設備諧波電流排放限制的IEC61000-3-2、IEC61000-3-4、GB/Z17625.1-2003、GB/Z17625.6-2003等等。雖然各諧波標準都不盡相同，但都是大同小異，且所有標準的都是基于以下三個(gè)目的：

 

　　(1)將電力系統電流和電壓波形的畸變控制到系統及其所接設備能夠允許的水平。

 

　　(2)以符合用戶(hù)需要的電壓波形向用戶(hù)供電。

 

　　(3)不干擾其它系統(如通訊系統)的正常工作。

 

　　GB/T14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》是現行電力諧波監督管理的國家標準。除要求電網(wǎng)各級電壓的諧波水平不超出國標限值外，要求用戶(hù)注入公用電網(wǎng)的諧波電流不超出國標允許值。否則應采取治理措施。

 

　　四、諧波的治理

 

　　1.對于幫助電路提高功率因數的補償電容會(huì )與電路中阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大。

 

　　2.解決補償電容器引起諧波放大問(wèn)題的有效方法是在電容器支路中串聯(lián)適當電抗器。串聯(lián)電抗器L后，系統并聯(lián)諧振頻率f0向低頻方向移動(dòng)，其中

　　則為濾波電路發(fā)生諧振頻率的值。

 

　　3.無(wú)源電力濾波器一般不可與常規無(wú)功補償電容器并聯(lián)運行，否則仍會(huì )導致諧波放大。

 

　　4.無(wú)源濾波器的基波無(wú)功容量應符合系統無(wú)功補償需求。

 

　　針對串聯(lián)電抗介紹下面參數：

 

　　電抗系數K%：

 

　　其中：XL為感抗XC為容抗

 

　　電抗系數K%與調諧頻率的關(guān)系：

 

　　其中：fres為調諧頻率fe為調諧頻率

 

　　根據上兩式可以看出，電抗系數的增大則諧振頻率向低頻移動(dòng)，利用電抗系數可以調節諧振頻率。

　　K%系數的確定：

 

　　電網(wǎng)的一般情況是：5次諧波最大、7次次之、3次較小。因此工程中，選用K=4.5~6.7%的電抗器較多，國際上也通常采用。配置6%的電抗器抑制5次諧波效果好，但有明顯的放大3次諧波作用。它的諧振點(diǎn)(204HZ)遠離5次諧波的頻率(250HZ)，裕量較大。配置4.5%的電抗器對3次諧波放大輕微，因此在抑制5次及以上諧波，同時(shí)又兼顧減小對3次諧波的放大，在這種情況下是適宜的，但它的諧振點(diǎn)(235HZ)與5次諧波的頻率間距較小。當系統中背景諧波為3次及以上時(shí)，應配置電抗率為12%的電抗器，由于近年來(lái)不少3次諧波源的電氣設備不斷增多，使系統的3次諧波不斷增大，尤其是樓宇、冶金行業(yè)這個(gè)現象不能忽視。

 

　　總之配置電抗器的原則：一定要根據系統背景諧波含量來(lái)綜合考慮而確定。

 

　　五、負載對濾波器效果的影響

 

　　根據現場(chǎng)整流器選擇相應的濾波器，濾波器應使諧振頻率小于諧波頻率而大于基波頻率，傳遞函數波形的峰值是否尖銳取決于品質(zhì)因數Q，品質(zhì)因數的定義是：無(wú)功功率/有功功率，直觀(guān)的表現是傳遞函數是尖銳還是平緩，串聯(lián)LC濾波電路則Q與電阻R成反比，并聯(lián)LC濾波電路則Q與電阻R成正比，實(shí)際應用中濾波器是并聯(lián)在UPS電路中，當UPS帶載小于30%時(shí)，傳遞函數平緩，Q較小，則有部分諧波在傳遞函數放大區域被放大，此時(shí)開(kāi)啟濾波器不僅不能凈化電網(wǎng)反而引起更大的諧波干擾，在實(shí)際工程應用中，客戶(hù)經(jīng)常會(huì )有這樣的疑問(wèn)，一般建議客戶(hù)的后端負載增加至60%~70%左右時(shí)再開(kāi)啟濾波器，此時(shí)Q值較高，傳遞函數尖銳可以有針對性的濾除主要諧波。

 

　　六、結語(yǔ)

 

　　無(wú)源濾波器由于結構簡(jiǎn)單，對于固定次諧波的濾除效果優(yōu)異，在實(shí)際使用中具有很大優(yōu)勢，在目前大多數UPS采用無(wú)源濾波器運行的情況下，UPS技術(shù)人員應在了解濾波器原理的基礎上合理使用濾波器，為客戶(hù)答疑解惑，保障設備穩定運行是技術(shù)人員的職責。