在前面我们有讨论过UPS电源谐波危害的认识与治理,下面我们就谐波输入问题来分析大型UPS不间断电源。


1、谐波及其危害

   在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，电力质量变坏。因此，谐波是电力质量的重要指标之一。

谐波的危害表现为：引起电力设备附加损耗和发热;使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损害；谐波注入电网后会使无功功率增加，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐波，损坏电气设备以及干扰通信电路的正常工作。

2、大型UPS输入谐波对供电系统的影响

   在实际维护当中，经常遇到UPS电源输入谐波电流所带来的问题，总结起来主要有以下两个方面：

（1)、对输电线路的影响

在趋肤效应的作用下，输电线路阻抗随着频率的升高而增加，高次谐波电流使输电线路的附加损耗增加。

此外，输电线路存在着分布的线路电感和对地电容。当注入电网的谐波的频率位于在网路谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会英气继电保护装置装置出现误动，以致损坏设备，于此同时还可产生相当大的谐波网损。

（2）、对电力电容的影响

谐波电压的增高会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，当电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会使谐波电流放大，造成电容器因过热、过电压等而不能正常运行。

3、治理UPS输入谐波的主要方法

（1）、增加UPS输入整流器的相数

可控硅整流器是UPS不间断电源的主要谐波源之一。理论分析表明，可控硅整流器在其交流侧与直流产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk（p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效地消除幅值较大的低频项，可大大降低谐波电流的有效值。

（2）、增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力

在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置—静止无功补偿装置或静止同步补偿装置，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三项电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。

（3）加装滤波装置（包括无源滤波和有源滤波装置）

为了减少谐波对供电系统的影响，根本的思想是从产生的。谐波的源头抓起，设法在谐波源附近抑制谐波电流的产生，降低谐波电压防止谐波电流危害的方法：一是被动的防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法（由电容器、电抗器和电阻器一组无源元件组成的调谐滤波装置），减轻谐波对电器设备的危害；另一种方法是主动地预防谐波电流的产生，即有源滤波方法，其原理是利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。

综上所述，解决UPS电源的输入谐波问题一方面要严格限制谐波的发射水平，另一方面还要设法提高供电系统自身的康谐波干扰能力，改善谐波防护性能。

4、抑制谐波时要注意的问题

    在治理UPS不间断电源输入谐波时，如果不注意，会引发谐振、与发电机不兼容等相互关联、错综复杂的问题。因为在增加输入谐波器后，当UPS负载较轻时，UPS电源的功率因数会变成负功率因数—也就是此时UPS电源变成一个容性负载，发电机可能出现电压升高或不稳的现象。此时如果无功补偿电容没有退出的话，问题就变得更加严重，即使发电机不在使用时，不间断电源的滤波器和补偿电容也可能与变压器的电感在谐波电流的作用下发生并联谐振。

4.1  问题分析

（1）谐振

UPS电源产生的谐波电流，经由电容器(UPS电源滤波器电容、电容补偿器等）和供电网电感形成的并联谐振回路，由于谐振的发生，被放大10~15倍。被放大的谐波电流将导致电容器和变压器内部组件过热甚至损坏。

（2)UPS与发电机不兼容

UPS大多数情况下运行在60%~70%的负载率，特别是1+1并联冗余系统，每台UPS电源的负载只有30%~40%，处于轻载状态。此时由于输入滤波器的影响，UPS不间断电源可能变成一个容性负载，这种情况不影响关键负载和输出，市电变压器和输配电系统也不受影响，但会影响发电机正常工作。特别是在市电停电转发电机供电时，UPS不间断电源将负载从电池转向发电机，有一段“软启动”周期，因此首先接到发电机输出端的主要负载是UPS电源的输入滤波器，他们是高荣性的，使发电机发生自激，系统过压或电压调节器关闭，导致停机。

4.2  对策

综合比较，采用12脉冲整流器与THM有源滤波器是较好的选择，都能有效的解决UPS电源输入谐波的问题，同时能减少谐振，不影响与发电机兼容。

（12）12脉冲整流器

12脉冲整流器的原理是再一个基本的6脉冲整流器（超前）的基础上利用单绕组输入/上绕组输出地变压器（后单绕组自藕式移相变压器）产生滞后30°的移相电压，再送人另一整流器（滞后整理器），使两个整流器产生的直流并联在UPS的输入端上的总输入电流基本消除5次谐波和部分消除7次谐波对电网的影响。

12脉冲整流器产生（12N+/-1)谐波，5和7次谐波非常小，可以无需考虑对5或7次谐波的滤波问题，11和13次谐波本身在幅度上较小，所以通常不需要加滤波器。即使加滤波器，电容容量也较小，不会引入大地无功，不存在容性问题。

（2）有源滤波器

对谐波的治理，传统的方法主要采用被动式的无源滤波技术，主要缺点在于它要处理能量和滤波器阻抗的不匹配性。随着电力电子、自动控制和高速计算机等技术的迅速发展，有源滤波成为治理谐波的主要方法。APF通常要对电网或负载的谐波进行实时计算，通过不同的控制方案，利用高频逆变器进行谐波功率放大后，将不同补偿目的点的谐波电压、谐波电流抑制到足够小的水平。

5、解决大型UPS输入谐波的具体方案及比较

5、1 三种解决方案

   （1）6脉冲整流器+5次谐波滤波器

   这是UPS配置的传统方案，已经受了长时间的检验。它的优点在于简单、可靠，可局部减小谐波电流对电网的危害。但是技术落后，输入电流谐波仍然偏大，超出IEC 61000—3—4标准要求，对发电机容量配比要求为1：2以上，并存在导致发电机输出异常升高的隐患。

（2）12脉冲整流器+11次谐波滤波器

UPS电源蒸馏装置为三相全控桥12脉冲整流器，加11次谐波滤波器后THDI值减小到4.5%（100%负载率），可基本消除谐波电流海量对电网的危害，之中配置对发电机容量的要求为1:14.

（3）6脉冲整流器+THM有源滤波器

这种方案输入指标非常好，可大限度满足IEC61000—3—4标准，输入电流谐波下行＜4%（额定负载），输入功率因数为0.94。

5.2 方案对比

    （1）技术方面比较

抑制谐波效果。12脉冲整流器+11次谐波滤波器方案可有效抑制谐波，但UPS不间断电源轻载时效果不太好，此为输入功率因数较低，系统损失较大；6脉冲整流器+5次谐波滤波器方案输入功率因数较高，但抑制谐波的效果不理想，特别是在UPS轻载时较差；6脉冲整流器+THM有缘滤波器是唯一能全面满足IEC标准的方案，对各次谐波的抑制情况较好。

可靠性。与6脉冲整流器+5次谐波滤波器方案相比，6脉冲整流器+THM有源滤波器

与12脉冲整流器+11次谐波滤波器的可靠性都有所降低。因为THM有源滤波器存在（误补偿）问题，另外使用IGBT管作为它的整流器和变换器的功率驱动管，器故障率提高。而12脉冲整流器是有两个6脉冲整流器并联组成的，因此部件增多，反而增加了UPS电源本身的故障点，降低了UPS系统的可靠性。

（2)价格比较

     6脉冲整流器+5次谐波滤波器方案便宜，12脉冲整流器+11次谐波滤波器方案价格较高，6脉冲整流器+THM有源滤波器方案价格高。

（3）性价比

6脉冲整流器+5次谐波滤波器方案虽然谐波抑制效果不好，但由于性能可靠、效率高，200KVA以上大型UPS电源还是采用这种配置。12脉冲整流器+11次谐波滤波器方案技术较为成熟，从谐波发生根源消除谐波，应该是今后解决谐波问题的发展方向。6脉冲整流器+THM有源滤波器方案技术先进，安装方便，可有效解决现有UPS不间断电源的输入谐波问题。 

  


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