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前沿技术:UPS谐波治理

--前沿技术:UPS谐波治理

供稿:厦门科华恒盛股份有限公司 2009/12/21 10:59:00

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  • 关键词: UPS 电源
  • 摘要:UPS是不间断电源(uninterruptible power system)的英文简称,指能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。

1、前言
        UPS是不间断电源(uninterruptible power system)的英文简称,指能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。在市电出现异常时候,有效净化市电;在市电突然掉电的时候,能够不间断的持续一定时间给用电设备供电,能有充裕的时间使用户采取应对方案。目前,UPS已经广泛应用于通讯、金融、政府、医疗、教育、工业、安防监控等各行各业,随着信息化发展进程,UPS变得越来越重要,而且功率也越来越大。同时,UPS对电网所产生的污染问题也是日趋严重。


2、谐波的定义
        随着电力电子技术的发展,大功率可控硅SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、电力晶体管GTR、IGBT等技术的广泛应用,大量非线性负荷的增加,使得电力系统波形严重畸变。


        谐波是指供电系统中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波。


        谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)称为谐波次数。通俗的将分解后的谐波称为n次谐波,此处的n即是谐波次数。一般指从2次到50次范围,如5次谐波电压(电流)的频率是250赫兹,7次谐波电压(电流)的频率是350赫兹;超过13次的谐波称高次谐波。


3、UPS谐波的产生
        UPS主要由整流电路、逆变电路、控制电路、充电电路、电池组、旁路系统组成。


        目前中大功率三进三出UPS 的整流电路常采用晶闸管相控整流电路,常用的整流电路有三相全桥六脉冲整流电路和六相全桥十二脉冲整流电路等。相控整流技术的优点在于结构简单控制技术成熟,但由于交流输入功率因数低,产生大量的谐波电流,会对电网产生较大的污染。


        中大型三进三出UPS输入整流器采用三相全桥六脉冲可控整流电路的,其输入功率因数是由换相重叠角γ和控制角α来就决定的。换相重叠角γ是指三相整流电路中两相电压共同导通的时间;控制角α表示触发延时时间,即从正弦波过零开始到晶闸管触发导通之间这段晶闸管不导通的时间。相控整流电器的功率因数为

如果换相重叠角γ很小,可以忽略不计时,则相控整流器的功率因数表达式为

说明整流器的功率因数主要与控制角的余弦有关,控制角愈小,功率因数愈大;反之则功率因数愈小。


        实际上,在整流电路中,除了存在整流电压与整流电流之间相位差之外。还存在着由于高次谐波电流引起的电流波形畸变问题,可以用电流畸变系数µ进行计算。电流畸变系数µ如上式所示。

考虑到高次谐波畸变因数后,整流器的功率因数PF可以表示为        高频开关整流电源由于是峰值整流形式,其输入电流为很窄的大电流脉冲波,谐波分量很大,电流畸变系数µ很低,故其功率因数PF也很低。

 


4、UPS谐波波危害
        对发电设备的危害 :谐波干扰增大发电机的损耗,产生寄生转矩,降低了机械能向电能转换的效率;谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗,产生振动和发出异常的噪音。发电机中THDI必须小于等于20%,否则发电机的功率也必须进行折算;


        对输电设备的危害 :损耗增加 (趋肤效应)、引发谐振(线路电感、对地电容)、中线电流增大、影响线路的稳定运行(继电保护的误动或拒动);


        对供电设备的危害 :损害电容 、变压器降容(铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗)、降低可靠性、影响电力测量的准确性 ;


        对用电设备的危害 :视在功率增大、干扰敏感性的电子设备;


        对人体的危害:人体细胞在受到刺激兴奋时,细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆翻转,其频率如果与谐波频率相接近,电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场,引起不适,甚至诱发疾病,危害人体健康。

谐波危害列表

5、UPS谐波的治理
         针对目前市场现状,对UPS产生谐波的处理方法有以下几种:
1)6脉冲整流UPS+无源滤波器  

       大功率UPS整流器大都采用晶闸管相控整流电路,在输入侧加装无源滤波器,来吸收谐波和提高功率因数,但是由于受到滤波器的体积和成本的限制,最高可使功率因数提高到0.9 ,电流谐波THD 5%,而且无源滤波器抑制谐波本质上是频域处理方法,即将非正弦周期电流分解成傅里叶级数,对某些谐波进行吸收,因此只能抑制固定的几次谐波,补偿固定的无功功率。针对无源滤波器的上述缺点人们提出了在UPS网侧设置有源滤波器对谐波和无功进行补偿。


        传统6脉冲三进三出的UPS,主要为5次与7次谐波分量,根据某型号的UPS 谐波实际测量数据

某型号大功率UPS谐波实测数据

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谐波次数
5
7
11
13
17
19
23
6脉冲谐波含量
32%
3%
8%
3%
4%
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一般