無源濾波器在UPS中的應(yīng)用

摘要：介紹UPS諧波的來源，無源濾波器的基礎(chǔ)知識和濾波原理，解釋UPS使用中濾波器是否啟用由負(fù)載決定的原理。

　　一、引言

 

　　隨著對負(fù)載穩(wěn)定性要求的不斷提升，UPS已經(jīng)成為保障機(jī)房設(shè)備穩(wěn)定工作必不可少的組成，UPS作為整流和逆變的設(shè)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題。

 

　　二、電力諧波的產(chǎn)生和危害

 

　　電力諧波主要由非線性負(fù)荷產(chǎn)生。非線性負(fù)荷吸收的電流與端電壓不成線性關(guān)系，結(jié)果電流發(fā)生波形畸變且導(dǎo)致端電壓波形畸變。這種周期性的畸變波形可按基頻(50Hz)展開成傅里葉級數(shù)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(tǒng)諧振的可能。諧波容易使電網(wǎng)與補(bǔ)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(shù)十倍，造成過電流，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(shè)備產(chǎn)生附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率，增加電網(wǎng)線損。在三相四線制系統(tǒng)中，零線由于流過大量的3次及其倍數(shù)次諧波電流造成零線過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。

 

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

 

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

 

　　5)諧波會(huì)導(dǎo)致電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確。

 

　　6)諧波通過電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式對鄰近的電子設(shè)備和通信系統(tǒng)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(shè)備。

 

　　UPS整流部分現(xiàn)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?fù)鋱D

　　三、電力諧波管理制度

 

　　為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)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(biāo)準(zhǔn)都不盡相同，但都是大同小異，且所有標(biāo)準(zhǔn)的都是基于以下三個(gè)目的：

 

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

 

　　(2)以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電。

 

　　(3)不干擾其它系統(tǒng)(如通訊系統(tǒng))的正常工作。

 

　　GB/T14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》是現(xiàn)行電力諧波監(jiān)督管理的國家標(biāo)準(zhǔn)。除要求電網(wǎng)各級電壓的諧波水平不超出國標(biāo)限值外，要求用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流不超出國標(biāo)允許值。否則應(yīng)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(shù)的補(bǔ)償電容會(huì)與電路中阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。

 

　　2.解決補(bǔ)償電容器引起諧波放大問題的有效方法是在電容器支路中串聯(lián)適當(dāng)電抗器。串聯(lián)電抗器L后，系統(tǒng)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.無源電力濾波器一般不可與常規(guī)無功補(bǔ)償電容器并聯(lián)運(yùn)行，否則仍會(huì)導(dǎo)致諧波放大。

 

　　4.無源濾波器的基波無功容量應(yīng)符合系統(tǒng)無功補(bǔ)償需求。

 

　　針對串聯(lián)電抗介紹下面參數(shù)：

 

　　電抗系數(shù)K%：

 

　　其中：XL為感抗XC為容抗

 

　　電抗系數(shù)K%與調(diào)諧頻率的關(guān)系：

 

　　其中：fres為調(diào)諧頻率fe為調(diào)諧頻率

 

　　根據(jù)上兩式可以看出，電抗系數(shù)的增大則諧振頻率向低頻移動(dòng)，利用電抗系數(shù)可以調(diào)節(jié)諧振頻率。

　　K%系數(shù)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(yuǎn)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(dāng)系統(tǒng)中背景諧波為3次及以上時(shí)，應(yīng)配置電抗率為12%的電抗器，由于近年來不少3次諧波源的電氣設(shè)備不斷增多，使系統(tǒng)的3次諧波不斷增大，尤其是樓宇、冶金行業(yè)這個(gè)現(xiàn)象不能忽視。

 

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

 

　　五、負(fù)載對濾波器效果的影響

 

　　根據(jù)現(xiàn)場整流器選擇相應(yīng)的濾波器，濾波器應(yīng)使諧振頻率小于諧波頻率而大于基波頻率，傳遞函數(shù)波形的峰值是否尖銳取決于品質(zhì)因數(shù)Q，品質(zhì)因數(shù)的定義是：無功功率/有功功率，直觀的表現(xiàn)是傳遞函數(shù)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(yīng)用中濾波器是并聯(lián)在UPS電路中，當(dāng)UPS帶載小于30%時(shí)，傳遞函數(shù)平緩，Q較小，則有部分諧波在傳遞函數(shù)放大區(qū)域被放大，此時(shí)開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(yīng)用中，客戶經(jīng)常會(huì)有這樣的疑問，一般建議客戶的后端負(fù)載增加至60%~70%左右時(shí)再開啟濾波器，此時(shí)Q值較高，傳遞函數(shù)尖銳可以有針對性的濾除主要諧波。

 

　　六、結(jié)語

 

　　無源濾波器由于結(jié)構(gòu)簡單，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(shù)UPS采用無源濾波器運(yùn)行的情況下，UPS技術(shù)人員應(yīng)在了解濾波器原理的基礎(chǔ)上合理使用濾波器，為客戶答疑解惑，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行是技術(shù)人員的職責(zé)。