無源濾波器在UPS中的應用

摘要：介紹UPS諧波的來源，無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

 

　　隨著對負載穩定性要求的不斷提升，UPS已經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、電力諧波的產生和危害

 

　　電力諧波主要由非線性負荷產生。非線性負荷吸收的電流與端電壓不成線性關系，結果電流發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。諧波容易使電網與補償電容器之間發生并聯諧振或串聯諧振。使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，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)使電網中的設備產生附加諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備的使用效率，增加電網線損。在三相四線制系統中，零線由于流過大量的3次及其倍數次諧波電流造成零線過熱，甚至引發火災。

 

　　3)諧波會產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)發熱，使絕緣老化，降低設備的使用壽命。

 

　　4)諧波會引起一些保護設備誤動作，如繼電保護，熔斷器等。

 

　　5)諧波會導致電氣測量儀表計量不準確。

 

　　6)諧波通過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生干擾，降低信號的傳輸質量，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，分別會產生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

 

　　為了保證電網和用電設備的安全、穩定、經濟運行，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。如關于公用電網諧波限制的IEEE519-1992、GB/T14549-1993，關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)以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電。

 

　　(3)不干擾其它系統(如通訊系統)的正常工作。

 

　　GB/T14549-1993《電能質量—公用電網諧波》是現行電力諧波監督管理的國家標準。除要求電網各級電壓的諧波水平不超出國標限值外，要求用戶注入公用電網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與電路中阻抗發生并聯諧振，導致諧波放大。

 

　　2.解決補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適當電抗器。串聯電抗器L后，系統并聯諧振頻率f0向低頻方向移動，其中

　　則為濾波電路發生諧振頻率的值。

 

　　3.無源電力濾波器一般不可與常規無功補償電容器并聯運行，否則仍會導致諧波放大。

 

　　4.無源濾波器的基波無功容量應符合系統無功補償需求。

 

　　針對串聯電抗介紹下面參數：

 

　　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，利用電抗系數可以調節諧振頻率。

　　K%系數的確定：

 

　　電網的一般情況是：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(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(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，應配置電抗率為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、冶金行業這個現象不能忽視。

 

　　總之配置電抗器的原則：一定要根據系統背景諧波含量來綜合考慮而確定。

 

　　五、負載對濾波器效果的影響

 

　　根據現場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因數Q，品質因數的定義是：無功功率/有功功率，直觀的表現是傳遞函數是尖銳還是平緩，串聯LC濾波電路則Q與電阻R成反比，并聯LC濾波電路則Q與電阻R成正比，實際應用中濾波器是并聯在UPS電路中，當UPS帶載小于30%時，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，此時開啟濾波器不僅不能凈化電網反而引起更大的諧波干擾，在實際工程應用中，客戶經常會有這樣的疑問，一般建議客戶的后端負載增加至60%~70%左右時再開啟濾波器，此時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

 

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