安科瑞 張奇峰

江蘇安科瑞電器制造有限公司

　　摘要：本文主要以某大型數(shù)據(jù)中心諧波治理為例，闡述數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的有源電力濾波器諧波治理策略。

　　關(guān)鍵詞：智慧能源;UPS;電壓諧波;諧波放大;APF

　　1 引言

　　在實際工程應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，由于電力輸配電設(shè)施老化、設(shè)計不良和供電不足等原因造成末端電壓過低，前端電壓過高，這對電壓要求較高的精密設(shè)備造成了很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計當(dāng)前公用電網(wǎng)影響用戶用電設(shè)備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現(xiàn)象。以上問題不可能在短時間內(nèi)做出解決，比較現(xiàn)實的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入一個二次供電設(shè)備，實現(xiàn)局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。一般常用的設(shè)備為不間斷電源系統(tǒng)UPS，它在我國的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心、證券交易中心、民航和鐵路的控制中心、監(jiān)控系統(tǒng)等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設(shè)備，正常工作的時候也會產(chǎn)生諧波電流，由于UPS拓撲結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的諧波電流頻次和諧波有效值有很大的差異，本文就以大型數(shù)據(jù)中心的UPS為例，合理分析諧波電流頻次，采用分布式治理的方法，有效抑制諧波電流放大，優(yōu)化電能質(zhì)量，提高設(shè)備用電效率。

　　2　諧波電壓對電網(wǎng)的影響

　　2.1 諧波電壓對配電系統(tǒng)的影響

　　一般來說理想的交流電源是純正弦波形，純正弦的交流電壓加在線性負載兩端，會產(chǎn)生純正弦的交流電流。但是純正弦的交流電壓加在非線性負載兩端，會產(chǎn)生失真的交流電流，同時導(dǎo)致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負載或非線性負載兩端，都會產(chǎn)生失真的交流電流。

圖 1 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖(無功柜未投入)

　　如圖 1所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運行，主要負載全是線性負載，2#主變下UPS2投入運行，主要負載全是非線性負載，兩邊電容柜沒有投入運行，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓;單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓;同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在。

　　2.2 諧波電壓對濾波裝置的影響

　　有源電力濾波器從拓撲結(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)型有源電力濾波器、并聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目前市場上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯(lián)型，并聯(lián)型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補償負載的電流，通過計算分析提取出負載電流的諧波成分，有源電力濾波器被動輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流，達到諧波補償目的。

圖2 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖(增加APF)

　　如圖2所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運行，主要負載全是線性負載，2#主變下UPS2投入運行，主要負載全是非線性負載，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓;單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓，開啟APF2補償后，測量點M2處諧波電壓和諧波電流有效值減小;同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，單獨開啟APF1，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化，單獨開啟APF2，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時減小。

　　上述測試中有一種情況比較特殊，在同時運行1#主變和2#主變，單獨開啟APF1進行補償時，雖然濾波器有諧波電流輸出，但是測試點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小，測量1#主變下線性負載上的電流諧波有效值，有明顯的放大現(xiàn)象。這說明2#主變下非線性負載引起諧波電流失真，導(dǎo)致10KV段電壓失真，失真的電壓加在1#主變的線性負載兩端，使M1點出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線性負載的諧波電流進行了補償，但M1點的諧波電流和諧波電壓不會改變，相對于APF1并線點的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變，負載側(cè)諧波電流有效值增大。因此，并聯(lián)型有源電力濾波器并不能有效濾除電壓諧波引起的電流諧波，相反，會使負載側(cè)諧波電流變的更大。

　　3 諧波分布式治理

　　工程中往往諧波的產(chǎn)生是多方面的，非線性負荷引起的諧波、背景諧波、補償裝置諧波放大等等現(xiàn)象，都是引起諧波產(chǎn)生的重要因素。

圖3 中國銀行某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)圖

　　如圖3所示，是中國銀行某數(shù)據(jù)中心的配電一次圖，正常運行時聯(lián)絡(luò)柜中母聯(lián)斷路器始終保持斷開狀態(tài)，T1變壓器和T2變壓器下負載全是12脈沖整流的UPS(T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2;T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2),兩臺變壓器所帶負載基本一致，前期APF1和APF2沒有投入運行，測量T1變壓器和T2變壓器進線柜諧波電壓電流，如圖4和圖5所示：

圖4補償前諧波電壓波形及畸變率

圖5 補償前諧波電流波形及有效值

　　從上圖中可以看出，12脈沖整流型UPS輸入側(cè)諧波電流應(yīng)該是以11次和13次為主，但實際側(cè)量發(fā)現(xiàn)明顯5次、7次諧波非常大。通過對UPS故障排查發(fā)現(xiàn)由于12脈沖整流器使用可控整流方式，上下整流橋調(diào)相角度不一致或上下橋直流輸出帶載不對稱等原因造成了UPS輸入端5次、7次諧波并沒有完全抵消，這些沒有抵消的5次、7次諧波經(jīng)過11次濾波器時諧波被放大，這就出現(xiàn)了我們看到的圖4和圖5的情況。

　　為了濾除現(xiàn)場諧波電流，主動斷開所有UPS的11次諧波濾波器濾波支路，增大APF濾波容量，考慮使用APF補償UPS產(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后，同時運行APF1和APF2，測量T1變壓器和T2變壓器進線柜諧波電壓電流，如圖6和圖7所示：

圖6 補償后諧波電壓電流波形

圖7 補償后諧波電壓電流有效值

　　以上數(shù)據(jù)滿足GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)限值。通過對現(xiàn)場系統(tǒng)和負荷特性的了解，分析負荷故障原因，避免了UPS自帶無源濾波器與UPS間的并聯(lián)諧振，抑制電流諧波放大;采用分布式補償方案，避免變壓器間電壓畸變引起的電流畸變，從而有效的濾除UPS產(chǎn)生的諧波電流，解決了現(xiàn)場諧波對公用電網(wǎng)的污染問題。

　　4 結(jié)束語

　　本文分析了數(shù)據(jù)中心主要負荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內(nèi)部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關(guān)系以及在工程項目中如何判斷諧波引起的故障，并提出解決方案，抑制諧波電流的放大，采用合理的補償策略，最終達到濾除諧波污染的目的。得出結(jié)論：

　　(1) UPS的諧波主要是由相控整流功率器件引起的;

　　(2) 12脈沖整流型UPS上下橋調(diào)相角或帶載不對稱時，輸入端11次諧波濾波器會與UPS未抵消的5次、7次諧波電流產(chǎn)生諧振，放大5次、7次諧波電流;

　　(3) 有源電力濾波器APF并不適用于諧波電壓(背景諧波)引起的諧波電流濾波場合;

　　(4) 電能質(zhì)量優(yōu)化工程項目中，了解現(xiàn)場負荷特性、分析故障根本原因，是解決工程項目諧波治理的必要條件。

　　文章來源：《電氣時代》2017年12期。

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