安科瑞 鮑靜君

　　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(shí)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(jì)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(duì)電壓要求較高精度的設(shè)備造成了很大的威脅,。據(jù)統(tǒng)計(jì)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(shí)間內(nèi)做出解決,，比較現(xiàn)實(shí)的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入一個(gè)二次供電設(shè)備,，實(shí)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(guó)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,、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(shí)候也會(huì)產(chǎn)生諧波電流,，由于UPS拓?fù)浣Y(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(duì)電網(wǎng)的影響

　　諧波電壓對(duì)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(fù)載兩端，會(huì)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(fù)載兩端,，會(huì)產(chǎn)生失真的交流電流，同時(shí)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(fù)載或非線性負(fù)載兩端,，都會(huì)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(cè)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(yùn)行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載,，2#主變下UPS2投入運(yùn)行,，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，兩邊電容柜沒有投入運(yùn)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(dú)運(yùn)行1#主變時(shí),，測(cè)量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓,；單獨(dú)運(yùn)行2#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓；同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變時(shí),，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在,。

　　諧波電壓對(duì)濾波裝置的影響

　　有源電力濾波器從拓?fù)浣Y(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(chǎng)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(bǔ)償負(fù)載的電流，通過計(jì)算分析提取出負(fù)載電流的諧波成分,，有源電力濾波器被動(dòng)輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流,，達(dá)到諧波補(bǔ)償目的。

圖2 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測(cè)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(yùn)行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載,，2#主變下UPS2投入運(yùn)行,，主要負(fù)載全是非線性負(fù)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(dú)運(yùn)行1#主變時(shí),，測(cè)量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨(dú)運(yùn)行2#主變時(shí),，測(cè)量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓,，開啟APF2補(bǔ)償后，測(cè)量點(diǎn)M2處諧波電壓和諧波電流有效值減??；同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在,，單獨(dú)開啟APF1,，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化，單獨(dú)開啟APF2,，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時(shí)減小,。

　　上述測(cè)試中有一種情況比較特殊,，在同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變,，單獨(dú)開啟APF1進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，雖然濾波器有諧波電流輸出,，但是測(cè)試點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小,，測(cè)量1#主變下線性負(fù)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(fù)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(fù)載兩端，使M1點(diǎn)出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓,。雖然APF1對(duì)線性負(fù)載的諧波電流進(jìn)行了補(bǔ)償,，但M1點(diǎn)的諧波電流和諧波電壓不會(huì)改變，相對(duì)于APF1并線點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變,，負(fù)載側(cè)諧波電流有效值變大,。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(huì)使負(fù)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(fù)荷引起的諧波,、背景諧波、補(bǔ)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(guó)銀行某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)圖

　　如圖3所示，是中國(guó)銀行某數(shù)據(jù)中心的配電一次圖,，正常運(yùn)行時(shí)聯(lián)絡(luò)柜中母聯(lián)斷路器始終保持?jǐn)嚅_狀態(tài),，T1變壓器和T2變壓器下負(fù)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(tái)變壓器所帶負(fù)載基本一致，前期APF1和APF2沒有投入運(yùn)行,，測(cè)量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流,，如圖4和圖5所示：

　　圖4補(bǔ)償前諧波電壓波形及畸變率

　　圖5 補(bǔ)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(shí)際側(cè)量發(fā)現(xiàn)明顯5次,、7次諧波非常大。通過對(duì)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(duì)稱等原因造成了UPS輸入端5次,、7次諧波并沒有抵消，這些沒有抵消的5次,、7次諧波經(jīng)過11次濾波器時(shí)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(chǎng)諧波電流，主動(dòng)斷開所有UPS的11次諧波濾波器濾波支路,，加大APF濾波容量,，考慮使用APF補(bǔ)償U(kuò)PS產(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后,，同時(shí)運(yùn)行APF1和APF2,，測(cè)量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流，如圖6和圖7所示：

　　圖6 補(bǔ)償后諧波電壓電流波形

圖7 補(bǔ)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)和負(fù)荷特性的了解,，分析負(fù)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(bǔ)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(chǎng)諧波對(duì)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(fù)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(xiàng)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(bǔ)償策略，最終達(dá)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(duì)稱時(shí)，輸入端11次諧波濾波器會(huì)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(chǎng)合,；

　　4.電能質(zhì)量?jī)?yōu)化工程項(xiàng)目中，了解現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷特性,、分析故障根本原因,，是解決工程項(xiàng)目諧波治理的必要條件。