整流滤波型非线性负载的谐波污染及其治理方案(一)

收稿日期院2007-01-26整流滤波型非线性负载的谐波污染及其治理方案（一）李成章（艾默生网络能源公司，中国科学院计算所，北京100101）HarmonicVitiationofRectifier-filterNon-linearLoadandItsProtectionMethodsLICheng-zhang中图分类号：TN911文献标识码：D文章编号：0219-2713（2007）07-0001-080引言在现代低压供电电网中经常遇到的非线性负载有：相移性非线性负载和整流滤波型非线性负载两大类。在信息网络机房的供电系统中大量使用的各种IT设备（例：PC机、服务器、磁盘阵列机、-48V通信电源和UPS等）就是典型的整流滤波型非线性负载。整流滤波型非线性负载在运行中，可能对低压供电电网带来的负面影响是，它们会向输入电源反馈大量的电流谐波分量。相关的分析表明，各种高次电流谐波分量的出现，必然会带来严重的无功功率的损耗问题。由此对输入电源所可能带来的典型危害有：（1）对供配电系统的安全运行所带来的危害国电力变压器和柴油发电机因损耗增大而导致其“温升”的异常升高，并迫使它们进入降额运行状态；电力电缆/断路器开关因加速“老化”而出现故障率增大和拒动或误动操作；电容型功率因数补偿柜中的电力电容的异常损坏以及用户在日常运行中所需的电费开支增加等。（2）对信息网络的安全运行所带来的危害国因向IT设备供电电源的“零线对地线”的电压过高和电压谐波干扰偏大而导致它在执行数据处理和传输操作时的“误码率”增高、语音通信质量的下降、晶闸管调控设备的“误触发导通”故障等，从而危及信息网络中的IT硬件和软件系统的安全运行等。基于上述原因，有必要认真地研究由非线性负载所带来的谐波污染问题，并力争寻找出具有最佳性价比的谐波治理方案或最适合于用户的特定技术需求的综合型的谐波治理方案。为此，本文将从多方面来探讨非线性负载的谐波特性及其相应的谐波治理对策。1整流滤波型非线性负载是导致输入电源发生谐波“污染”的主要干扰源在当今的信息化时代，将计算机技术与通信技术有机地融合在一起的信息网络机房承担着执行信息资源（数据、语音和图像等资料）的互连、互通的任务。利用这样的信息网络不仅能不受时空限制地在各用户之间实现信息资源的共享，而且，还能大大地提高企业的增值服务的价值和竞争潜力。为了能确保在信息网络系统上连续不断地执行高效、可靠和保密的信息资源的处理/存储/交换/传送/查询等操作，需要为位于信息网络中的各类IT设备配置一套具有高可利用率的、功能完善的和易于维护的UPS供电系统。为此，需要解决的重要技术问题之一是：尽可能地消除由各种非Vol.10No.7July2007第10卷第7期2007年7月POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS1PDF文件使用pdfFactory试用版本创建供电系统的典型配置线性负载对输入电源/UPS所可能产生的谐波污染问题，降低供电系统的“零地电压”，以便确保向IT设备供电的输入电源始终处于“绿色电源”的运行状态之下。一套数据中心用的UPS供电系统的典型的设备配置如图1所示。众所周知：在理想的情况下，从市电电网或备用发电机所传送来的输入电源的电压应该是没有任何电压失真度的，具有标准的正弦波形特性的电压波。在此条件下，我们期望各类用电设备在这样高品质的输入电源的支持下，不仅能安全和可靠地运行。而且，还希望各种用电设备能高效地利用来自输入电源的能量，使其对电源的利用效率尽可能地趋于100%。显然，为达此目的，只有在各用电设备从输入电源所吸取的电流波仍然保持着标准的正弦波的条件下，才有可能实现。也就是说，用电设备在从输入电源获取电能的同时，不允许它们向输入电源反馈任何高于50Hz基波分量的电流谐波分量。然而，在实际的供电系统中，由于种种非线性负载的存在而可能致使输入电源的电压和电流都会产生程度不同的波形畸变，从而导致对输入电源的利用率下降及供电品质的恶化等诸多问题。如图1所示，可以将连接在输入电源的输出端及UPS电源的输出端的各种负载划分为三种不同性质的负载：（1）线性负载（电阻性负载）；（2）相移性的非线性负载（电感/电容性负载）；（3）由二极管/晶闸管+滤波电容为核心所构成的整流滤波型（RCD型）的非线性负载。1.1电阻性的负载如图2所示，对于电阻性的负载（例如：白炽灯、电炉等）而言，由于在它们的输入电压和输入电流之间是服从V=IR公式的，其输入电流I与输入电压V之间变化规律是按正比变化的（即符合线性的变化规律）。所以，它们常被称为线性负载。此时，出现在电阻负载上的电流波是完全同步跟踪于它的正弦波形的电压波的正弦波，它不会产生任何电流谐波分量的（所谓谐波是指其频率为50Hz基波分量的频率整数倍的高次谐波分量），并且它的功率因数cos0毅=1。1.2相移性的非线性负载对于电感性负载（例如：“非变频”调节的空调、电动机、电风扇、各类泵站及炼钢炉等）而言，当输入电压波为正弦波时，如果负载为纯电感性负载时，其输入电流波是一串滞后于正弦形电压波90毅的标准正弦波形的电流波。在此条件下，它是不会产生任何电流谐波分量的，其功率因数cos椎=cos（-90毅）=0。然而，对于实际的电感性负载2PDF文件使用pdfFactory试用版本创建而言，由于其输入的绝大部份电能已被转换成有功功率。所以，它的cos椎并不是很低。例如：对于甩干机中的电机而言，它的cos椎=0.96（滞后）左右，这就意味着：对于这种负载而言，它的输入电流的波形是一串滞后于正弦形电压波16毅左右的正弦形的电流波。所以，它们也是不会向输入电源反馈任何电流谐波分量的。此外，对于电容性负载（例如：电力电容型的功率因数补偿柜）而言，当输入电压波为正弦波时，其输入电流也是一串相位超前于电压波90毅的正弦波形的电流波，它的功率因数cos90毅=0。它也是不会向输入电源反馈任何电流谐波分量的。显然，对于这类电感/电容性负载而言，在它们的输入电流I与输入电压V之间并不存在按正比例变化的线性关系，应该属于非线性负载。然而，它们的电流波都仍然是保持着“正弦波形”的运行特性。所以，它们都是不会产生谐波电流的。为方便叙述，在下面的讨论中，我们将这类非线性负载称为相移性的非线性负载。综上所述：对于电阻性的线性负载、电容和电感等“相移型”非线性负载来说，它们都不会对输入电源带来任何电流谐波“污染”问题的。1.3整流滤波型（RCD型）的非线性负载常见的整流滤波型负载有：（1）采用单相开关电源的设计方案的典型整流滤波型负载，有PC机、服务器、磁盘阵列、存储器、小型机、半导体芯片生产厂用晶体炉和测试仪、家用电器、节能灯、变频器、电梯、复印机、打印机、大型体育馆、证券交易所和会议厅用的大屏幕LED显示屏和广播设备等；（2）采用三相6脉冲整流器的设计方案的典型整流滤波型负载，有采用三相全波整流技术设计的-48V通信电源、带晶闸管整流器的UPS和变频器等。以上两类负载都是能导致在输入电源上产生多种电流谐波分量的非线性负载。其特征是：在正弦波形的输入电压的供电的条件下，出现在这些负载输入端的电流波都是已发生了明显波形畸变的非正弦波形，从而导致出现严重的输入电流谐波失真问题。它们的典型的输入电流谐波特性如图3所示。从图3（a）可见：对于6脉冲整流型的三相UPS而言，在输入电压波为连续的正弦波形的条件下，它的典型输入电流波形为不连续的“马鞍形”脉动波形。在这里，所谓的不连续的脉动波形是指：在输入电压波形不等于零的期间，出现了“输入电流为零”的工作区域。从图3（b）可见：对于不带输入功率因数校正功能（PFC）的PC机、网关、家用电器及各种办公设备等单相整流滤波型非线性负载而言，在输入电压波为连续的正弦波形的条件下，它的典型输入电流波形为不连续的“钟形”脉动波形。从图3（c）可见：对于带输入功率因数校正功能（PFC）的小型机、服务器和磁盘阵列机等单相整流滤波型非线性负载而言，在输入电压波为连续的正弦波形的条件下，它的典型输入电流波形为连续的“准三角形”脉动波形。对于所有上述的整流滤波型非线性负载而言，在输入电源的电压波为连续的正弦波形的条件下，它们从输入电源所吸取的输入电流波形均变为发生了严重波形畸变的非正弦形的脉动波,从而导致出现向输入电源大量地反馈谐波电流的“谐波干扰”问（d）输入电压与输入电流的矢量图图2电阻性的线性负载、电容和电感等“相移型”非线性负载是不会产生谐波电流的（a）带电阻负载时的电压和电流波形（b）带纯电感负载时的电压和电流波形（c）带纯电容负载时的电压和电流波形绎行业综述———整流滤波型非线性负载的谐波污染及其治理方案(一)———3PDF文件使用pdfFactory试用版本创建题，并进而程度不同地危及供电系统的安全运行。2单相整流滤波型的非线性负载2.1单相不带PFC的非线性负载如图3（b）所示，对于不带输入功率因数校正功能（PFC）的单相整流滤波器负载（例如：PC机、网关、电视机、组合音响等家用电器设备）而言，在输入电压为正弦波的条件下，其输入电流波是一种脉宽仅为3ms左右的“钟形”脉冲型的非正弦波（注：对于50Hz的市电电源而言，其半波的脉宽=10ms），从而致使它们会向输入电源反馈大量的高次电流谐波分量，并随之而带来严重的“谐波污染”问题。其重要标志之一是导致输入电源的电流谐波失真度（THDI）急剧增大和输入功率因数的明显下降。这样一来，就会造成供电电源的无功功率增大，电力变压器的温升急剧增大和供电电网的“可利用率”的下降等弊端的发生。目前在市场上，所销售的多数PC机及低档服务器所用的典型的开关电源的控制框图如图4所示。在这里，50Hz/220V的正弦波形的交流电源经单相全波整流滤波器处理后被变换成如图4（c）所示的单极性的幅值约为270V的直流高压电源。然后，这样的直流高压电源再经由“它激式”的脉宽调制式开关电源（由它产生依12V，依5V和3.3V直流辅助电源）+“自激式”的脉宽调制式开关电源（由它产生3.3V直流辅助电源）+专用自动保护控制芯片（由它负责提供过压、欠压、过流保护信号）所共同组成的调控线路后，被变换成PC机和低档服务器所需的复合式的开关电源。采用这种开关电源设计方案所带来的好处之一是增大IT设备对输入电源的可适应性：当输入电压在140~270V的范围内，可确保IT设备的正常运行。即使当输入电压降低至80V时，仍可确保它不会出现数据丢失的故障。对于单相全波整流电路的单极性的脉动输出电压V出（棕t）可表示为V出（棕t）=2/仔+4/仔[（1/3）cos2棕t-（1/15）cos4棕t-……+（-1）n+1/（4n2-1）cos2n棕t]（1）式（1）的单极性的脉动输出电压V出（棕t）再经滤波电容滤除掉交流分量后，就可得到开关电源的整流滤波器直流高压电源Vdc。如图4（a）所示，对于单相开关电源而言，它从输入电源所吸取电流是呈现非连续性的“钟形”脉冲波形。在50Hz的半个周期中，在t1~t0和t3~t2的时间间隔内，它并不从输入电源吸取任何能量。因为，它在此时的输入电流i=0。它仅在很短的时间（c）小型机、带PFC的服务器、磁盘阵列机和通信电源等图3整流滤波型非线性负载的典型工作波形（a）6脉冲整流器UPS、通信电源、变频器等（b）PC机、网关、家用电器、LED显示屏等4PDF文件使用pdfFactory试用版本创建（a）微机开关电源中的全波整流滤波器的（b）由整流波波型负载所引起的顶部被削平的输出波形畸变正弦波电源（c）典型开关电源