UPS输入谐波电流的抑制-V1

UPS输入谐波电流的抑制艾普斯电源（苏州）有限公司韦惠明摘要：近年来电力系统的电力品质日益恶化，而电脑等精密仪器设备对电力品质要求甚高，为满足电脑等精密设备的用电需求，UPS系统的使用日益普遍，传统的UPS系统虽能提高较高品质的电力，然而其输入会造成谐波电流污染。本文针对UPS输入系统做了详细剖析，理论分析了谐波电流的产生原因，提出了性价比最高的6脉冲整流+无源LC滤波器，并阐述了无源LC滤波器的工作原理和各参数的设计计算方法，并运用MATLAB做了仿真。1谐波产生的过程谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波，如图1所示。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M·Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。三相桥式全控整流电路由如图2所示。当忽略三相桥式可控硅整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：由上式可以得出结论，电流中含6k±1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、图1谐波示意图图2三相桥式全控整流图13...等各次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。所以谐波电流是UPS输入整流部分电路结构所决定存在的，如何减小谐波电流成为电路设计要解决的最大技术难题之一。2谐波的危害对大功率UPS来说，如果UPS整流装置为三相全控桥6脉整流器，由整流装置产生的谐波占所有谐波的近25~35%，对电网的危害较大，谐波有可能造成配电线缆和变压器发热，降低输送质量，空气开关误动作，发电机喘振等不良后果。2.1对供电设备的危害谐波会对发电机的稳定运行有较大的影响。与变压器相似，磁滞现象和涡流现象会由于谐波的作用造成发电机的损耗大增，损耗增大，产生过热损害；电缆过热，绝缘层损坏；电力电容器介质损耗增大、过热、甚至爆炸；中线电流增大，过热。2.2对用电设备的危害敏感性负载受干扰，计算机出错，死机；保护装置异常动作，开关误跳；伺服电机产生脉动，交流电机产生振动，噪音增大；产生线路传导电磁干扰，数字传输错误，通讯间断。2.3对电网的危害电网的品质变坏，波形失真增大，频率改变；过度地消耗电网中的无功功率和电流有效值；电网的负担加重，可用容量下降。3谐波的抑制与治理为减小输入谐波电流，优化设计，目前国内大部分厂商输入谐波电流抑制都采用以下几种方案：(1)6脉冲整流+LC无源滤波（5次滤波器）6脉冲整流器交流侧电流中谐波含量最大的为5次谐波，加5次谐波滤波器（如图3）后，技术参数设计得当，总谐波电流含量可由原来的30%以上降到10%以下，输入功率因数可大于0.9，能较大的降低谐波电流对电网的危害，这种配置方法，输入谐波电流仍然偏大，但由于是无源器件，可靠性高，性价比也高，目前被大部分UPS厂商所应用。(2)12脉冲整流12脉冲整流是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线由12个可控硅整流完成（如图4）。交流侧电流：图36脉冲整流+LC无源滤波器图412脉冲整流可见，两个整流桥产生的5、7、17、19、...次谐波互相抵消，注入电网的只有12k±1（k为正整数）次谐波，即11、13、23、25等各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数，总谐波电流含量为10%左右。(3)12脉冲整流+LC无源滤波（11次滤波器）12脉冲整流理论上11次谐波含量最大，加11次谐波滤波器（如图5）后，技术参数设计得当，总谐波电流含量可有10%减小到3%以下，输入功率因数大于0.95以上，可基本消除电流对电网的危害，这种配置方法，器件和控制电路较6脉冲+5次滤波器多一倍，可靠性相对会略逊，但仍为各大UPS厂商成熟、较可靠的解决方案。(4)IGBT整流器IGBT整流器主要是采用数字信号处理（DSP）技术来控制六单元快速绝缘栅双击晶体管（IGBT）的开关（如图6），三相Boost有源升压电路，通过SPWM调制使整流器输入电流跟踪输入电压波形，整流器只吸取与电压同向的正弦电流，因此整流器基本消除了输入谐波电流，总谐波电流含图512脉冲整流+LC滤波器图6IGBT整流器量小于3%（非线性负载条件），输入功率因数为0.99，接近1，这是个非常理想的解决方案。有些国外先进产品采用更高效的多电平IGBT整流器。但是由于IGBT整理器相对来说输出直流电压偏高、控制复杂、器件多、成本高，同时新型元器件和控制技术有待于进一步成熟提高，所以有源IGBT整流器的成本、电路成熟和可靠性较以上结构略逊，但从先进技术发展的趋势来说有源IGBT整流器仍是目前和将来的发展方向。(5)有源滤波器由电力电子电路构成的有源滤波器来吸收谐波和对无功进行补偿，这种方案技术先进，但结构复杂成本太高，一般用户不予考虑。(6)各种不同类型方案比较某大功率UPS（带无源谐波滤器）与另一种大功率UPS（IGBT整流器）满负荷时谐波实测对比表1。谐波次数35711131719THDIIEC6000-3-4指标要求21.6%10.7%7.2%3.1%2%1.2%1.1%25%6脉冲整流032%3%8%3%4%2%﹥30%6脉冲整流+5次滤波器02%1%7%2%3%2%9%12脉冲整流01%1%9%4%1%1%10%12脉冲整流+11次滤波器01%1%3%2%1%1%4.5%IGBT整流器02%1.2%1.3%0.5%1%0.9%4%从表1可以看出，加装谐波滤波器对谐波抑制作用非常明显，6脉冲整流器5次谐波最大，可加装5次谐波滤波器来抑制谐波；12脉冲整流器11次谐波最大，可加装11次谐波滤波器来抑制谐波，从抑制谐波电流和提高功率因数的角度上IGBT整流器效果最好。各方案性能对比总结如表2。表1不同类型方案比较表6脉冲整流器6脉冲整流+5次滤波器12脉冲整流+11次滤波器IGBT整流器功率因数☆☆☆☆☆☆☆☆效率☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆可靠性☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆成本核算☆☆☆☆☆☆☆注：☆☆☆好、☆☆一般、☆差综合以上依据、图表说明和设计生产经验，从性能、价格和可靠性来讲，根据国内电网相对发达国家较不稳定的客观情况，认为6脉冲整流器+5次谐波滤波器这种解决方案对我们国情来说是最佳的选择之一。4谐波滤波器的参数设计无源谐波滤波器主要元件为电容器和电抗器，也称为LC滤波器。LC滤波器的基本工作原理是利用谐振电路的阻抗特点，抑制设备向电网注入谐波电流。由于串联LC电路进入谐振状态时，其对谐振频率的谐波电流阻抗很小，使得谐波电流主要流入滤波回路，从而滤除该频率的谐波电流。由此也可以看次，LC滤波器只对满足谐振条件的谐波电流具有明显的滤波效果。(1)根据谐波电流含量确定谐波的谐振频率f；谐波滤波器的谐振频率一般认定为特征谐振频率的96%～98%，以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变。即5次谐波滤波器的谐振频率为240Hz～245Hz。(2)根据谐波电流的大小计算所需的电容器C的容量；HarPCIUQ其中CQ为电容器容量，PU为电压有效值，HarI为电流谐波的有效值。(3)根据电容器容量计算出电容C的大小；)/(20CCUQC表2不同类型方案性能比较表其中0为基波的角速度，CU为电容的额定电压。(4)根据C和支路谐振频率计算电感L的大小；)/(1202CnL其中n为谐波次数，为了提高系统的鲁棒性，一般基波频率选取49.7Hz。(5)根据滤波效果选取滤波器的品质因数Q，品质因数改变时谐振曲线只在特征谐波附近变化，在滤波器调谐频率与谐振频率相等或相近的情况下，品质因数越高，滤波效果越好（如图7）。考虑到电抗器制造工艺和成本要求，一般Q选取范围为30～80；LRLnQ/0(6)电容的额定电压和电抗的额定电流：)(1.1谐波基波UUUC，22LII3.1I谐波基波5系统仿真(1)6脉冲整流器系统MTLAB仿真图（见附图一），其中负载R=7.8Ω、Udc=431.7V、Idc=55.34A、P=23.89KW、PF=0.5、整流器触发角α=30°，在没有加无源LC滤波器的情况下，输入谐波电流失真为32%，其中5次谐波含量在25%以上，如图8：图7Q值曲线图(2)6脉冲整流器+无源LC滤波器（5次）系统仿真图（见附图二），其中负载R=7.8Ω、Udc=432.2V、Idc=55.42A、P=23.95KW、PF=0.88、整流器触发角α=36°，输入谐波电流失真为8.7%，其中5次谐波含量在1%以内，如图9：(3)5次滤波器的参数为L=2.1mH、C=200μF。计算过程：1710045*380HarPCIUQ；图8输入THDI含量图（不带LC滤波器）输入THDI含量图图9输入THDI含量图（带LC滤波器）FUQCCC193)537*49*14.3*2/(17100)/(220，取FC200；mHCnL11.2)200)49*14.3*2(5/(1)/(122202，取mHL1.2；LRLnQ/0→QLnRL/0，所以40LR～m108。6参考文献[1]陈一逢.高性能软开关PFC电路设计[J].电路设计应用，2004，1：35-37.[2]王林兵.何湘宁.UPS逆变器控制方法比较分析[J].电源技术应用，2005，1：45-50.[3]魏晓光，石新春，刘卉.无源滤波器参数的优化设计[J].华北电力大学报，2003，30（3）：25-27.[4]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2002[5]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术和装备[M].中国电力出版社，2006-04[6]曲学基，曲敬铠，于晚扬.电力电子滤波技术及应用[M].电子工业出版社，2008-10附图一：附图二：