市场上 UPS 的分类有很多种,从技术上分离线式(OFF LINE)、在线式(ON LINE)和在线互动式(ON LINE INTERACTIVE);从工作原理上分后备式和在线式;从备用时间上分标准机和长效机;按照结构分为直流型(DC-UPS)和交流型(AC-UPS);从中组成原理上分旋转型和静止型;从容量大小方面分为大容量(大于 100KVA)、中容量(10-100KVA)和小容量(小于 10KVA);从整流拓扑上分为 6 脉冲整流型和12 脉冲整流型。
图2-2丨12 脉冲整流型UPS输入端拓扑
6脉冲整流电路(如图2-1)中,假定交流侧电抗L的感值为0,直流电感为无穷大,调相角度为 0,则交流侧电流傅里叶级数展开为:
公式(1)
由以上公式(1)可以看出,6脉冲整流电路电流谐波主要是6N±1(N=1、2、3…)次谐波。
同理,12脉冲整流电路电流(如图2-2)中,上桥的网侧电流傅里叶级数展开和6脉冲整流一样为:
公式(2)
下桥网侧线电压比上桥超前30°,所以它的网侧电流傅里叶级数展开后为:
公式(3)
式(2)+(3)就是总的12 脉冲整流器的网侧电流,即为:
公式(4)
图2-3丨含有5次滤波器的6脉冲整流电路
图2-4丨含有11次滤波器的12脉冲整流电路
由于 5 次谐波滤波器的电容容值较大,在 UPS 负载较轻时,整流输入电流会超前电压,整个 UPS 系统呈容性,因此 5 次谐波滤波器一般在 UPS 负载低于 15%以下时,主动退出补偿状态。如果是 11 次滤波器就不存在这方面的问题。
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6脉冲 | 86% | 65% | 50% | >30% |
6脉冲5次滤波 | >50% | 30% | 15-20% | 10-12% |
12脉冲 | 20% | 15% | 12% | 9.5% |
12脉冲11次滤波 | 12-15% | 8-12% | 5-8% | 4.5% |
表1丨负载率不同时谐波电流含量的变化
图3-1丨某数据中心配电系统测量示意图(无功柜未投入)
图3-2丨某数据中心配电系统测量示意图(增加APF)
图4-1丨中国银行某数据中心配电系统图
如图4-1所示,是中国银行某数据中心的配电一次图,正常运行时联络柜中母联断路器始终保持断开状态,T1变压器和T2变压器下负载全是12脉冲整流的UPS(T1:SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2;T2:SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2),两台变压器所带负载基本一致,前期 APF1 和 APF2 没有投入运行,测量T1变压器和 T2 变 压器进线柜谐波电压电流,如图 4-2 和图 4-3 所示:
图4-2丨补偿前谐波电压波形及畸变率
图4-3丨补偿前谐波电流波形及有效值
为了滤除现场谐波电流,主动断开所有 UPS 的 11 次谐波滤波器滤波支路,增大 APF滤波容量,考虑使用 APF 补偿 UPS 产生的所有谐波频次。UPS 谐波滤波器改造完成后,同时运行 APF1 和 APF2,测量 T1 变压器和 T2 变压器进线柜谐波电压电流,如图 4-4 和图 4-5所示:
图4-4丨补偿后谐波电压电流波形
图 4-5丨补偿后谐波电压电流有效值
参考文献:
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[2]能源部电力司.GB/T14549-93 电能质量 公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社,1994.
[3]程爱玲. 浅谈有源和无源产品在无功补偿与谐波治理中的应用[J]. 现代企业教育.2014
[4]商少锋. 电力有源滤波与电容器组无功补偿混合应用技术研究[J]. 浙江电力,2007(4)21-24
[5]张崇巍,张兴.PWM 整流及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.
[6]王毅,张标标.智慧能源[M].北京:清华大学出版社,2012.
[7]高凤友.无源逆变电源的原理与应用[M].北京:化学工业出版社,2011.
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安科瑞深圳,东莞办事处顾经纬
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