安科瑞 鮑(bào)靜君

　　摘(zhāi)要(yào)：本(běn)文主要以某(mǒu)大型(xíng)數(shù)據(jù)中心諧波(bō)治(zhì)理(lǐ)為例，闡(chǎn)述數(shù)據中(zhōng)心(xīn)諧(xié)波產生(shēng)的原因和(hé)相應的有源電力(lì)濾(lǜ)波(bō)器諧波治(zhì)理策略。

　　關鍵(jiàn)詞：智(zhì)慧能(néng)源；UPS；電壓(yā)諧(xié)波(bō)；諧波(bō)放(fàng)大；APF

　　1引(yǐn)言

　　在(zài)實(shí)際(jì)工程(chéng)應(yīng)用(yòng)中不難(nán)發現(xiàn)，由於電(diàn)力輸配(pèi)電設(shè)施老(lǎo)化(huà)，設計不(bù)良和供電不(bù)足(zú)等原因(yīn)造成(chéng)末端電壓(yā)過低，前端電壓過高，這對(duì)電壓(yā)要求(qiú)較高精(jīng)度的設(shè)備(bèi)造成(chéng)了很(hěn)大(dà)的(dí)威脅。據統(tǒng)計(jì)當(dāng)前(qián)公用(yòng)電網影響(xiǎng)用(yòng)戶(hù)用(yòng)電(diàn)設備的(dí)問題主要有電(diàn)壓(yā)閃變，諧波幹(gān)擾，電網噪音，頻率漂(piāo)移(yí)，過電壓，欠電壓(yā)，斷電(diàn)及間斷等現象。以(yǐ)上問題不可能在(zài)短時間(jiān)內(nèi)做出(chū)解(jiě)決，比較(jiào)現(xiàn)實(shí)的解決(jué)途徑是在電網和用電設(shè)備(bèi)之(zhī)間插(chā)入(rù)一(yī)個(gè)二次供(gōng)電設備，實(shí)現(xiàn)局部(bù)高品質的供(gōng)電環境。一般常用(yòng)的(dí)設(shè)備為(wéi)不(bù)間斷(duàn)電源(yuán)係(xì)統UPS，它(tā)在(zài)我國的(dí)應用已經非常(cháng)普遍，廣(guǎng)泛應用於互聯網，數據中心，銀(yín)行清算中心，證(zhèng)券(quàn)交易中(zhōng)心，鐵(tiě)路(lù)的控(kòng)製(zhì)中心，監控係統(tǒng)等(děng)等(děng)核(hé)心(xīn)用電部門(mén)。但是由(yóu)於UPS屬(shǔ)於(yú)電力(lì)電(diàn)子設(shè)備，正常工作的時(shí)候也會產(chǎn)生諧波(bō)電流(liú)，由於UPS拓撲結(jié)構(gòu)的(dí)不(bù)同(tóng)產生的(dí)諧波電(diàn)流(liú)頻(pín)次和(hé)諧波(bō)有效(xiào)值(zhí)有很(hěn)大的差異，本(běn)文(wén)就(jiù)以大型(xíng)數據(jù)中心的(dí)UPS為(wéi)例(lì)，合理分析諧(xié)波電流(liú)頻次，采(cǎi)用分(fēn)布式(shì)治(zhì)理的方法，有效抑製諧(xié)波(bō)電流放大，優化(huà)電能質(zhì)量，提高(gāo)設(shè)備用(yòng)電效率。

　　2諧(xié)波(bō)電(diàn)壓(yā)對(duì)電(diàn)網的影響

　　諧波電(diàn)壓對配電(diàn)係統(tǒng)的影響(xiǎng)

　　一(yī)般來說(shuō)理想(xiǎng)的(dí)交流(liú)電源(yuán)是純正(zhèng)弦波形(xíng)，純正弦(xián)的交(jiāo)流電壓加(jiā)在綫(xiàn)性(xìng)負載兩(liǎng)端(duān)，會產(chǎn)生(shēng)純正(zhèng)弦的交流(liú)電流。但是純正(zhèng)弦的交流(liú)電壓加在(zài)非(fēi)綫(xiàn)性負(fù)載兩端，會產生失真(zhēn)的(dí)交(jiāo)流電流，同時導致純(chún)正(zhèng)弦(xián)交流電壓失(shī)真。失真的(dí)交(jiāo)流電壓無論加在綫(xiàn)性負(fù)載(zǎi)或(huò)非綫性負載兩端，都(dū)會產生失真的交流電流。

　　圖1 某數(shù)據(jù)中心配(pèi)電係(xì)統測(cè)量示意圖（無功櫃未投(tóu)入(rù)）

　　如(rú)圖(tú) 1所示，1#主變和2#主變共用(yòng)一(yī)段10KV母(mǔ)綫，1#主(zhǔ)變(biàn)下UPS1沒(méi)有投(tóu)入運(yùn)行(háng)，主要(yào)負(fù)載全(quán)是(shì)綫性負載，2#主變(biàn)下(xià)UPS2投(tóu)入運(yùn)行，主要負載全是(shì)非(fēi)綫(xiàn)性負載，兩(liǎng)邊(biān)電(diàn)容(róng)櫃沒有投(tóu)入(rù)運(yùn)行，聯絡(luò)櫃(guì)中聯絡開關始終(zhōng)處於(yú)斷開狀態(tài)。單獨(dú)運(yùn)行(háng)1#主變時(shí)，測量(liáng)點M1處(chǔ)沒有諧(xié)波(bō)電流和諧(xié)波電壓(yā)；單獨(dú)運(yùn)行2#主變時，測量點M2處有(yǒu)諧波電流(liú)和諧波電壓(yā)；同(tóng)時運行(háng)1#主變(biàn)和2#主變時(shí)，測量點(diǎn)M1和M2處都有(yǒu)諧(xié)波(bō)電(diàn)流(liú)和諧波(bō)電壓存(cún)在(zài)。

　　諧波(bō)電壓對(duì)濾波(bō)裝(zhuāng)置的影(yǐng)響

　　有源(yuán)電(diàn)力(lì)濾(lǜ)波器從拓撲(pū)結構上分(fēn)為串聯型有(yǒu)源(yuán)電(diàn)力濾波(bō)器，並聯型有源電力濾(lǜ)波(bō)器和(hé)混合(hé)型(xíng)有源(yuán)電(diàn)力濾波(bō)器。目前(qián)市場(cháng)上(shàng)的有源(yuán)電(diàn)力(lì)濾波(bō)器(qì)幾(jī)乎(hū)都屬(shǔ)於(yú)並聯型(xíng)，並(bìng)聯型有(yǒu)源(yuán)電力濾波器主要原理是(shì)通過互感器采(cǎi)集被補(bǔ)償負載的電流(liú)，通(tōng)過計算(suàn)分(fēn)析提(tí)取出(chū)負載(zǎi)電流的(dí)諧波成分，有(yǒu)源(yuán)電(diàn)力濾(lǜ)波器(qì)被動輸(shū)出反向的(dí)諧波(bō)電流(liú)來抵(dǐ)消係統中的諧(xié)波(bō)電流，達到(dào)諧波補償目的。

圖2 某數據(jù)中心(xīn)配電(diàn)係(xì)統(tǒng)測量示意圖(tú)（增加APF）

　　如圖2所示，1#主變和2#主(zhǔ)變共(gòng)用一段10KV母綫(xiàn)，1#主變(biàn)下UPS1沒(méi)有(yǒu)投(tóu)入運行(háng)，主要負載全是綫(xiàn)性(xìng)負(fù)載，2#主變(biàn)下(xià)UPS2投入運行，主要負載全是(shì)非(fēi)綫性負載，聯(lián)絡櫃(guì)中(zhōng)聯絡開(kāi)關始終(zhōng)處(chǔ)於斷(duàn)開狀(zhuàng)態(tài)。單(dān)獨運行(háng)1#主(zhǔ)變(biàn)時，測量點M1處沒(méi)有(yǒu)諧波電(diàn)流和諧波電壓(yā)；單獨運行2#主變(biàn)時，測量點M2處(chǔ)有諧(xié)波電流(liú)和諧(xié)波(bō)電(diàn)壓，開(kāi)啟APF2補(bǔ)償後，測量(liáng)點(diǎn)M2處諧波電壓和(hé)諧波電流有效值(zhí)減(jiǎn)小(xiǎo)；同(tóng)時運行(háng)1#主變和2#主變(biàn)時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和(hé)諧波電壓存在，單獨(dú)開啟(qǐ)APF1，測量點M1和(hé)M2處(chǔ)諧波(bō)電流(liú)和(hé)諧波(bō)電壓(yā)有效(xiào)值(zhí)沒(méi)有變(biàn)化，單獨(dú)開啟APF2，測量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波(bō)電壓有(yǒu)效值(zhí)同時(shí)減小。

　　上述(shù)測(cè)試中(zhōng)有一(yī)種情況(kuàng)比(bǐ)較特殊(shū)，在同(tóng)時(shí)運(yùn)行1#主(zhǔ)變(biàn)和(hé)2#主(zhǔ)變(biàn)，單獨開(kāi)啟(qǐ)APF1進行補償時，雖(suī)然濾(lǜ)波器(qì)有諧波電流(liú)輸出，但(dàn)是(shì)測試點(diǎn)M1和M2處諧波電(diàn)流(liú)和諧波電壓有(yǒu)效值(zhí)並沒(méi)有(yǒu)減小(xiǎo)，測量1#主變(biàn)下綫性負載上的(dí)電流(liú)諧(xié)波有效值，有明(míng)顯(xiǎn)的(dí)放(fàng)大(dà)現象。這(zhè)說(shuō)明(míng)2#主變(biàn)下非綫性(xìng)負載(zǎi)引起諧(xié)波電流失(shī)真(zhēn)，導致10KV段電(diàn)壓(yā)失(shī)真(zhēn)，失真的(dí)電(diàn)壓加在(zài)1#主變的綫性(xìng)負(fù)載(zǎi)兩端(duān)，使(shǐ)M1點出現了諧波(bō)電流和(hé)諧(xié)波(bō)電壓。雖然(rán)APF1對綫性負載的(dí)諧波電(diàn)流(liú)進行(háng)了補償(cháng)，但(dàn)M1點的諧波(bō)電流和諧波電壓不(bù)會(huì)改變，相(xiāng)對(duì)於(yú)APF1並(bìng)綫(xiàn)點的網側諧波電(diàn)流(liú)和諧波電(diàn)壓(yā)有效值不(bù)變，負載側諧波電(diàn)流有(yǒu)效(xiào)值變大。因此，並聯型有(yǒu)源(yuán)電(diàn)力(lì)濾(lǜ)波(bō)器(qì)並不能(néng)有效濾除(chú)電壓諧(xié)波引起(qǐ)的(dí)電流諧波，相反，會使負載側諧波電流變的更大。

　　3諧(xié)波分布式治(zhì)理(lǐ)

　　工程中往往諧(xié)波(bō)的產(chǎn)生是(shì)多(duō)方(fāng)麵的(dí)，非(fēi)綫性(xìng)負荷引起(qǐ)的(dí)諧波(bō)，背景(jǐng)諧波(bō)，補償裝置(zhì)諧波放大等(děng)等現(xiàn)象，都是引起諧波(bō)產生(shēng)的重(zhòng)要因素。

　　圖3 中(zhōng)國(guó)銀行(háng)某(mǒu)數據中心配電係統圖

　　如(rú)圖(tú)3所示，是中(zhōng)國銀行某數據(jù)中(zhōng)心的(dí)配電一次(cì)圖，正(zhèng)常(cháng)運(yùn)行時聯絡(luò)櫃(guì)中(zhōng)母(mǔ)聯(lián)斷路(lù)器(qì)始終(zhōng)保持斷開狀(zhuàng)態，T1變壓(yā)器(qì)和T2變壓(yā)器(qì)下(xià)負(fù)載全是12脈衝整(zhěng)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(liǎng)台變(biàn)壓器所帶負載基本一致，前期APF1和APF2沒(méi)有(yǒu)投(tóu)入運(yùn)行，測(cè)量(liáng)T1變(biàn)壓器(qì)和T2變壓(yā)器(qì)進(jìn)綫櫃諧(xié)波(bō)電壓(yā)電(diàn)流，如(rú)圖(tú)4和圖(tú)5所示(shì)：

　　圖4補(bǔ)償(cháng)前諧波電壓(yā)波形及畸變率

　　圖5 補償(cháng)前(qián)諧波電(diàn)流波形(xíng)及(jí)有效值(zhí)

　　從上(shàng)圖中可以看(kàn)出(chū)，12脈衝(chōng)整(zhěng)流型UPS輸入側(cè)諧(xié)波電流應(yīng)該是以(yǐ)11次和(hé)13次為(wéi)主，但實際側量發(fā)現(xiàn)明(míng)顯5次(cì)，7次諧(xié)波非(fēi)常大(dà)。通過對(duì)UPS故(gù)障排查(chá)發現由(yóu)於12脈衝整流器(qì)使(shǐ)用可(kě)控整流(liú)方(fāng)式，上下整(zhěng)流橋調相角度(dù)不一致(zhì)或上下橋直流(liú)輸出(chū)帶載不(bù)對稱等(děng)原因(yīn)造(zào)成(chéng)了(liǎo)UPS輸入(rù)端5次，7次諧波(bō)並沒有抵(dǐ)消，這些沒(méi)有抵消的5次，7次(cì)諧(xié)波經(jīng)過11次濾波器時(shí)諧波被放大(dà)，這就出現了我(wǒ)們看(kàn)到的圖4和(hé)圖(tú)5的(dí)情(qíng)況。

　　為(wéi)了濾(lǜ)除現場(cháng)諧(xié)波(bō)電(diàn)流，主動斷開所有(yǒu)UPS的11次諧(xié)波(bō)濾(lǜ)波(bō)器濾(lǜ)波支路，加(jiā)大(dà)APF濾波(bō)容量(liáng)，考(kǎo)慮使(shǐ)用APF補(bǔ)償(cháng)UPS產(chǎn)生的(dí)所有諧波頻(pín)次(cì)。UPS諧波濾波器改造(zào)完(wán)成(chéng)後，同(tóng)時(shí)運(yùn)行APF1和(hé)APF2，測(cè)量T1變(biàn)壓器和T2變壓(yā)器進綫櫃(guì)諧(xié)波電(diàn)壓電流(liú)，如圖(tú)6和圖7所示(shì)：

　　圖(tú)6 補(bǔ)償後諧波電壓(yā)電(diàn)流波形(xíng)

圖7 補(bǔ)償後(hòu)諧波(bō)電壓(yā)電(diàn)流(liú)有效值

　　以上數(shù)據滿足GB/T 14549-93《電能質量 公(gōng)用電網諧(xié)波(bō)》的相(xiāng)關限(xiàn)值。通過(guò)對現(xiàn)場係(xì)統(tǒng)和負(fù)荷(hé)特性(xìng)的(dí)了解，分(fēn)析負荷故障原因，避(bì)免了(liǎo)UPS自帶無源濾波(bō)器(qì)與(yǔ)UPS間的(dí)並聯(lián)諧振，抑製電(diàn)流諧波(bō)放大(dà)；采用(yòng)分布式(shì)補(bǔ)償方案，避(bì)免(miǎn)變(biàn)壓器(qì)間(jiān)電壓畸變引起(qǐ)的電(diàn)流(liú)畸(jī)變，從而有(yǒu)效的濾除UPS產生的(dí)諧波(bō)電(diàn)流，解(jiě)決(jué)了(liǎo)現(xiàn)場(cháng)諧(xié)波對公(gōng)用電(diàn)網(wǎng)的(dí)汙染(rǎn)問(wèn)題。

　　4結束(shù)語

　　本(běn)文分析了數據中(zhōng)心主要(yào)負(fù)荷(hé)UPS諧(xié)波(bō)產(chǎn)生的主(zhǔ)要(yào)原(yuán)因，UPS內部(bù)無源(yuán)濾波原理，諧(xié)波電壓和諧波(bō)電流(liú)間的(dí)互相關係以及在(zài)工(gōng)程項(xiàng)目中(zhōng)如(rú)何判(pàn)斷諧(xié)波引起的故(gù)障(zhàng)，並(bìng)提(tí)出解決(jué)方案，抑製(zhì)諧波(bō)電流的(dí)放(fàng)大，采(cǎi)用合(hé)理的(dí)補(bǔ)償策略，最終達到濾除諧波汙染(rǎn)的(dí)目的(dí)。得(dé)出結(jié)論：

　　1.UPS的諧波(bō)主要是由相(xiāng)控(kòng)整流功率(shuài)器(qì)件(jiàn)引起(qǐ)的；

　　2.12脈衝(chōng)整(zhěng)流型(xíng)UPS上(shàng)下橋調(tiáo)相(xiāng)角(jiǎo)或帶載(zǎi)不對(duì)稱(chēng)時，輸入端11次(cì)諧波濾(lǜ)波器會與UPS未(wèi)抵消(xiāo)的5次，7次(cì)諧波電流(liú)產生諧振，放大(dà)5次，7次(cì)諧波電流(liú)；

　　3.有源(yuán)電力(lì)濾波(bō)器APF並不(bù)適(shì)用於諧波電壓(yā)（背景諧波）引起的諧(xié)波電(diàn)流濾(lǜ)波場(cháng)合(hé)；

　　4.電(diàn)能質(zhì)量優化工程項目中(zhōng)，了(liǎo)解現場(cháng)負(fù)荷(hé)特性(xìng)，分析故(gù)障根(gēn)本原因(yīn)，是(shì)解(jiě)決(jué)工程項目(mù)諧波治(zhì)理的(dí)必要(yào)條(tiáo)件。