中心議題：

• UPS產生的諧波原理與機製
• PS整流濾波方式與諧波抑製關係
• 抑製方法比較和總結

解決方案：

• 三角形繞組的變壓器
• 星形+三角形11次諧波濾波器

近(jin)年(nian)來(lai)
，隨(sui)著(zhe)電(dian)子(zi)信(xin)息(xi)行(xing)業(ye)的(de)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)
，相(xiang)關(guan)的(de)場(chang)地(di)環(huan)境(jing)需(xu)求(qiu)也(ye)緊(jin)隨(sui)計(ji)算(suan)機(ji)等(deng)設(she)備(bei)的(de)需(xu)求(qiu)而(er)提(ti)高(gao)，尤(you)其(qi)在(zai)電(dian)力(li)方(fang)麵(mian)
，已(yi)經(jing)由(you)過(guo)去(qu)簡(jian)單(dan)地(di)提(ti)供(gong)電(dian)源(yuan)發(fa)展(zhan)到(dao)提(ti)供(gong)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)綠(lv)色(se)電(dian)源(yuan)上(shang)，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)諸(zhu)如(ru)國(guo)家(jia)氣(qi)象(xiang)信(xin)息(xi)中(zhong)心(xin)這(zhe)樣(yang)的(de)高(gao)密(mi)度(du)計(ji)算(suan)機(ji)房(fang)中(zhong)，電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)一(yi)個(ge)不(bu)容(rong)忽(hu)視(shi)的(de)問(wen)題(ti)，電(dian)源(yuan)的(de)質(zhi)量(liang)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)計(ji)算(suan)機(ji)的(de)存(cun)儲(chu)和(he)運(yun)行(xing)。當(dang)前(qian)，電(dian)能(neng)質(zhi)量(liang)主(zhu)要(yao)存(cun)在(zai)以(yi)下(xia)一(yi)係(xi)列(lie)問(wen)題(ti):諧波畸變、斷電、過(欠)電壓、電壓暫降、瞬變
、langyongdeng，yinfazhexiewentideyuanyinyifangmianlaizijichusheshigongxiang，rudianwangzhongdeyigeguzhangyingxiangdaogaidianwangzhongdeqitayonghu，lingyifangmian，laiziyongdianshebeizishen。dangqian，youyushebeipubiancaiyongkaiguandianyuanqijian，daozhifuzaidianliuboxingyanzhongjibian，chengxianfeizhengxianboxing，jiazhigongdianxianlucunzaiyidingdezukang，dianliuboxingshidianyaboxingfashengjibian，gaidianyaboxinghuiyanzhongwuranshangyijidianwang。jianyuyishangzhexieqingkuang，diannengzhiliangwentiyichengweidianyuangongzuozhemianlindeyigenanti。

UPS產生的諧波

1諧波概念及危害

在理想的電力係統下，電壓和電流波形都是光滑的正弦波，而實際上，當用電設備為非線性負載時
，例如:開關型電源、電子鎮流器
、變速傳動裝置
、UPS等
，電流波形就會呈現非正弦波。具有基波電源頻率整數倍頻率的電壓或電流稱為諧波。通過對波形進行傅立葉級數展開可知:任何周期性的波形都可以分解成一個基波頻率的正弦波和多個諧波頻率的正弦波
，對於對稱波形，所有偶次諧波為零。

由諧波引起的危害可分為諧波電流引起的危害和諧波電壓引起的危害。諧波電流引起的危害包括3N次諧波電流在中線的疊加致使配電電纜必須降容使用、變壓器的損耗增大
、諧波使斷路器誤跳閘等;諧波電壓引起的危害主要包括電壓畸變影響電子設備的正常運行和過零噪擾等。

2UPS產生諧波機理

與電力電子裝置有關的原始波形幾乎都是非正弦的，波形都含有諧波分量，UPS是其中的一個代表

，UPSdezhengliufangshishichanshengxiebodeyigezhongyaoyuanyin，zailixiangqingkuangxia

，renweijiaoliudianyuanshisanxiangduichenggongpinzhengxianbodianya，hulvegongdiandianyuanzishendexiebo

，tongshiyebukaolvmaichongqiaoshizhengliudianluhuanxiangzhongdiejiaodeyingxiang
，hulvezhiliuhuiludianliuwenbodeyingxiangbingjiadingdianludechufamaichongduicheng、導通角α相(xiang)等(deng)，在(zai)上(shang)述(shu)理(li)想(xiang)條(tiao)件(jian)下(xia)
，當(dang)裝(zhuang)置(zhi)處(chu)於(yu)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)時(shi)

，通(tong)過(guo)開(kai)關(guan)函(han)數(shu)法(fa)將(jiang)被(bei)分(fen)析(xi)波(bo)形(xing)表(biao)示(shi)成(cheng)一(yi)係(xi)列(lie)已(yi)知(zhi)波(bo)形(xing)與(yu)開(kai)關(guan)函(han)數(shu)的(de)乘(cheng)積(ji)和(he)的(de)形(xing)式(shi)，將(jiang)其(qi)中(zhong)的(de)已(yi)知(zhi)波(bo)形(xing)與(yu)開(kai)關(guan)函(han)數(shu)都(dou)展(zhan)開(kai)成(cheng)級(ji)數(shu)的(de)形(xing)式(shi)
，再(zai)對(dui)乘(cheng)積(ji)和(he)進(jin)行(xing)整(zheng)理(li)化(hua)簡(jian)
，最(zui)後(hou)將(jiang)被(bei)分(fen)析(xi)的(de)波(bo)形(xing)表(biao)示(shi)成(cheng)級(ji)數(shu)的(de)形(xing)式(shi)
，以(yi)便(bian)於(yu)討(tao)論(lun)其(qi)中(zhong)諧(xie)波(bo)的(de)級(ji)次(ci)與(yu)含(han)量(liang)。

3UPS整流產生諧波的特點

UPS整流產生諧波可分為整流直流電壓諧波和電源側的電流諧波，對於多脈衝整流電路，可以得到如下結論:

對於直流側電壓:
(1)電路的總脈衝數越多
，在直流端電壓波形中諧波抵消得越多，直流側電壓波形越好;
(2)在係統直流側電壓中出現的諧波頻率為電壓脈衝數的整數倍，諧波級次n=pm。例如6脈衝電路，電壓諧波頻率為6m倍輸入頻率;
(3)諧波次數越低
，諧波幅值越大。

對於交流側電流:
(1)對於理想的p脈衝整流器，在交流側隻有下列次數的諧波電流：n=Pm±1次
，式中m=1
，2，3，…。各個諧波電流分量的幅值為基波電流的l/n。例如，對於6脈衝整流裝置，線電流中隻有5、7、11
、13、17、19…等奇次諧波，其中5
、7次諧波幅值分別為基波電流的1/5和1/7;對於12脈衝裝置，線電流中隻有11、13、23、25…等奇次諧波，其幅值也顯著減小;
(2)增加整流器的脈衝數p

，對減小交
、直流兩側的諧波分量有決定性影響。所以，構成脈衝數盡可能大的係統是整流裝置減少交
、直流兩側諧波電流和諧波電壓的根本措施。

本文主要就UPS整流產生的電源側電流諧波進行分析研究。

UPS整流濾波方式與諧波抑製關係

1
、信息中心大功率UPS分類

國家氣象信息中心共有12台大功率UPS，幾乎涵蓋了目前市場上各種形式的大功率UPS
，根據整流、濾波方式的不同，可將其分成以下幾種類型，如：

整流器件整流方式隔離變壓器輸入濾波方式UPS典型
晶閘管(SVR)6脈衝無無120kVAA品牌UPS120kVAB品牌UPS250kVAA品牌UPS
有源濾波+無源濾波300kVAA品牌UPS
12脈衝30°移相變壓器11次諧波濾波器300kVAC品牌UPS
原邊：三角形副邊：星形+三角形11次諧波濾波器13次諧波濾波器625kVAD品牌UPS
IGBTPWM無無120kVAE品牌UPS


2、對6脈衝無輸入隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析

以250kVAA品牌UPS為代表的6脈衝晶閘管整流UPS
，無輸入隔離變壓器和輸入濾波器，通過FLUKEF434電能質量分析儀檢測得到該UPS的諧波頻譜分析圖及電流波形，如圖2所示。由圖可見，輸入電流波形嚴重畸變，A相輸入電流總諧波畸變達到45.3%，其中5次諧波占很大成分，A相約為41.5%，7次諧波次之，A相約為13.9%，與前所述的UPS6脈衝整流產生諧波的特點相符，輸入功率因數PF(0.79)與基波功率(位移)功率因數COSφ(0.86)的比值較大，即電流畸變因數ζ(0.92)偏離1較大
，說明輸入電流的畸變較嚴重。另外，在電流波形呈現非正弦的情況下，畸變功率D即由諧波電流產生的無功功率也是不容忽視的。

3、對12脈衝含有移相隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析

對於三角形繞組的變壓器，3N次諧波全部同相
，因此
，3N次諧波電流在繞組裏循環，不會向電網擴散，輸入隔離變壓器對電流諧波有一定的抑製作用。信息中心兩台30OkVAC品牌UPS在原有6脈衝整流的基礎上
，輸入端增加移相變壓器後再增加一組6脈衝整流器
，使直流母線電流由12個晶閘管整流完成，這大大減小了UPS的輸入諧波電流。另外
，C品牌UPS安裝了吸收11次諧波輸入濾波器
，即將LC串聯諧振電路的諧振點調整到55OHz，使整流電路產生的11次諧波大部分流入LC串聯諧振回路
，從而將流入電網的諧波電路抑製在允許值之內。

為了提高電能質量測試數據可參考度的準確性，將中心所有並聯冗餘的UPS全部切換到單台UPS供電，這樣，提高了單台UPS的負載率，使全部參與比較的幾種整流
、濾波方式的UPS負載率均在45%~65%之內
，使比較的數據受負載率影響較小，更加具有參考性和信服度。通過電能質量分析可以得到:30OkVAC牌UPS輸入總諧波畸變較小，最高的一相僅為5.2%，諧波主要以7次為主，且諧波含量較小
，輸入功率因數不高(僅為0.89)
，基波功率因數COSφ(0.89)與總輸入功率因數相等，說明電流畸變很小。

4
、對12脈衝含有輸入隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析

D晶牌UPS采用12脈衝晶閘管全橋整流電路
，兩個整流器與輸入端均隔離，原邊為三角形連接、副邊整流器A采用三角形連接，整流器B采用星形連接
，該UPS裝有智能化的輸入濾波器
，可根據負載量決定是否投入使用部分濾波電容，對於采用12脈衝整流方式的UPS來說，輸入電流的諧波主要以11次

、13次為主
，故該UPS濾波器設計即針對11次和13次諧波進行吸收，由電能質量分析圖可知:對於11次、13次諧波的濾波效果非常好，11次、13次諧波含量僅為0.3%和0.4%，而總電流諧波畸變也在5.2%以內，電流呈現出較好的正弦波形且輸入功率因數高達0.94。D品牌UPS采用的智能化輸入濾波器能有效地淨化來自市電電網的脈衝
、浪湧電壓、尖峰電壓
、高頻電磁幹擾等可能對UPS造成的危害，同時也可以減小由整流器所形成的電流諧波對市電電網的諧波汙染
，並且提高了輸入功率因數。

5、對脈寬調製整流無輸入隔離變壓器和輸入濾波器UPS的諧波分析

脈衝整流器是一種以脈寬調製(PWM)方式工作的整流器
，與相控整流器相比具有功率因數高、諧波含量低
、交流側電流接近於正弦，以及整流器動態響應快的優點，國家氣象信息中心12OkVAE品牌UPS即為采用IGBT的PWM整流工作方式的UPS

，從電能質量分析圖中(見圖5)可以得出:在負載率為62.2%的情況下，其輸入電流總諧波畸變在10.9%以內
，以5次諧渡和7次諧波為主，電流波形較接近正弦波，但並不光滑，功率因數很高(0.94)
，符合PWM整流的特點。但是，經過分析比較可知:PWM整流產生的總諧波畸變大於12脈衝相控整流
，與傳統的觀點認為PWM整流"諧波含量最低"的特點略有差別。

6
、對6脈衝含有有源+無源輸入濾波器UPS的諧波分析

300kVAA品牌UPS采用6脈衝整流，無輸入隔離變壓器
，配置了有源濾波器和無源濾波器的混、合濾波器(THM)作為抑製諧波的措施，有源濾波器的基本原理是:通過檢測補償對象的電流i1
，經補償電流檢算電路計算出補償電流的指令信號ic*，該信號作為補償電流參考值經補償電流發生電路得到補償電流實際值ic
，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功電流抵消(ic=ih)
，最終得到期望的電源電流(is=if)。300kVAA品牌UPS采用了混合濾波器(THM)，當諧渡含量較大時，有源濾波自動投入
，當諧波含量較小時
，采用LC無源濾波。

分析比較可知:在混合濾波器後端測量的效果等同於直接測量6脈衝SCR整流器產生的諧波，觀察其波形發現它與250kVAA品牌UPS輸入波形極其類似。另外
，其總輸入諧波電流畸變很大，最高的一相達到47.6%，尤以5次諧波為主(43.6%)，7次諧波次之(17.2%)且輸入功率因數很低
，僅為0.77。對比混合濾波器前端的檢測數據可知:輸入電流波形呈現光滑完好的正弦波，輸入總諧波畸變在4.4%以內，3次諧波含量相比略大(3.6%)，其餘各次諧波含量都很小。有源濾波器對諧波的抑製過程可以理解為:由(you)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)產(chan)生(sheng)以(yi)下(xia)這(zhe)種(zhong)波(bo)形(xing)的(de)電(dian)流(liu)，即(ji)整(zheng)流(liu)器(qi)所(suo)需(xu)波(bo)形(xing)的(de)電(dian)流(liu)減(jian)去(qu)電(dian)網(wang)波(bo)形(xing)電(dian)流(liu)
，總(zong)而(er)言(yan)之(zhi)，由(you)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)提(ti)供(gong)諧(xie)波(bo)電(dian)流(liu)，而(er)非(fei)電(dian)網(wang)提(ti)供(gong)。但(dan)是(shi)，由(you)於(yu)有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)器(qi)自(zi)身(shen)無(wu)法(fa)產(chan)生(sheng)任(ren)何(he)電(dian)能(neng)
，必(bi)須(xu)以(yi)消(xiao)耗(hao)電(dian)網(wang)電(dian)能(neng)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)進(jin)行(xing)諧(xie)波(bo)補(bu)償(chang)

，所(suo)以(yi)，有(you)源(yuan)濾(lv)波(bo)與(yu)UPS配合使用時具有效率不高的缺點。

比較和總結

整流
、濾波方式輸入總諧波畸變輸入功率因數優點缺點

6脈衝SCR整流很大較低諧波畸變嚴重

12脈衝SCR整流+30°移相變壓器+11次諧波濾波器較小高諧波抑製效果較好移相變壓器諧波抑製效果不如輸入隔離變壓器

12脈衝SCR整流+輸入隔離變壓器+11次諧波濾波器+13次諧波濾波器很小最高(1)輸入總諧波畸變很低(2)功率因數較高(3)可靠性高
、技術成熟(4)相對成本低體積較大
IGBTPWM整流小較低(1)對諧波有一定的抑製效果(2)功率因數較高(僅限負載率較高的情況)目前無法生產高功率IGBT整流器
6脈衝SCR整流+混合濾波器最小較低諧波抑製效果很好，輸入總諧波畸變很低(1)存在誤補償問題(2)可靠性不高(3)係統效率低(4)成本高

對於類似國家氣象信息中心這樣以大型計算機機房為主要負載的場地環境來說
，選用12脈衝晶閘管(SCR)整流方式，配合以11
、13次諧波濾波器或者IGBTPWM整流方式以及6脈衝SCR整流配以混合濾波器的三種形式均可對諧波具有較好的抑製效果但若負載效率較低，則可排除IGBTPWM整流方式
，因其在負載率較低的情況下，功率因數也較低。信息中心的計算機房負載量很大且必須考慮能耗問題
，故綜合諸多因素，12脈衝晶閘管(SCR)整流方式
，配合11、13次諧波濾波器的形式在目前較有合適，在諧波的抑製
、功率因數的提高方麵均有一定的優勢。