三相大功率UPS系统谐波分析、调查及治理

总电压谐波失真率VTHD％和总电流谐波失真率ITHD％：

V1：基波电压的有效值，I1：基波电流的有效值，n：谐波次数。
·假设电压为单相正弦波、电流含有谐波时，功率因数定义：PF=P/S，P为有功率，S视在功率，电流失真功率D，

μ为电流失真因子，θ为基波电压与基波电流的相角差。
由上公式可知道：功率因数取决于电流失真因子和基波电压与基波电流相角余弦值的乘积。电流失真小，即谐波电流小（μ值大，接近1），功率因数不一定高；同样，基波电压与基波电流相角小或同相，功率因数也不一定高。只有μ和cosθ值都大时，PF才能提高，功率因数是衡量UPS性能的重要指标。
·电压、电流都含有谐波时的功率：

电压均方根

电流均方根

视在功率
S=VrmsIrms
有功功率

无功功率

失真功率：

2 大功率UPS谐波的产生
UPS的输入是三相低压系统，由于UPS的基本设计思想是整流器通过从上线电网的交流电获得功率，并以恒压方式为逆变器提供输出交流电能，对三进三出的大功率UPS来说，目前市场上国内外主流品牌UPS整流装置大都为三相全控桥6脉整流桥即格林茨桥整流桥。如图2：为典型的UPS输入整流部分，输入富含有谐波电流。假设直流电感为理想感抗，延迟触发角α为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：

电流中含6K±1（k为正整数）次谐波，即5、7、11、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。
3 大功率UPS谐波理论分析与调查
对大功率UPS来说，整流器有采用6脉冲整流也有12脉冲整流，6脉冲整流主要产生6N±1次谐波电流，12脉冲整流产生12N±1次谐波电流，两种方案谐波处理效果都不理想。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基波电流的近30％以上，对电网的危害较大，谐波有可造成配电线缆、变压器发热，降低电网载波通话质量，空气开关误动作，发电机喘振等不良后果。按矢量分解具体影响电网结果是：正序电流使损耗加重，负序电流使电机反转、发热，零序电流使中线电流异常增大。
假设触发角α为零，直流滤波为理想电抗，计算为理想状态，忽略了很多因数。
理论计算6、12脉冲整流器谐波如下表：
谐波次数 5th 7th 11th 13th 17th 19th 23th
6脉冲谐波含量 20% 14% 9% 8% 6% 5% 4%
12脉冲谐波含量 0% 0% 9% 8% 0% 0% 4%

6脉冲整流谐波THDI理论值为30％，12脉冲整流谐波理THDI论值为1.7％。
下表为国外某型号大功率UPS谐波实测数据（资料数据来源文献[1]）
谐波次数 5th 7th 11th 13th 17th 19th 23th
6脉冲谐波含量 32％ 3％ 8％ 3％ 4％ 2％ 2％
12脉冲谐波含量 1％ 1％ 9％ 4％ 1％ l％ 2％[#page#]

由以上两表算出：12脉冲整流器比6脉冲整流器谐波含量大为减少，6脉冲整流器谐波含量最大为5次谐波、12脉冲整流器强度最大为11次谐波，与理论计算结果一致。6脉冲5次谐波实测值较理论计算值偏大，12脉冲11次谐波实测值与计算值相同，但总的来说谐波抑制效果不理想，下表计算出6脉冲整流谐波THDI实际运行实测值为33.5％，12脉冲整流实际谐波THDI运行实测值为10.3％。
另一重要调查报告：西安电信分公司机房各UPS设备输入基波电流、谐波电流与总输入电流有效值之比如下表（数据来源文献[5]）：
由以上资料数据大体可以知道国内现在重要系统用户所使用的UPS的输入谐波电流都很大，输入功率因数值PF低下，污染电网，可能引起其他用电设备损坏，同时无功电流会浪费宝贵的电能资源。总谐波电流含量不满足围际标准IEC 61000-3-4和信息产业部对UPS输入谐波含量的要求，所以针对目前使用情况，UPS谐波电流必须治理。信产部对UPS输入谐波含量的要求行业标准为YD/T1095-2000，对于UPS输入的电气参数做出明确的规定如下表：可见以上所调查结果谐波电流几乎都超标严重。UPS指标不合格。
指标项日 1类产品 2类产品 3类产品
输入电压可变范围 ±25％ ±20％ ±10％，-15％
输入功率因数 ≥0.95 ≥0.90 ≥0.85
输入电流谐波成分 <5％ <15％ <25％

4 大功率UPS谐波治理方案与优化
为减小谐波电流，优化设计，目前国内外厂家大型UPS输入谐波电流抑制主要采取有以下方案：
·6脉冲整流+LC无源滤波（5次谐波抑制）：
6脉整流器交流侧电流如下，谐波含量最大为5次谐波

采用6脉冲UPS+5次谐波滤波器如图3，由整流装置产生的谐波占所有谐波的近30％以上，加5次谐波滤波器后可以减小到l0％以下，输入功率因数可大于0.9。能够大部份降低谐波电流对电网的危害。这种配置方法，输入电流谐波仍然偏大，但由于是无源器件，可靠性高，性价比也高，目前采用的厂家也较多。
·12脉冲整流器+LC无源滤波器示意图4：在一个基本6脉冲整流器(超前)的基础上利用单绕组输入/双绕组输出的变压器产生滞后30度的移相电压，再送入另一整流器输入（见上图4），使两个整流器产生的直流并联，从而在UPS的电源输入端上的总输入电流：
桥ΔΔ的网侧电流傅立叶级数展开为：

桥ΔY网侧线电压比桥I超前30°，因网侧线电流比桥I超前30°

合成电流：

12脉整流器理论上只有11次及以上谐波电流，但整流器实际运行中谐波电流还是较大的，只能基本消除了5次谐波、大部分地消除了7次谐波对电网的注入影响，11次谐波还是较大，使得UPS对上线电网的谐波污染（总电流失真度THDI）治理程度还达不到较好水平。因此12脉冲UPS+11次谐波滤波器成为很好的选择。如果UPS整流装置为三相全控桥12脉冲整流器，加11次谐波滤波器后，技术参数设计得当，THDI可减小到3％以下，输入功率因数大于0.95以上，可基本消除谐波电流对电网的危害，价格相对有源滤波器要便宜得多。这种配置方法，器件和控制电路较6脉冲+5次谐波滤波器多一倍，可靠性相对会略逊，但仍为UPS行业成熟、较可靠的解决方案。   
·有源IGBT整流器
有源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极晶体管(IGBT)的开关，如图5：三相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型，整流器只吸取与电压同相位的正弦电流，因此整流器基本消除了输入谐波电流，THDI值小于3％（UPS带100％非线性负载条件），输入功率因数PF>0.99，接近1，对UPS这是个非常理想的解决方案，有的国外先进产品还采用更高效的多电平IGBT整流器。但是由于IGBT整流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两种结构略逊，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。
·UPS+有源滤波器
对中大功率的三相UPS，可以在其网侧设置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，这种方案技术先进复杂但成本太高，有源滤波器的价格有时比同容量的UPS本身还贵，一般用户不与考虑。[#page#]
·各种不同类型方案对比如下
国外某型号大功率UPS（带LC无源滤波器）与另一种国外某型号大功率UPS(IGBT整流器)满负荷时谐波实测对比表如下：
（资料数据来源文献[1]和文献[3]）。
从表可以看出，加装滤波器对谐波抑制作用非常明显，6脉整流器5次谐波最大，可加装5次滤波器来抑制谐波；12脉整流器11次谐波最大，可加装11次滤波器来抑制谐波，从抑止谐波电流和提高功率因数的角度上IGBT整流器效果最好的。性能对比总结如下表：
 6脉整流器 6脉整流器+
5次滤波器 12脉整流器+
11次滤波器 IGBT整流器
功率因数 * ** ** ***
效率 *** *** ** **
可靠性 *** *** ** **
成本核算 *** ** * *

***好，**一般，*差
综合以上依据、图表说明和作者的设计生产经验，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，笔者认为6脉冲整流+LC无源滤波（五次）这种解决方案对我们国情来说是一个最佳的选择之一。
5 如何设计6脉冲整流+LC无源滤波器
·最优化的理论设计方法：
谐振电路如图3：L1、C1为滤波器的谐振电感、电容，ω为谐振角频率，根据电路原理，谐振电路对谐振频率的电路阻抗呈短路特性，电感、电容取值由下式决定：

对5次谐波(250Hz)，LC并联回路阻抗等于零，所有5次谐波电流流入并联回路，不影响电网侧。对于7次谐波(350Hz)，LC并联回路阻抗也较低，根据其频谱特性，对7次谐波也有很大的抑制作用，部分谐波电流被消除，而对于更高次谐波并联滤波器起分压作用，使反灌到电网的谐波电流也有所减小。并联安装一个调谐到250Hz的滤波器会产生一定的基波容性电流，容性电流的含量的大小对设计是重要的，容性电流可以大大改善输入端的功率因数，提高输入功率因数也是我们最终目的。
另外对不带LC并联无源滤波回路六脉冲电路图，如图2，为改善UPS输入特性，一定程度减轻对电网的负担，加入电感L1L2L3是必需的。功率因数是电流畸变因子μ与位移因数cosθ的乘积决定，L1、L2、L3使电流失真减小，因子μ数值变大，尽量接近于1，基波电压与电流夹角虽然也变大，cosθ减小，但根据公式两者乘积，PF总体水平还是可以提高一些的。对不加L1L2L3六脉冲整流器来讲电流失真因子μ值是很低的，虽然基波电压与电流夹角接近零，cosθ约为1，但PF总体也是很低，小于0.7，达不到改善整流器输入特性的目的。
·谐波处理仿真及整机实际设计结果运行测试：
(1)不带LC并联无源滤波回路的六脉整流器。样机是三进三出40kVA UPS，整流器结构采用图2，目前国内市场销售UPS几乎都是这种类型，仿真及实际运行图如下图组（见图6）：
(a)40kVA UPS不带LC并联无源滤波（五次谐波）回路六脉整流器（输入只带滤波电感L1=L2=L3）=0.8mH，延迟触发角α=0°的输入三相电压与电流仿真波型，仿真运行结果。
(b)40kVA UPS其中一相的输入基波电压与基波电流仿真波型以及电流的THD仿真值，从左上图中可算出：基波电压与基波电流相位差θ=16°，THDI=30%，PF=0.92，仿真运行结果。
(c)40kVA UPS的输入电压与电流实际运行波型和实际功率曲线，基波电压与基波电流相位差θ=30°，是机器实际运行（整机线性满载）测试结果，功率曲线即电压与电流实际波型曲线的乘积。
(d)40kVA UPS的输入实际电流各次谐波量及电流THD值（整机线性满载），测量出THDI=29.3%，PF=0.84，是机器实际运行测试结果，具体如下：
谐波次数
(40kVA UPS) 3th 5th 7th 9th 11th 13th 17th Total
6脉整流器 1.59％ 27.6％ 5.5％ 0.4％ 6.1％ 3.4％ 1.8％ 29.5％

(2)带LC并联无源滤波回路的六脉整流器（样机三进三出60kVA UPS，加装5次滤波器），仿真及实际运行图如下图组（见图7）：
(a)60kVA UPS带LC并联无源（五次谐波）滤波回路六脉整流器的三相输入电压与电流仿真波型（仿真运行带41kW阻性负载；输入谐振电感L1=L2=L3=1.7mH，电容C=274μF，延迟触发角α=0℃）。
(b)60kVA UPS其中一相的输入基波电压与基波电流仿真波型以及仿真电流的THD值（仿真运行带41kW阻性负载），计算出：基波电压与基波电流相位差θ=4.5°，THDI=5%，计算出PF=0.995，仿真运行。
(c)60kVA UPS其中一相（整机带约48kW阻性负载）的输入电压与电流实际运行波型和实际功率曲线，相位差θ=8℃，是机器实际运行测试结果，功率曲线即电压与电流实际波型曲线的乘积。
(d)60kVA UPS其中一相（整机带约48kW阻性负载）的实际输入电流各次谐波量及电流THD值，测量出THDI=2.55%，PF=0.98，为机器实际运行测试结果，具体如下表：
6 结语
目前国内市场使用的UPS整流/充电器大多采用晶闸管相控整流电路，输入谐波电流和功率因数指标较差，只要在UPS外部加装输入侧的无源滤波器，可使输入功率因数提高到0.9以上，电流谐波THD<l0％，可以完全满足行业标准YD/T1095-2000要求。6和12脉冲无源滤波整流器再想提高输入功率因数、降低谐波含量，其滤波器的体积和成本将变的很高，效率会减低，这时候有源IGBT整流器和UPS+有源滤波器成为优选方案。因此根据中国的国情，6脉冲整流+LC无源滤波（五次）的大功率UPS不论从可靠性或经济性讲都应该是目前国内UPS厂商所推荐的。

参考文献
[1] 温顺理．大功率UPS 6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别．艾默生网络能源有限公司UPS产品部．电源世界．2005．10．
[2] 关于UPS中的12脉冲整流器．梅兰日兰(MGE UPS SYSTEMS)公司．
[3] 张永萍．一种新颖的三相UPS．梅兰日兰(中国)公司技术部．UPS应用．2003，4．
[4] 吴显堂．实用变压器设计学．台湾全华科技图书股份有限公司出版．
[5] 王联社．西安电信分公司重要机房UPS系统谐波调查报告．西安电信分公司区域维护中心．