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UPS供電系統的諧波治理

諧波治理技術一直是UPS設備性能改進和供電系統配置研究的重要課題;仡櫼幌耈PS設備技術進步和配電方案不斷改進完善的過程,為了降低系統諧波含量和消除諧波對系統的影響所采取的行之有效的措施主要有以下5個方面:
  
  1.增大電力系統的供電容量和傳輸電纜、開關等設備容量;
  
  2.改變變壓器的配置和采用不同的連接方式;
  
  3.在系統中和設備內部配置無源濾波器;
  
  4.在UPS設備輸入端采用輸入功率因數校正電路一一PEC;
  
  5.在系統或設備輸入端配置有源濾波器。
  
  增大電力系統的供電設備和傳輸電纜、開關等容量
  
  本章第2節詳細地講述了諧波對系統的影響,總的來說,這些影響可概括為兩個方面一是增大了系統的無功功率,輸入功率因數降低,影響系統容量和設備的利用率;二是諧波電壓對系統中的其他設備產生干擾,影響系統的穩定性。而諧波電壓是諧波電流在系統傳輸中與線路阻抗一起形成的,如圖4-11所示。設想,如果系統中各種設備和電纜傳輸對諧波電流形成的阻抗很小,諧波電流在傳輸過程中形成的諧波電壓就很小,甚至不形成諧波電壓,那么所謂的諧波相互干擾也就不存在了。由此可得出這樣的結論,增大電力系統的供電容量和傳輸電纜、開關等設備容量,是降低系統中諧波傳導電壓干擾最直接最有效的重要措施。
  
  下面僅以UPS為例,分析一下其輸入諧波電流在其上線形成的諧波電壓。
  
  由于在輸入端采用了整流器,UPS對其上線電源來說就是一個非線性負載。由它產生的非線性電流通過輸入電網的阻抗形成諧波電壓。假定位于UPS上線的頻率為f的正弦波電壓源(市電、變壓器、發電機組等)的輸出阻抗為Zs。這個阻抗Zs(ω)是角頻率ω=2πf的函數(電感L的阻抗ωL,電容的阻抗1/ωC),也就是說,不同的諧波電流對應著不同的傳輸阻抗。定義:
  
  1.Zs1(ω)為基波的傳輸阻抗,它是基波角頻率ω的函數;
  
  2.Zsn(nω)為第n次諧波的傳輸阻抗,它是諧波角頻率nω的函數。
  
  于是,就可以用歐姆定律來計算每次諧波電流所對應的諧波電壓,但值得注意的是,
  
  在總電壓和總電流之間不存在歐姆定律的線性關系,這種關系僅對是同一頻率的諧波才能成立,而富含諧波成分的總電流是不同頻率正弦波疊加的周期性電流,所以不能簡單地應用歐姆定律。
  
  如果Ih1為基波電流的有效值,Ihn為第n次諧波電流的有效值,則:
  
  Uh1=Zs1(ω)×Ih1
  
  Uh1=Zsn(nω)×Ihn
  
  其中Uh1,為基波電壓的有效值,Uh1為第n次諧波電壓的有效值。此時電壓總諧波失真度THDU%為:

       
  因此,UPS在上線母線上造成的電壓總諧波失真度取決于不同頻率諧波的阻抗,電源的阻抗越高,對應于整流輸入的諧波電流而言,電壓的總諧波失真度就越大。
  
  如果6脈沖整流器UPS上線配置有變壓器,可以計算UPS輸入諧波電流通過變壓器對輸入電壓諧波失真度的影響。
  
  舉例:一臺500kVA變壓器,二次側相電壓為240V,在帶50Hz/500A基波相電流時的電壓降VDROP=5%,并假定變壓器的電阻性及電感性的阻值相等;以Z表示變壓器阻抗;以R表示變壓器電阻;以及表示變壓器感抗,以R表示變壓器電阻以XL表示變壓器電感量。XL=ωL=2πfL;以L表示變壓器電感量、


在本例中,由6'脈沖整流器所產生的諧波電流在變壓器上形成的諧波電壓THDU為11.19%,顯然高于國家標準規定的諧波電壓限值(5%)。
  
  注意:由于因輸入電感值L對諧波頻譜中的每次諧波都是相同的,而感抗XL=2πfL是隨著諧波次數的升高而變大的,因此,諧波次數越高,總諧波電壓失真度就越大。
  
  增大電力系統的供電容量和傳輸電纜、開關等設備容量,是降低系統中諧波電壓干擾最直接最有效的重要措施。但是,用此方法會大大提高系統配置成本,除設備購置成本外,用電量(例如變壓器等設備效率與其負載率有關人占地空間、維護維修等成本也會相應地提高。


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 · UPS供電系統的諧波治理

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