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(1)12脉波整流理论计算谐波值如表1所示。
(2)某型号大功率UPS谐波实测数据如表2所示。
从以上两表对比可得,6脉波整流谐波含量最大为5次谐波,12脉波整流最大为11次谐波,与论理计算结果一致。
5 有源滤波器
5.1 有源滤波器的基本原理
有源功率滤波器(简称APF),其原理是用一个逆变器产生一个与电网谐波电流iH反向的补偿电流iC,注入电网,以抵消电力电子装置产生的谐波电流干扰。其原理如图15所示。
图中非线性负载是一台电力电子装置,iL为其负载电流,以三相6脉波整流器中一相电流为例画出。iL1为其基波电流。
负载电流 iL=iL1+iH
总谐波电流瞬时值 iH=iL-iL1
如果有源滤波器注入电网的补偿电流
ic=-iH
由图15波形(b)得知,电网电流
is=iL+ic=iL1+iH-iH=iL1
即只有负载的基波电流iL1,也就是说电力电子装置所产生的谐波干扰全部为有源功率滤波器APF所抵消。
产生补偿电流ic的方法可以用图15来说明,这是一种电流型有源功率滤波器。测量电路由50Hz带通滤波器得到的基波电流iL1,从负载电流iL中减去后得iH,iH的波形如图15(b)所示,但是相位相反。
将该波形iH用PWM调制器进行调制，得到如图15(c)所示脉冲波形ic'。用该脉冲控制三相逆变器中一相上下臂的开通和关断，就可以使该相电流波形与图15(c)相同，脉冲幅度为电流型逆变器中储能元件电感上的电流。这一脉冲波形经解调滤波器解调，就可以复原为图15(b)所示的谐波电流波形ic。
5.2 谐波的快速检测理论
现代电力电子开关器件如MOSFET、IGBT的开关时间为微秒级甚至更小,由这些电力电子开关构成的变流器的响应时间为几毫秒甚至更小。现在有源电力滤波器在检测到谐波后可以在5ms以内即产生所需的谐波电流或电压,具有很快的响应速度。按照前面关于谐波的定义,采用傅里叶分析,要完整地描述、获得电力系统中的电压或电流的谐波需要一个工频周期时间。因此,如果严格按照谐波的定义检测谐波后采用有源滤波装置进行补偿,所需的响应时间至少在20～25ms以上。而由于很多非线性负载对于谐波的反应时间小于10ms,因此采用谐波定义方法计算谐波再进行快速补偿,就不能很好地消除谐波对敏感负载的影响,谐波检测时间过长。
为了快速检测电流波形中的谐波,到目前已经发展出了很多方法,如基于快速傅里叶变换(FFT)的数字分析法和基于瞬时无功功率的各种快速谐波检测方法及其衍生的方法,这些方法的核心思想基本上可以归结为以下两类:
(1)从电流中提取基波分量和谐波分量,快速FFT方法就是基于该思想的谐波检测法。
基于FFT的数字分析法原理比较简单,其原理为将检测到的一个周期的谐波信号用FFT分解,即得到各次谐波的幅值和相位,从而也得到了各次谐波的表达式。采用FFT快速算法可以很快检测到波形中的各次谐波,但这种方法的缺点是需要一个周期的采样数据,所以具有较大的延时,不能称为快速检测方法。目前通用的方法是采用移动窗口方法,即每采样得到一个新的数据,则剔除一个时间最早的数据,将新数据与其它数据一起构成新的数据窗,进行FFT分析得到各次谐波。这样每个采样点即可计算得到各次谐波。但由于新的采样点是逐步加入进来的,当系统谐波含量发生突变时,必须经过一个周期的测量,FFT分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化。FFT方法思路比较简明,原理和工作过程十分清晰,对所补偿的谐波可以进行有目的的选择,适用于各种情况。但缺点是基于FFT数字分析方法存在一周期的延时。这种方法由于需要对误差信号进行重构,运算较为复杂,故具有一定的延时,实时性较差。
(2)利用系统电压和电流的关系快速提取电流中的谐波分量,基于瞬时功率理论的检测方法都属于这一类。
基于瞬时无功功率的谐波检测法亦称为p-q法,是日本学者AkagiH.提出的，其核心思想是根据所定义的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果这一特点,来提取谐波分量。该方法对有源电力滤波器的实用化研究及滤波器响应速度的提高起了很大的推动作用，很多谐波快速检测方法都是基于该方法。基于此方法的滤波器在实际应用中的延迟时间从几个毫秒到10毫秒左右。
6 UPS谐波抑制的解决方案及应用比较
目前业界非常重视对UPS及负载谐波的抑制和治理,在这一方面做了大量的努力,其解决方案也有多种多样。
6.1 技术解决方案
(1)容量小于20kVA的单相UPS均采用输入有源功率因数校正(PFC)技术,其输入端的功率因数可达到0.99。
(2)容量小于80kVA的三相UPS采用脉宽调制(PWM)整流技术,其输入端的功率因数可达到0.98以上。目前,采用此项技术的UPS整流器的容量有进一步提升的空间。
(3)对于大功率的UPS,目前多数采用三相全桥式晶闸管整流,根据不同的用户需要,有以下几种谐波治理的技术方案可供选择:
①LC谐波滤波器;
②12脉波整流器;
③主动式有源电力滤波器(THM);
6.2 大功率晶闸管整流UPS谐波抑制解决方案的
比较
对于大功率UPS三相全桥晶闸管整流,由上述分析可知,整流装置产生的输入电流失真度在25%～33%,其输入功率因数为0.8。
目前大功率UPS输入谐波电流抑制共有四种解决方案。
(1)采用6脉波整流UPS+有源电力滤波器
采用6脉波整流UPS+有源电力滤波器,输入功率因数能够达到0.94,输入电流总谐波失真度小于4%,其输入性能指标非常好。
此方案的优点:
①技术先进;
②输入性能指标较好;
③可以现场安装;
④不仅能够抑制谐波,还能改善功率因数。
此方案的缺点:
①存在“误补偿”现象。由于有源滤波器存在响应时间,当在输入电源上游执行切除/投入操作或在UPS的输入上游侧作大负载的切除/投入操作时,易产生“误补偿”。轻者造成UPS的输入谐波电流“突变”。严重时,会导致UPS的输入开关“误跳闸”。
②可靠性偏低。由于有源滤波器中使用的是IGBT功率管作为其功率变换器的驱动管,其故障率偏高。
③运行成本较高。以200kVA的UPS来计算,其标称输入电流为303A;谐波电流估算值为0.33×303A=100A。如果要补偿到输入电流谐波失真度<5%,则至少需要补偿电流100A。按目前市场报价,每安培1500～2000元人民币计算,需要再投入15～20万元,对于6脉波200kVA UPS来说,成本增加了60%～80%。
(2)采用6脉波整流UPS+5次谐波滤波器
由于三相全桥6脉波整流UPS产生的谐波电流失真度约为25%～33%,加5次谐波滤波器后能够减小到6%,输入功率因数为0.85,可局部减小谐波电流对电网的危害。
此方案的优点:
①简单、可靠、经济;
②谐波失真度小,提高功率因数;
③可现场安装。
此方案的缺点:
①输入电流谐波失真度仍然偏大;
②对发电机容量配比要求为1:2以上,并存在导致发电机输出异常升高的隐患。
(3)采用移相变压器+6脉波整流器
采用移相变压器+6脉波整流器方案,其组成由两台6脉波整流器UPS拼装而成,当UPS满载时,输入电流失真度降至10%。
此方案的缺点:
①谐波失真度仍然较高,提高功率因数较少;
②当一台整流器发生故障时,系统就转为6脉波整流的UPS,谐波含量急剧增大;
③系统扩容极为困难;
④占地面积比较大。
(4)采用12相脉波整流器UPS+11次谐波滤波器
采用12相脉波整流器UPS+11次谐波滤波器,其输入电流谐波失真度可以减小到4.5%以下,输入功率因数为0.95。与采用方案(1)相比,成本相对减少很多,其方案(3)的缺点②、③、④仍然存在。
