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(1)12脈波整流理論計(jì)算諧波值如表1所示。
(2)某型號(hào)大功率UPS諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。
從以上兩表對(duì)比可得,6脈波整流諧波含量最大為5次諧波,12脈波整流最大為11次諧波,與論理計(jì)算結(jié)果一致。
5 有源濾波器
5.1 有源濾波器的基本原理
有源功率濾波器(簡(jiǎn)稱APF),其原理是用一個(gè)逆變器產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)諧波電流iH反向的補(bǔ)償電流iC,注入電網(wǎng),以抵消電力電子裝置產(chǎn)生的諧波電流干擾。其原理如圖15所示。
圖中非線性負(fù)載是一臺(tái)電力電子裝置,iL為其負(fù)載電流,以三相6脈波整流器中一相電流為例畫出。iL1為其基波電流。
負(fù)載電流 iL=iL1+iH
總諧波電流瞬時(shí)值 iH=iL-iL1
如果有源濾波器注入電網(wǎng)的補(bǔ)償電流
ic=-iH
由圖15波形(b)得知,電網(wǎng)電流
is=iL+ic=iL1+iH-iH=iL1
即只有負(fù)載的基波電流iL1,也就是說電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波干擾全部為有源功率濾波器APF所抵消。
產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic的方法可以用圖15來說明,這是一種電流型有源功率濾波器。測(cè)量電路由50Hz帶通濾波器得到的基波電流iL1,從負(fù)載電流iL中減去后得iH,iH的波形如圖15(b)所示,但是相位相反。
將該波形iH用PWM調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，得到如圖15(c)所示脈沖波形ic'。用該脈沖控制三相逆變器中一相上下臂的開通和關(guān)斷，就可以使該相電流波形與圖15(c)相同，脈沖幅度為電流型逆變器中儲(chǔ)能元件電感上的電流。這一脈沖波形經(jīng)解調(diào)濾波器解調(diào)，就可以復(fù)原為圖15(b)所示的諧波電流波形ic。
5.2 諧波的快速檢測(cè)理論
現(xiàn)代電力電子開關(guān)器件如MOSFET、IGBT的開關(guān)時(shí)間為微秒級(jí)甚至更小,由這些電力電子開關(guān)構(gòu)成的變流器的響應(yīng)時(shí)間為幾毫秒甚至更小。現(xiàn)在有源電力濾波器在檢測(cè)到諧波后可以在5ms以內(nèi)即產(chǎn)生所需的諧波電流或電壓,具有很快的響應(yīng)速度。按照前面關(guān)于諧波的定義,采用傅里葉分析,要完整地描述、獲得電力系統(tǒng)中的電壓或電流的諧波需要一個(gè)工頻周期時(shí)間。因此,如果嚴(yán)格按照諧波的定義檢測(cè)諧波后采用有源濾波裝置進(jìn)行補(bǔ)償,所需的響應(yīng)時(shí)間至少在20～25ms以上。而由于很多非線性負(fù)載對(duì)于諧波的反應(yīng)時(shí)間小于10ms,因此采用諧波定義方法計(jì)算諧波再進(jìn)行快速補(bǔ)償,就不能很好地消除諧波對(duì)敏感負(fù)載的影響,諧波檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)。
為了快速檢測(cè)電流波形中的諧波,到目前已經(jīng)發(fā)展出了很多方法,如基于快速傅里葉變換(FFT)的數(shù)字分析法和基于瞬時(shí)無功功率的各種快速諧波檢測(cè)方法及其衍生的方法,這些方法的核心思想基本上可以歸結(jié)為以下兩類:
(1)從電流中提取基波分量和諧波分量,快速FFT方法就是基于該思想的諧波檢測(cè)法。
基于FFT的數(shù)字分析法原理比較簡(jiǎn)單,其原理為將檢測(cè)到的一個(gè)周期的諧波信號(hào)用FFT分解,即得到各次諧波的幅值和相位,從而也得到了各次諧波的表達(dá)式。采用FFT快速算法可以很快檢測(cè)到波形中的各次諧波,但這種方法的缺點(diǎn)是需要一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù),所以具有較大的延時(shí),不能稱為快速檢測(cè)方法。目前通用的方法是采用移動(dòng)窗口方法,即每采樣得到一個(gè)新的數(shù)據(jù),則剔除一個(gè)時(shí)間最早的數(shù)據(jù),將新數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)一起構(gòu)成新的數(shù)據(jù)窗,進(jìn)行FFT分析得到各次諧波。這樣每個(gè)采樣點(diǎn)即可計(jì)算得到各次諧波。但由于新的采樣點(diǎn)是逐步加入進(jìn)來的,當(dāng)系統(tǒng)諧波含量發(fā)生突變時(shí),必須經(jīng)過一個(gè)周期的測(cè)量,FFT分析得到的基波及諧波才能完全跟上系統(tǒng)諧波的變化。FFT方法思路比較簡(jiǎn)明,原理和工作過程十分清晰,對(duì)所補(bǔ)償?shù)闹C波可以進(jìn)行有目的的選擇,適用于各種情況。但缺點(diǎn)是基于FFT數(shù)字分析方法存在一周期的延時(shí)。這種方法由于需要對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行重構(gòu),運(yùn)算較為復(fù)雜,故具有一定的延時(shí),實(shí)時(shí)性較差。
(2)利用系統(tǒng)電壓和電流的關(guān)系快速提取電流中的諧波分量,基于瞬時(shí)功率理論的檢測(cè)方法都屬于這一類。
基于瞬時(shí)無功功率的諧波檢測(cè)法亦稱為p-q法,是日本學(xué)者AkagiH.提出的，其核心思想是根據(jù)所定義的瞬時(shí)功率的波動(dòng)部分為諧波電流和系統(tǒng)電壓作用的結(jié)果這一特點(diǎn),來提取諧波分量。該方法對(duì)有源電力濾波器的實(shí)用化研究及濾波器響應(yīng)速度的提高起了很大的推動(dòng)作用，很多諧波快速檢測(cè)方法都是基于該方法�；诖朔椒ǖ臑V波器在實(shí)際應(yīng)用中的延遲時(shí)間從幾個(gè)毫秒到10毫秒左右。
6 UPS諧波抑制的解決方案及應(yīng)用比較
目前業(yè)界非常重視對(duì)UPS及負(fù)載諧波的抑制和治理,在這一方面做了大量的努力,其解決方案也有多種多樣。
6.1 技術(shù)解決方案
(1)容量小于20kVA的單相UPS均采用輸入有源功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù),其輸入端的功率因數(shù)可達(dá)到0.99。
(2)容量小于80kVA的三相UPS采用脈寬調(diào)制(PWM)整流技術(shù),其輸入端的功率因數(shù)可達(dá)到0.98以上。目前,采用此項(xiàng)技術(shù)的UPS整流器的容量有進(jìn)一步提升的空間。
(3)對(duì)于大功率的UPS,目前多數(shù)采用三相全橋式晶閘管整流,根據(jù)不同的用戶需要,有以下幾種諧波治理的技術(shù)方案可供選擇:
�、貺C諧波濾波器;
�、�12脈波整流器;
③主動(dòng)式有源電力濾波器(THM);
6.2 大功率晶閘管整流UPS諧波抑制解決方案的
比較
對(duì)于大功率UPS三相全橋晶閘管整流,由上述分析可知,整流裝置產(chǎn)生的輸入電流失真度在25%～33%,其輸入功率因數(shù)為0.8。
目前大功率UPS輸入諧波電流抑制共有四種解決方案。
(1)采用6脈波整流UPS+有源電力濾波器
采用6脈波整流UPS+有源電力濾波器,輸入功率因數(shù)能夠達(dá)到0.94,輸入電流總諧波失真度小于4%,其輸入性能指標(biāo)非常好。
此方案的優(yōu)點(diǎn):
①技術(shù)先進(jìn);
�、谳斎胄阅苤笜�(biāo)較好;
�、劭梢袁F(xiàn)場(chǎng)安裝;
�、懿粌H能夠抑制諧波,還能改善功率因數(shù)。
此方案的缺點(diǎn):
�、俅嬖�“誤補(bǔ)償”現(xiàn)象。由于有源濾波器存在響應(yīng)時(shí)間,當(dāng)在輸入電源上游執(zhí)行切除/投入操作或在UPS的輸入上游側(cè)作大負(fù)載的切除/投入操作時(shí),易產(chǎn)生“誤補(bǔ)償”。輕者造成UPS的輸入諧波電流“突變”。嚴(yán)重時(shí),會(huì)導(dǎo)致UPS的輸入開關(guān)“誤跳閘”。
②可靠性偏低。由于有源濾波器中使用的是IGBT功率管作為其功率變換器的驅(qū)動(dòng)管,其故障率偏高。
③運(yùn)行成本較高。以200kVA的UPS來計(jì)算,其標(biāo)稱輸入電流為303A;諧波電流估算值為0.33×303A=100A。如果要補(bǔ)償?shù)捷斎腚娏髦C波失真度<5%,則至少需要補(bǔ)償電流100A。按目前市場(chǎng)報(bào)價(jià),每安培1500～2000元人民幣計(jì)算,需要再投入15～20萬元,對(duì)于6脈波200kVA UPS來說,成本增加了60%～80%。
(2)采用6脈波整流UPS+5次諧波濾波器
由于三相全橋6脈波整流UPS產(chǎn)生的諧波電流失真度約為25%～33%,加5次諧波濾波器后能夠減小到6%,輸入功率因數(shù)為0.85,可局部減小諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害。
此方案的優(yōu)點(diǎn):
�、俸�(jiǎn)單、可靠、經(jīng)濟(jì);
�、谥C波失真度小,提高功率因數(shù);
③可現(xiàn)場(chǎng)安裝。
此方案的缺點(diǎn):
�、佥斎腚娏髦C波失真度仍然偏大;
②對(duì)發(fā)電機(jī)容量配比要求為1:2以上,并存在導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出異常升高的隱患。
(3)采用移相變壓器+6脈波整流器
采用移相變壓器+6脈波整流器方案,其組成由兩臺(tái)6脈波整流器UPS拼裝而成,當(dāng)UPS滿載時(shí),輸入電流失真度降至10%。
此方案的缺點(diǎn):
�、僦C波失真度仍然較高,提高功率因數(shù)較少;
②當(dāng)一臺(tái)整流器發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)就轉(zhuǎn)為6脈波整流的UPS,諧波含量急劇增大;
�、巯到y(tǒng)擴(kuò)容極為困難;
④占地面積比較大。
(4)采用12相脈波整流器UPS+11次諧波濾波器
采用12相脈波整流器UPS+11次諧波濾波器,其輸入電流諧波失真度可以減小到4.5%以下,輸入功率因數(shù)為0.95。與采用方案(1)相比,成本相對(duì)減少很多,其方案(3)的缺點(diǎn)②、③、④仍然存在。
