淺析某UPS電源供電的冷水機組諧波污染

張平，周東朋，那碩

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引 言

某冷凍機房（以下簡稱機房）是有2臺200kVA的UPS電源供電，由于大功率UPS屬典型的非線性設備，它的運行會產(chǎn)生大量的諧波［1］，而諧波不做功［2］，卻占用了大量的電網(wǎng)kVA（變壓器單位）資源。加之諧波導致系統(tǒng)電壓失真度增大［3-4］，對供電系統(tǒng)的安全造成很大影響。另外，機房內(nèi)大功率冷水機組也是典型的諧波污染源，它的運行也會對電力系統(tǒng)造成一定諧波污染。為了降低該機房系統(tǒng)內(nèi)存在的諧波污染問題，更好的為機組提供優(yōu)質(zhì)電源。應用Unilyzer902電能質(zhì)量分析儀對該系統(tǒng)進行了一次詳細、全面的諧波檢測，檢測位置在該機房上端配電室內(nèi)（見圖1）。

圖1 供電系統(tǒng)簡圖及監(jiān)測點位置

1 諧波檢測

1.1 檢測說明

諧波檢測時機組負荷的運行情況對檢測結(jié)果有決定性影響，針對該機組的諧波檢測工作盡量選在有代表性的系統(tǒng)負荷率情況下進行，以使所測數(shù)據(jù)相對精準、客觀。

由于冷水機組屬于典型的季節(jié)性運行設備，筆者選擇8月份機組正常運行，且UPS負荷率不低于50%時進行，由于前期設備選擇問題，該企業(yè)內(nèi)機房的UPS負荷率從未超過65%，因此可能所檢測數(shù)據(jù)的電流畸變率指標較大，而實際上諧波電流的有效值卻不一定很大。具體檢測時，筆者將分析儀固定連續(xù)放置2h以上，并設定統(tǒng)計數(shù)據(jù)間隔時間為60s。

1.2 檢測結(jié)果分析

1.2.1 檢測結(jié)果總攬圖

評價諧波污染程度的幾個基本參數(shù)如圖2所示，國家標準線用圖中的虛線表述，某項參數(shù)的最大值用白色框圖表示，95%概率值用黑色框圖表示。

由圖2檢測結(jié)果可以看到：

（1） 電壓畸變率的畸變程度比較嚴重，說明電壓受到較大諧波污染，其波形已一定程度上有扭曲變形，而不是平滑的正弦波。具體表現(xiàn)在，C相電壓畸變率已超標，A相和B相電壓畸變率接近超標。

（2）從圖中直觀看，電壓有一定程度升高，偏離正常電壓的值較大，且不單單是某一相電壓存在值增大的問題，仔細分析可以看到A、B、C三相供電電壓都較高，不過還未超過國家標準7%的要求，但電壓質(zhì)量已經(jīng)較壞，存在不穩(wěn)定因素。

（3）由圖2可以看到，頻率偏差短閃變Pst、長閃變Plt、不平衡度等符合國家相關規(guī)范要求值，這里不過多贅述。下面用其他測試數(shù)據(jù)表達形式對該系統(tǒng)諧波狀況進行多方位分析。

1.2.2 檢測點的電壓測量結(jié)果

該機房系統(tǒng)電壓的檢測情況如下圖3、圖4所示。通過以上兩圖發(fā)現(xiàn)：

圖2 諧波檢測結(jié)果總攬

（1）機房系統(tǒng)的電壓諧波含量還是比較嚴重的，尤其是7次電壓諧波，其電壓諧波含有率95%概率值中，明顯A相和C相的值已經(jīng)超過4%（國標要求4%），其他各相各次電壓諧波含有率95%概率值也已接近國標限制值4%。

（2）圖4更直觀看到系統(tǒng)三相電壓諧波電壓含有率的變化情況，其中A、C兩相的數(shù)值接近國標規(guī)定的5%，B相電壓畸變率已超過國標規(guī)定的5%。

注：圖3中橫坐標表示諧波次數(shù)，藍色柱狀圖表示95%概率值，紅色柱狀圖表示最大值；圖4中橫坐標代表測試時間，縱坐標為各相電壓諧波畸變率。

1.2.3 檢測點的電流測量結(jié)果

該機房系統(tǒng)電流的檢測情況如下圖5、圖6所示。

分析：

（1）圖5電流諧波頻譜顯示諧波電流比較大，尤其是奇次（5、7、11次諧波等），各奇次諧波大概值（95%概率值）分別達到A 相：21.3A、18.0A、10.8A；B 相：20.4A、17.1A、10.9A；C相：20.5A、18.3A、10.3A。

（2）由圖6可以看到，各相電流的總畸變率畸變程度很厲害，其值嚴重超過了100%，這說明諧波電流值甚至大于系統(tǒng)工頻的正?；娏?，系統(tǒng)受到諧波電流的污染十分嚴重。

2 諧波治理方案建議

由上面的綜合分析結(jié)果，筆者認為該企業(yè)冷凍機房的供電系統(tǒng)內(nèi)存在比較嚴重的諧波問題，具體表現(xiàn)在電壓運行值較額定值偏大，電流中諧波值太大，尤其是5、7次諧波值，這種情況嚴重影響系統(tǒng)安全；另外，該企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的相關設備運行變化頻率大，且都有較高的供電要求。綜合考慮濾波頻譜范圍、濾波效果及系統(tǒng)安全性等各方面因素，雖然目前行業(yè)內(nèi)應用較多的濾波設備都是無源的，筆者還是建議該企業(yè)采用有源電力濾波器進行諧波專項治理，主要基于以下考慮：有源電力濾波器以時域分析為基礎，對畸變波形實時跟蹤補償，從而使得電源側(cè)的電流波形與電壓波形一致。且有源電力濾波器具有高度可靠性和快速響應性，并且能補償各次諧波，自動產(chǎn)生所需變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，可以避免系統(tǒng)諧振現(xiàn)象的發(fā)生，并最終最大限度消除各次諧波分量，使得治理后各項電能指標符合國家相關標準規(guī)定。

3 諧波治理經(jīng)濟性分析

通常，1臺容量200kVA的UPS的采購價在50萬元左右，如果按照UPS全年連續(xù)運行、負載率保持50%的條件計算，本文中的2臺UPS一年的電費約達到200×50%×2×24×365×0.48＝840 960元，UPS每年的電費與其自身價格相當。可見，大容量UPS的使用成本很高，如果不注意充分提升其使用效率，將會造成較大能源浪費。

下面仍以本文中2臺UPS為例進行計算（假設1號UPS采用有源電力濾波器進行了諧波治理，2號UPS不進行諧波治理）：假定1號UPS整機效率為95%，2號UPS由于諧波污染問題其整流器的效率為90%左右。按照UPS通常的10年使用壽命計算，在10年的UPS壽命周期內(nèi)，1號UPS比2號UPS節(jié)約的電費約為200×50%×0.05×24×365×10×0.48＝210 240元。2號UPS多消耗的這部分電能會以熱量的形式散發(fā)出來，這樣用戶還要支付這部分浪費的電費供用戶空調(diào)制冷，無形中又加倍了能源浪費。

4 結(jié)束語

應用瑞典Unilyzer902電能質(zhì)量分析儀對機房UPS供電系統(tǒng)進行諧波污染情況監(jiān)測，通過對監(jiān)測結(jié)果的全方位分析，并在分析中考慮到系統(tǒng)當時運行的負荷情況，得出系統(tǒng)受諧波污染的程度，最后結(jié)合系統(tǒng)對供電安全性的要求及負荷實際運行情況等，建議該機房選擇用有源電力濾波器進行針對性諧波治理以提升電能質(zhì)量，并指出進行諧波治理能夠帶來的成本收益。

［1］雷美艷.電力網(wǎng)的諧波防護與治理［J］.電機技術(shù)，2005，26（2）：35-37.

［2］周彥，劉鐵柱.小議配電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生與危害治理［J］.中小企業(yè)管理與科技，2010，19（6）：232-234.

［3］張濱，城市電網(wǎng)諧波問題治理的探討［J］.高科技與產(chǎn)業(yè)化，2010，17（10）：87-88.

［4］馬玉泉，韓淑芬.整流機組諧波濾波器功率因數(shù)補償不足的原因分析［J］.電工技術(shù)雜志，2004，23（5）：62-65.

［5］程浩忠。電力系統(tǒng)諧波技術(shù)［M］.上海：上海交通大學出版社，1998.