脉冲整流及12脉冲整流＋LC滤波器型UPS的谐波治理方案.doc

12脉冲整流及12脉冲整流LC滤波器型UPS的谐波治理方案不I间I断I电I源IUPs12脉冲整流及12脉冲整流-t-LC滤波器型UPS的谐波治理方案HarmonicGovernancePrOgramOf12PulseRectifierand12PulseRectifierwithLCFilterUPS李成章艾默生网络能源公司(北京100036)LiChengzhangEmersonNetworkPowerCo.,Ltd.(100036)中图分类号TN86文献标识码A文章编号:15610349(2008)02004404112脉冲整流型UPS的输入谐波特性1.112脉冲整流器UPS的工作原理及主要输入谐波参数如所周知:6脉冲可控硅整流型UPS典型输入电流谐波参数(满载)为:输入功率因数PF=0.8,总的输入电流谐波分量THDI=3234r,其最大输入电流谐波分量出现在5次谐波分量上.为降低6脉冲可控硅整流型UPS的THDI所采取的一种技术措施是:采用如图1(a)所示的12脉冲可控硅整流型UPS设计方案.三相交流输入电源首先经由隔离变压器(原边为形的单绕组,副边为形和Y形的双绕组)将从输入电源所获得的一路三相交流电源变换成两路相位相差3O.的三相交流电源.从在这样的隔离变压器的两个副边绕组所输出的两路交流电源具有如下的相位关系:从Y形绕组所输出的这一路三相交流电源的相位比从形绕组所输出的那一路三相交流电源的相位滞后3O.我们正是利用这样的”两路三相交流电源+两个6脉冲可控硅整流器”,就可构成一台典型的12脉冲可控硅整流器(它所输出的单极性脉动电压波形具有如下特征:在50Hz电源的一个周波内出现12个”脉动波头”).从前述的12脉冲全波整流器的工作原理的讨论中可知:采用这种设计方案的整流滤波器后,就可以从UPS的输入电流滤波分量中,消除44ITheWorldofPowerSupyFeb2008掉5次,7次,19次,21次,等高次谐波电流分量,l1次谐波电流是它的最大电流谐波分量.在此条件下,可使它的总输入电流谐波分量的THDI值(满载),从原来的6脉冲可控硅整流型UPS的32r左右下降到9r左右.在这里需要特别说明的是:在实际应用中,很少采用如图1(a)所示的12脉冲整流器UPS的电路结构形式.目前常用的12脉冲整流器UPS的设计方案示于图1(b).采用这种电路形式的原因是:由”三相输入电源+6脉冲整流器”所构成的整流器A就是目前市场上各UPS厂家所销售的大中型UPS的标准整流器.在此基础上,用户只需要再增购一台由采用/Y绕组设计方案的移相变压器+6脉冲整流器所组成的B整流器选件,就可以很方便地组成一台12脉冲整流器型的UPS.采用这种12脉冲整流器设计方案的优点是:?有利于减少UPS的非标准生产部件,有利于降低制备成本;?对于一台额定输出功率相同的UPS来说,由于它由两套6脉冲整流器来向UPS中后接的逆变器和蓄电池组提供直流能源.它的整流器的实际输出功率比常规的6脉冲整流器UPS中的整流器的实际输出功率增大6O7O左右,有利于提高UPS的可靠性;?同图1(a)所示的12脉冲整流器相比,减少了一组/绕组设计的隔离变压器,有利于降低12脉冲整流器输入功耗,提高它的AC-DC的变换效率.一台典型的12脉冲整流器UPS的典型输入谐波参数和它的输入电流谐波分量的THDI值的频谱分布值等参数分别列于表1和表2中.l不I间I断I电I源lUPS表1120kV?A12脉冲整流器UPS的典型输入谐波参数负载百分比cosPFTHDI/%rTHDV_/%rCF电压CF电流KF100%0.860.859.1%r1.1r1.41.52.6表2120kV?A12脉冲整流器UPS的输入电流谐波分量TIIDI的频谱分布值总的3次谐波5次谐波7次谐波9次谐波l1次谐波13次谐波15次谐波17次谐波19次谐波23次谐波29次谐波THDI值THDITHDITHDITHDITHDITHDITHDITHDITHDITHDITHDI9.1%r2.5%一139.2127.1%149.8.3%一92.1.4%45.1%160.0.6%11O.6脉冲整流输入A6脉冲整流输入B(a)UPS的12脉冲整流滤波器的配置之一6脉冲整流输入B6脉冲整流输入A(b)UPS的12脉冲整流滤波器的配置之二输入电源(c)UPS的12脉冲整流滤波器的配置之三图112脉冲整流器型的UPS典型配置2在这里需指出的是:如果我们对12脉冲整流器UPS同5次谐波滤波器+6脉冲整流器UPS的输入电流谐波特性进行比较,就会发现:尽管它们具有几乎相同的总输入电流谐波分量(THDI一9r左右).然而,12脉冲整流器UPS的输入功率因数PF=0.86(满载),低于5次谐波滤波器+6脉冲整流器UPS的输入功率因数PF=0.93O.95(满载).导致出现上述现象的原因是:由于12脉冲整流器中存在3O.移相变压器,从而使它的相移性功率因数s仅为0.86左右.与此形成鲜明对比的是:5次谐波滤波器+6脉冲整流器UPS的相移性功率因数嘧却可高达0.95O.96左右.从表2可见,同6脉冲可控硅整流器UPS相比,在选用12脉冲可控硅整流器UPS设计方案后,它的确可以大大地改善这种UPS的输入谐波特性.其主要改进点(满载时)表现为:(1)UPS的输入功率因数PF值从原来的0.8左右上升到0.85左右.(2)UPS的总输入电流谐波分量的THDI值从原来的32%34r左右下降到9%r左右.(3)由于在实际的12脉冲式的相控整流器中所使用的整流部件是可控硅(SCR),并非是由二极管所组成的全波整流器.所以,在实测的THDI数据中,仍包含有相当数量的5次,7次和19次谐波分量.此外,在这里我们再次看到:由于在当今的公用电网中跨接有数量极其庞大的单相整流滤波型非线性负载(PC机,电视机,各种家用电器等),从而导致在它的电流谐波分量中出现3次电流谐波分量THDI一2.5的现象(注:这种零序电流谐波分量是单相整流滤波型非线性负载向输入电源所反馈的特征谐波频谱).这种现象再次说明:位于同一输入电网中的其他单相整流滤波型非线性负载对UPS的输入电流谐波特性所可能带来的危害和影响,仍然达到了不可轻视的程度.1.212脉冲整流器UPS的输入谐波特性与其负载百分比的关系相关的测试数据表明,对于12脉冲整流器UPS而言,它的输入电流谐波分量的THDI值也是同UPS的负载百分比密切相关的.对于一台额定输出功率为80kV?A的12脉冲整流UPS而言,当它的负载百分比分别为100,50和25时,它电源世界2008/02I45l不l间I断I电源们的输入电流谐波分量的频谱分布同它的负载百分比之间的变化趋势图示于图2.从该图可见,当UPS的负载百分比从100一5O%一25%逐渐地下降时,这台UPS的总输入电流谐波分量的THDI值将会沿着7.9r一9.7r一1O.7r的变化趋势逐渐上升.对于这样的变化趋势,用户同样无需担心下述问题:是否会发生因UPS的总输入电流谐波分量的THDI值的增大而导致在输入电网上出现严重的”输入谐波污染”问题.这是因为当12脉冲整流型UPS的负载百分比从100一5O一25逐渐下降时,它们的输入相电流却是按照127.4A一70.2A一37.8A的变化趋势而下降的.在此条件下,可能从UPS反馈到三相输入电源的总的输入谐波”相电流”的绝对值是按照10A一6.8一4A的变化趋势而略有下降的.(a)负载百分比loo%(b)负载百分比5ooA(c)负载百分比25%图280kV?AHipulse12脉冲UPS的输入电流谐波分量上述事实清楚地显示:采用12脉冲整流型UPS设计方案后,的确可以大大降低UPS对输入电源的谐波污染程度.这是因为,当80kV?AUPS的负载百分值分别处于100,50和25%的状态下运行时,12脉冲整流器UPS所可能反馈到三相输入电源的输入谐波”相电流”仅分别为10A,6.8A和4A左右.相比之下,这样的值远小于6脉冲整流器UPS在上述工作状态下,所可能反馈到三相输入电源的输入谐波”相电流”值.这是因为后者的谐波电流分别是:46A,37A和27A的缘故.在此,我们同样可以得出这样的结论:对于一台UPS而言,如果它在满载时所产生的输入谐波电流的绝对值对输入电网所可能带来的负面影响能为用户所接受的话,它在轻载时的输入谐波特性同样也不会有问题.此外,还需引起我们注意的一点是,对于12脉冲整流器UPS而言,当它的负载百分比从100%一5O逐渐下降时,虽然它的最大输入谐波电流仍然出现在l1次电流谐波分量上.然而,当它的负载百分比下降到25时,它的13次电流谐波分量的增长速率却是明显地超过它的l1次电流谐波分量的增长速率,从而导致它的l3次电流谐波分量变成各次电流谐波分量中的最大电流谐波分量.最后需说明的是,同采用5次谐波滤波器+6脉冲整流的UPS相比,采用12脉冲整流的UPS后,它在降低UPS的输入电46ITheWoddofPowerSupplyFeb2008流的效果上表现得不够理想.当UPS的负载百分比分别为100,50oA和25时,对于80kV?A的12脉冲整流的UPS而言,它的输入电流的”相对下降率”仅分别为一4,一8和一15.8%.与此形成对比的是,对于80kV?A的5次谐波滤波器+6脉冲整流的UPS来说,它的输入电流的”相对下降率”却分别是一17%,一31和一33.其原因是,位于12脉冲整流的UPS中的移相变压器存在一定的功耗.1.3采用12脉冲整流器设计方案.有利降低整流滤波用电解电容爆炸的故障概率.并有利于延长蓄电池组的使用寿命近年来,通过对在”N+1”UPS冗余并机系统中所发生的,因”输出停电”故障而导致关键性的信息网络机房/数据中心机房出现长达几十分钟或几小时的严重瘫痪事故的相关统计资料的分析发现:导致UPS并机系统出现长时间的“输出停电”或”输出闪断”(“闪断”是指持续期为大于1020毫秒,但小于1秒的短暂停电故障)故障的重要原因之一是,位于”N+1”UPS冗余并机系统中的某台UPS的整流滤波器中,用于滤除交流纹波分量的电解电容因故发生”爆炸”故障所致.通过对电解电容的非正常失效故障的分析发现:”过压”或流过电解电容的交流性的纹波电流过大是导致它过早的老化/产生非正常失效的重要原因.电解电容的老化的主要表现形式是,它所允许的工作电流的急剧下降(例如:对于350V/10000F的电容而言,它的标称工作电流应该为30A左右),而不是表现在它的电容量值的大幅度地下降.相关的检测表明,在多数情况下,发生老化现象的电解电容的电容量的下降量仅在2O%左右.仅在极少数的情况下才会见到,因电解电容发生开路故障而被彻底损坏的事件.因此,能否防止因流过电解电容的交流性纹波电流超过它所允许的功耗范围及能否防止因UPS的整流滤波器所输出的直流电源中所包含的交流纹波电压的幅值过大等事件的出现,就成为能否确保”N+1,UPS并机系统能否得以长期安全可靠地运行的重要条件.通过对6脉冲全波整流器和12脉冲全波整流器的单极性的脉动电压的分析发现,从6脉冲全波整流器所输出的单向脉冲电压波中,它所包含的直流分量的幅值一1.5En,它所包含的交流脉动分量的幅值一1.732正1一1.5正1一O.232正1.从12脉冲全波整流器所输出的单极性的脉冲电压波中,它所包含的直流分量的幅值一1.7Er一,它所包含的交流脉动分量的幅值一1.732一1.7O.032.众所周知,为了能在整流滤波器的输出端上获得具有平滑特性的纯洁的直流电源,需要配置由具有大电容量的电解电容所组成的并联滤波电容组.显然,在此条件下,将会有数值相当可观的交流性的纹波电流流过这些滤波电容.从上面的讨论可知,按照目前UPS的惯用生产工艺,位于6脉冲可控硅整流器和12脉冲可控硅整流器中的用于执行交流滤波作用的电解电容的配置是相同的.由于可能出现在12脉冲可控硅整流器输出端的交流纹波电压的幅度仅为可能出现在6脉冲可控硅整流器输出端的交流纹波电压的幅度的2O左右.显然,在此条件下,流过12脉冲可控硅整流器中的滤波电容的交流纹波电流的幅值肯定会大大地低于流过6脉冲可控硅整流器中的滤波电容的交流纹波电流的幅值.由此所带来的明显好处是,可以大大地降低在UPS单机/”+1”UPS并机系统中发生”滤波电容爆炸”的概率.鉴于目前对安装在各种数据中心机房(IDC/EDC/SDC机房)中的UPS供电系统的使用寿命/生命周期的期望值均在1OI不f间f断f电f源IUPs年以上,随着UPS系统的工作年限的增长,由于电容的老化过程的逐步发展,总会导致它的电容量呈现出不同程度地下降.由此所带来的第2个负面效应是,在UPS的整流滤波器的直流输出电源中,所包含的交流纹波电压的幅度逐渐增长,从而导致对电池组的”瞬态过压充电”的故障隐患的负面影响也随之而逐渐增大,于是电池的使用寿命被缩短.从上述可知,由于可能出现在12脉冲整流器的直流输出电源中所包含的交流纹波电压仅为6脉冲整流器的直流输出电源中所包含的交流纹波电压的2O左右.这就意味着,在12脉冲整流器UPS中,所可能出现的,对电池执行”瞬态过压充电”的几率远小于6脉冲整流器UPS.(未完待续)收稿日期:2o07一l11O定稿日期:2o08一O123(上接第39页)参考文献E1IEC60364:Low-voltageelectricalinstallations.E2IECandEN62040:Uninterruptiblepowersystems(UPS).Part1-1:GeneralandsafetyrequirementsforUPSusedinoperatoraccessareas.Part1-2:Generalandsafetyrequire-mentsforUPSUSedinrestrictedaccess1ocations.Part3:Methodofspecifyingtheperformanceandtestrequirements.3ConnectingUPSGroundsandNeutrals.Oct01,2002,Electrica1Construction&Maintenance,ByPatrickRussell,P.E,EYPMissionCritica1Facilities,Inc.r4UPSStandsonFirmGround.Nov.011999Electrica1Construction&Maintenance,ByDawnVanDee,P.E.5Groundin