浅析某UPS电源供电的冷水机组谐波污染

张平，周东朋，那硕

（中国空间技术研究院，北京 100094）

0 引 言

某冷冻机房（以下简称机房）是有2台200kVA的UPS电源供电，由于大功率UPS属典型的非线性设备，它的运行会产生大量的谐波［1］，而谐波不做功［2］，却占用了大量的电网kVA（变压器单位）资源。加之谐波导致系统电压失真度增大［3-4］，对供电系统的安全造成很大影响。另外，机房内大功率冷水机组也是典型的谐波污染源，它的运行也会对电力系统造成一定谐波污染。为了降低该机房系统内存在的谐波污染问题，更好的为机组提供优质电源。应用Unilyzer902电能质量分析仪对该系统进行了一次详细、全面的谐波检测，检测位置在该机房上端配电室内（见图1）。

图1 供电系统简图及监测点位置

1 谐波检测

1.1 检测说明

谐波检测时机组负荷的运行情况对检测结果有决定性影响，针对该机组的谐波检测工作尽量选在有代表性的系统负荷率情况下进行，以使所测数据相对精准、客观。

由于冷水机组属于典型的季节性运行设备，笔者选择8月份机组正常运行，且UPS负荷率不低于50%时进行，由于前期设备选择问题，该企业内机房的UPS负荷率从未超过65%，因此可能所检测数据的电流畸变率指标较大，而实际上谐波电流的有效值却不一定很大。具体检测时，笔者将分析仪固定连续放置2h以上，并设定统计数据间隔时间为60s。

1.2 检测结果分析

1.2.1 检测结果总揽图

评价谐波污染程度的几个基本参数如图2所示，国家标准线用图中的虚线表述，某项参数的最大值用白色框图表示，95%概率值用黑色框图表示。

由图2检测结果可以看到：

（1） 电压畸变率的畸变程度比较严重，说明电压受到较大谐波污染，其波形已一定程度上有扭曲变形，而不是平滑的正弦波。具体表现在，C相电压畸变率已超标，A相和B相电压畸变率接近超标。

（2）从图中直观看，电压有一定程度升高，偏离正常电压的值较大，且不单单是某一相电压存在值增大的问题，仔细分析可以看到A、B、C三相供电电压都较高，不过还未超过国家标准7%的要求，但电压质量已经较坏，存在不稳定因素。

（3）由图2可以看到，频率偏差短闪变Pst、长闪变Plt、不平衡度等符合国家相关规范要求值，这里不过多赘述。下面用其他测试数据表达形式对该系统谐波状况进行多方位分析。

1.2.2 检测点的电压测量结果

该机房系统电压的检测情况如下图3、图4所示。通过以上两图发现：

图2 谐波检测结果总揽

（1）机房系统的电压谐波含量还是比较严重的，尤其是7次电压谐波，其电压谐波含有率95%概率值中，明显A相和C相的值已经超过4%（国标要求4%），其他各相各次电压谐波含有率95%概率值也已接近国标限制值4%。

（2）图4更直观看到系统三相电压谐波电压含有率的变化情况，其中A、C两相的数值接近国标规定的5%，B相电压畸变率已超过国标规定的5%。

注：图3中横坐标表示谐波次数，蓝色柱状图表示95%概率值，红色柱状图表示最大值；图4中横坐标代表测试时间，纵坐标为各相电压谐波畸变率。

1.2.3 检测点的电流测量结果

该机房系统电流的检测情况如下图5、图6所示。

分析：

（1）图5电流谐波频谱显示谐波电流比较大，尤其是奇次（5、7、11次谐波等），各奇次谐波大概值（95%概率值）分别达到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）由图6可以看到，各相电流的总畸变率畸变程度很厉害，其值严重超过了100%，这说明谐波电流值甚至大于系统工频的正常基波电流，系统受到谐波电流的污染十分严重。

2 谐波治理方案建议

由上面的综合分析结果，笔者认为该企业冷冻机房的供电系统内存在比较严重的谐波问题，具体表现在电压运行值较额定值偏大，电流中谐波值太大，尤其是5、7次谐波值，这种情况严重影响系统安全；另外，该企业系统内的相关设备运行变化频率大，且都有较高的供电要求。综合考虑滤波频谱范围、滤波效果及系统安全性等各方面因素，虽然目前行业内应用较多的滤波设备都是无源的，笔者还是建议该企业采用有源电力滤波器进行谐波专项治理，主要基于以下考虑：有源电力滤波器以时域分析为基础，对畸变波形实时跟踪补偿，从而使得电源侧的电流波形与电压波形一致。且有源电力滤波器具有高度可靠性和快速响应性，并且能补偿各次谐波，自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，可以避免系统谐振现象的发生，并最终最大限度消除各次谐波分量，使得治理后各项电能指标符合国家相关标准规定。

3 谐波治理经济性分析

通常，1台容量200kVA的UPS的采购价在50万元左右，如果按照UPS全年连续运行、负载率保持50%的条件计算，本文中的2台UPS一年的电费约达到200×50%×2×24×365×0.48＝840 960元，UPS每年的电费与其自身价格相当。可见，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，将会造成较大能源浪费。

下面仍以本文中2台UPS为例进行计算（假设1号UPS采用有源电力滤波器进行了谐波治理，2号UPS不进行谐波治理）：假定1号UPS整机效率为95%，2号UPS由于谐波污染问题其整流器的效率为90%左右。按照UPS通常的10年使用寿命计算，在10年的UPS寿命周期内，1号UPS比2号UPS节约的电费约为200×50%×0.05×24×365×10×0.48＝210 240元。2号UPS多消耗的这部分电能会以热量的形式散发出来，这样用户还要支付这部分浪费的电费供用户空调制冷，无形中又加倍了能源浪费。

4 结束语

应用瑞典Unilyzer902电能质量分析仪对机房UPS供电系统进行谐波污染情况监测，通过对监测结果的全方位分析，并在分析中考虑到系统当时运行的负荷情况，得出系统受谐波污染的程度，最后结合系统对供电安全性的要求及负荷实际运行情况等，建议该机房选择用有源电力滤波器进行针对性谐波治理以提升电能质量，并指出进行谐波治理能够带来的成本收益。

［1］雷美艳.电力网的谐波防护与治理［J］.电机技术，2005，26（2）：35-37.

［2］周彦，刘铁柱.小议配电网谐波的产生与危害治理［J］.中小企业管理与科技，2010，19（6）：232-234.

［3］张滨，城市电网谐波问题治理的探讨［J］.高科技与产业化，2010，17（10）：87-88.

［4］马玉泉，韩淑芬.整流机组谐波滤波器功率因数补偿不足的原因分析［J］.电工技术杂志，2004，23（5）：62-65.

［5］程浩忠。电力系统谐波技术［M］.上海：上海交通大学出版社，1998.