諧波干擾問(wèn)題及解決方法和直流UPS 供電的推廣應(yīng)用

文｜中國(guó)人民銀行清算總中心 王力堅(jiān)

電力是現(xiàn)代工業(yè)文明的基礎(chǔ)，對(duì)于計(jì)算機(jī)應(yīng)用單位更是如此。隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用日益普及，信息處理技術(shù)不斷的發(fā)展，對(duì)供電質(zhì)量要求越來(lái)越高，因此，確保供電安全對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用單位來(lái)說(shuō)，是非?，F(xiàn)實(shí)而重要的事情。

1 電力質(zhì)量

電力的質(zhì)量是由兩個(gè)方面、兩個(gè)部分交叉構(gòu)成四個(gè)方面的相關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念構(gòu)成的。兩個(gè)方面是指供電方與用電方，兩個(gè)部分是指技術(shù)部分和非技術(shù)部分。四個(gè)方面的相關(guān)術(shù)語(yǔ)和概念為：

（1）供電質(zhì)量包含技術(shù)含義和非技術(shù)含義，反映供電方向用電方供給的電力是否合格。

①技術(shù)部分含義有電能質(zhì)量和供電可靠性兩個(gè)方面。通常以電壓、頻率和波形等指標(biāo)來(lái)衡量。主要影響為電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、電壓不平衡度、頻率偏差、電壓波形畸變率。

②非技術(shù)部分含義是指服務(wù)質(zhì)量包括供電方對(duì)用戶的技術(shù)支持、投訴的反應(yīng)速度和電力價(jià)格等。

（2）用電質(zhì)量指用電方與供電方之間相互作用和影響用電方的責(zé)任，包括技術(shù)含義和非技術(shù)含義，反映用電方的用電是否合格。

（3）技術(shù)部分含義主要為電流質(zhì)量即對(duì)用電方取用電流提出恒定流量、恒定頻率、正弦波形要求。主要影響開(kāi)機(jī)浪涌電流、電流諧波失真、功率因數(shù)等。這個(gè)定義有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，并降低網(wǎng)損。

（4）非技術(shù)部分含義如用電方是否服從供電管理、按時(shí)、如數(shù)繳納電費(fèi)等。

在供電工作中，非技術(shù)部分的因素當(dāng)然也很重要。但我們今天在這對(duì)非技術(shù)的問(wèn)題不做討論，主要討論技術(shù)問(wèn)題。

供電質(zhì)量對(duì)工業(yè)和公用事業(yè)用戶的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益和人民生活有著很大的影響。供電質(zhì)量惡化會(huì)引起用電設(shè)備的效率降低、壽命縮短、處理能力下降、電子和自動(dòng)化設(shè)備失靈等，這些方面我們已有了深入的認(rèn)識(shí)。同樣用電質(zhì)量的惡化會(huì)使供電設(shè)備損耗增加，功率因數(shù)降低等，從而同樣影響供電，在這方面我們一般認(rèn)識(shí)的不夠深刻?？傊纳乒╇娰|(zhì)量對(duì)于電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行以及降低能耗等均有重要意義。電能質(zhì)量直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。

供電質(zhì)量的主要問(wèn)題有：

（1）中斷：指市電中斷并且持續(xù)至少兩個(gè)周期到數(shù)小時(shí)的情況，主要由線路上的斷路器跳閘、市電供應(yīng)中斷、線路中斷等引起。

（2）電壓偏差：供電電壓對(duì)標(biāo)稱電壓的偏差。

（3）電壓波動(dòng)：電壓方均根值一系列的變動(dòng)或連續(xù)的改變。

（4）電壓跌落：在電氣系統(tǒng)某一點(diǎn)的電壓突然下降，經(jīng)歷半個(gè)周期到幾秒鐘的短暫持續(xù)期后恢復(fù)正常。主要由大型設(shè)備開(kāi)機(jī)、大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或大型電力變壓器接入等引起。

（5）電壓短時(shí)中斷：供電電壓消失一段時(shí)間，一般不超過(guò)1min。短時(shí)中斷可以認(rèn)為是100%幅值的電壓暫降。

（6）脈沖電壓：指峰值達(dá)6000V，持續(xù)時(shí)間從萬(wàn)分之一秒至二分之一周期 （10ms）的電壓，主要由于雷擊、電弧放電、靜態(tài)放電或大型設(shè)備的開(kāi)關(guān)操作而產(chǎn)生。

（7）頻率偏差：系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和標(biāo)準(zhǔn)值之差。原因?yàn)椋簯?yīng)急發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行，或由頻率不穩(wěn)定的電源供電所致。

（8）諧波：對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。

雜波干擾（noise） 指射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EFI）以及其他各種高頻干擾，如馬達(dá)的運(yùn)行、斷電器的動(dòng)作、馬達(dá)控制器的工作、廣播發(fā)射、微波幅射以及電氣風(fēng)暴等。

其中諧波由于近年來(lái)大量新型電力電子元件產(chǎn)生，導(dǎo)致變流裝置的廣泛應(yīng)用以及各種非線性負(fù)荷的增加，諧波干擾已成為影響供電質(zhì)量的主要問(wèn)題之一。

2 諧波干擾

諧波干擾分為電壓諧波和電流諧波失真干擾。其中電流諧波失真干擾目前已是供電諸多問(wèn)題中的一個(gè)較為突出的問(wèn)題，諧波的危害主要是使電源電壓畸變，電壓質(zhì)量下降，線損增大。使電機(jī)發(fā)熱，效率下降，COSφ減少。使電機(jī)震動(dòng)增大，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，產(chǎn)生抖動(dòng)，噪音增大。使電路三相輸入電流不平衡度加大等。

諧波還會(huì)干擾計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常工作，使電子設(shè)備工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法工作或設(shè)置參數(shù)過(guò)大影響正常工作。

UPS是機(jī)房IT設(shè)備的供電設(shè)備，也是向機(jī)房供電的變壓器、發(fā)動(dòng)機(jī)等的最大用電設(shè)備，是機(jī)房供電諧波失真的主要產(chǎn)生源。經(jīng)過(guò)分析和測(cè)試，UPS的電流諧波失真主要產(chǎn)生在UPS的整流器部分，采用傳統(tǒng)6脈或12脈整流方式的UPS，視帶載功率的高低等不同情況，會(huì)產(chǎn)生15%～35%的電流諧波。如圖1所示。

安裝濾波裝置是解決諧波干擾的一種方式，但用濾波器對(duì)已產(chǎn)生電流的諧波濾波屬后治理的方式，有很多的缺陷。在實(shí)際工程中采用有源濾波器，價(jià)格高，要額外耗能，濾波器一般不能內(nèi)置，要另占安裝空間。采用無(wú)源濾波器，濾波效果隨UPS的帶載率變化，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，發(fā)現(xiàn)在負(fù)載率較小的情況下（負(fù)載20%～30%），無(wú)源濾波器多設(shè)置為不啟動(dòng)狀態(tài)，如果此時(shí)啟動(dòng)濾波器，在降低輸入電流諧波干擾的同時(shí)，會(huì)降低輸入功率因數(shù)，使供電的問(wèn)題此消彼長(zhǎng)。

解決電流諧波干擾最好、最徹底的方式是UPS的整流器采用IGBT整流技術(shù)。完整的的講IGBT是一種晶體管的名稱，IGBT管的性能優(yōu)良，使用它后，整流方式可以用PWM脈寬調(diào)制，模擬正弦電流的波形，使輸入電流諧波失真降到3%以下，輔助以PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，可以使輸入功率因數(shù)提高到98%～99%。這就徹底解決了諧波干擾問(wèn)題，IGBT整流技術(shù)是上述技術(shù)集成的俗稱。

不是采用了IGBT作為整流元件，就一定解決諧波干擾問(wèn)題，采用IGBT作為整流元件和采用IGBT整流技術(shù)不能混談。在實(shí)際測(cè)量中，實(shí)測(cè)到一些IGBT作為整流元件的UPS，在負(fù)載率10%～15%時(shí)，諧波失真大于13%，這與采用IGBT整流技術(shù)的UPS有實(shí)質(zhì)性的差異。

3 直流供電

直流UPS 供電的優(yōu)點(diǎn)是很多的。

圖1 6脈整流方式電流諧波失真圖

（1）節(jié)能：現(xiàn)在的數(shù)據(jù)中心都配有具備蓄電裝置的不間斷電源裝置（UPS）。因此，電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過(guò)一次AC-DC轉(zhuǎn)換，變成直流電供給蓄電裝置后，還要經(jīng)過(guò)DC-AC轉(zhuǎn)換成交流電，供給服務(wù)器等設(shè)備。若提供直流電，就會(huì)產(chǎn)生明顯的節(jié)電效果。如果利用高效AC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)電網(wǎng)的供電進(jìn)行一次性轉(zhuǎn)換，然后供蓄電池和設(shè)備使用，轉(zhuǎn)換損失就會(huì)大幅減少。直流UPS 把普通的UPS的雙變換（交-直/直-交）簡(jiǎn)化為交-直一次變換，理論上可降低一半的能耗。

圖2 交流UPS的基本電路結(jié)構(gòu)圖

（2）提高可靠性：大型交流UPS一般多采用在線式，它主要是由整流器、逆變器、靜態(tài)旁通開(kāi)關(guān)裝置和蓄電池構(gòu)成的系統(tǒng)如圖2所示。在電網(wǎng)正常供電時(shí)，UPS首先將市電交流電源變?yōu)橹绷麟娫矗缓竽孀兤鲗⒅绷麟娫醋兂擅}寬調(diào)制脈沖（PWM），再經(jīng)逆變器的輸出濾波器，重新變成正弦波電源向負(fù)載提供。蓄電池在交流電正常供電時(shí)儲(chǔ)存能量，這時(shí)它維持在一個(gè)正常的充電電壓上。一旦市電供電中斷時(shí)，蓄電池立即對(duì)逆變器供電，以保證不間斷電源交流輸出電壓供電的連續(xù)性。

和交流UPS一樣，直流UPS的關(guān)鍵是輸入電壓中斷后的續(xù)能問(wèn)題，但直流UPS是將變換后的直流電壓直接送給用電負(fù)載。實(shí)現(xiàn)直流UPS最簡(jiǎn)單的方法是電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)整流濾波穩(wěn)壓后與蓄電池并聯(lián)。直流UPS在市電供電中斷時(shí)可以直接用電池供電，減少了逆變器這個(gè)中間環(huán)節(jié)，理論上可以提高一個(gè)數(shù)量級(jí)， 如圖3所示。

圖3 直流UPS的基本電路結(jié)構(gòu)圖

（3）減小UPS體積和造價(jià)：直流UPS中，逆變器和旁路裝置都可以省略不用，體積和造價(jià)當(dāng)然降低，這是一個(gè)很直觀就能得出的結(jié)論。

還有電子產(chǎn)品通常容量增加一倍，價(jià)格并不需要增加一倍，生活中這種例子很多，兩個(gè)250G的硬盤一般會(huì)比一個(gè)500G的硬盤貴；電力產(chǎn)品剛好相反，通常容量增加一倍，價(jià)格增加要多于一倍，比如一個(gè)500A的開(kāi)關(guān)的價(jià)格遠(yuǎn)高于兩個(gè)250A的開(kāi)關(guān)價(jià)格。

交流UPS中，有多大功率的交流輸出，就需要多大功率的整流器，大功率的UPS造價(jià)（包括其中的整流器）都很昂貴。

直流UPS，由于并聯(lián)不需要考慮頻率、相位等復(fù)雜問(wèn)題，并聯(lián)實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，有多大直流輸出，并不需要對(duì)應(yīng)功率的整流器，而是以多組整流器并聯(lián)而成，所以造價(jià)可以大大減低，如圖4所示。

圖4 直流UPS的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

（4）提高供電質(zhì)量

交流供電中所特有的頻率偏差、功率因數(shù)、諧波干擾等復(fù)雜問(wèn)題，在直流供電中都不存在。

頻率偏差，因?yàn)橹绷鞴╇婋妷翰粫?huì)隨時(shí)間周期變化，所以沒(méi)有頻率偏差。

功率因數(shù)，因?yàn)橹绷鞴╇婋妷号c電流之間沒(méi)有相位差。功率因數(shù)的定義是有功功率與視在功率的比值，這在直流供電電路里是不存在的。

諧波干擾，因?yàn)橹C波對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。直流電路沒(méi)周期性交流量，也就沒(méi)有諧波問(wèn)題。

當(dāng)然直流供電還是存在電壓偏差、紋波等問(wèn)題，但相對(duì)交流簡(jiǎn)單的多，供電質(zhì)量容易保證。

采用了直流UPS實(shí)際上解決了目前UPS的很多學(xué)術(shù)之爭(zhēng)，比如高頻機(jī)和工頻機(jī)誰(shuí)好誰(shuí)壞的問(wèn)題、比如塔式機(jī)和模塊化機(jī)孰優(yōu)孰劣的問(wèn)題。直流機(jī)沒(méi)頻率問(wèn)題，也就不存在高頻工頻的問(wèn)題。直流機(jī)一定是模塊化的，但現(xiàn)在模塊化機(jī)的同步問(wèn)題，環(huán)流問(wèn)題等難題直流機(jī)上基本都不存在。直流UPS實(shí)際應(yīng)用目前也取得了很大進(jìn)展，在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，機(jī)房采用大規(guī)模直流供電已取得了成功。在我國(guó)經(jīng)過(guò)科學(xué)家和工程技術(shù)人員的不斷探索，試點(diǎn)工作也取得了很大成功。

直流UPS 供電的前景是無(wú)限開(kāi)闊的，目前推廣中遇到的主要問(wèn)題有：

（1）人們的觀念問(wèn)題，絕大多數(shù)至今還認(rèn)為，直流供電需要專用的直流IT設(shè)備，實(shí)踐已經(jīng)證明，只要選擇合適的直流電壓，絕大多數(shù)現(xiàn)有的IT設(shè)備不經(jīng)任何改造就可以在直流環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范問(wèn)題，缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，直流供電就只能停留在實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)階段，無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和施工改造，應(yīng)用工作難以大面積推廣。

（3）產(chǎn)品的質(zhì)量和品牌問(wèn)題，有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，不代表有產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。但如果直流UPS產(chǎn)品上市一窩蜂，質(zhì)量沒(méi)保證，人們就很容易把產(chǎn)品的問(wèn)題混同于技術(shù)的問(wèn)題，從而削弱直流供電的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使直流供電的推廣受到阻礙。

技術(shù)的發(fā)展是螺旋式前進(jìn)的，直流供電技術(shù)目前相對(duì)交流有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但這也不是一成不變的。就像模塊化UPS，幾年前因?yàn)榭梢员３趾芨叩膸лd率，在用電效率方面對(duì)塔式UPS有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但隨著UPS休眠技術(shù)的發(fā)展，塔式UPS的負(fù)載率也可以保持到很高，模塊化UPS效率方面的優(yōu)勢(shì)已不太明顯。直流供電技術(shù)應(yīng)該抓住舉國(guó)注重節(jié)能與低碳減排這一大好的發(fā)展時(shí)機(jī)，發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，克服自己的不足，吸取一些技術(shù)上一度占有優(yōu)勢(shì)，但不能把優(yōu)勢(shì)變成勝勢(shì)的前車之鑒，加快發(fā)展自己。