2.2   输入电流谐波畸变

谐波是由非线性负载产生的。负载分为线性和非线性两类。国标GB/T7260-3中对线性负载有明确的定义:3.2.6 线性负载(linear load)当施加可变正弦电压时,其负载阻抗参数(Z)恒定为常数的那种负载。3.2.7 非线性负载(non-linear load),负载阻抗参数(Z)不总为恒定常数,随着诸如电压或时间等其它参数而变化的那种负载。简而言之，二者都施加正弦电压时，线性负载的电流是正弦的，非线性负载的电流是非正弦的，如图4所示。

图4  负载波形图

在现实生活中,纯阻性负载、纯感性负载和纯容性负载是不存在的,但仍可把近似于图4(a)的负载叫线性负载,图4(b)的负载叫非线性负载。

另外,大量的谐波电流存在,还会使输入电压发生畸变。国家标准《电能质量公用电网GB/T14549-93》电能质量公用电网谐波规定电压波形正弦畸变不大于5%(THDV)。

根据IEC6100-3-4∶1998的标准要求:大于16A的电气设备,输入功率因数大于0.92,输入电流谐波(THDI)小于8%,这是绿色UPS的基本要求和定义。在中华人民共和国通信行业标准YD/T 1095-2008通信用不间断电源——UPS中,相对应的输入功率因数分别为≥0.95,≥0.90。输入电流谐波成分为<5%,<15%。只有≥0.95及<5%一类是达到节能减排的绿色要求的。

谐波产生的根本原因是非线性负载从电网吸收非正弦电流,结果使其波形产生畸变。谐波是电力系统的噪声污染,除造成系统干扰外,也对系统的节能降耗造成很大影响。

目前采用的UPS输入谐波抑制技术有:无源滤波、有源滤波、12脉冲整流、IGBT整流等。每种滤波技术各有其特点:

(1)无源滤波:是采用电感和电容组成谐振滤波器吸收某些特定的谐波电流。常用的有5、7次谐振滤波器,5、7、11、13次谐振滤波器等。其优点是简单、控制方式较易实现,成本低,技术成熟。缺点是只能抑制固定频率的谐波,其滤波特性受系统阻抗和负载率影响;易与系统发生并联谐振导致谐波放大而使LC滤波器因过载而烧毁。

(2)有源滤波:有源滤波是应用电流反馈技术使输入端电流波形跟踪交流输入电压波形,由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,从而抑制电网中的谐波电流含量。它的主要优点是:可动态跟踪负载并滤除系统中的谐波;不会给系统带来谐振;可补偿各次谐波,滤波范围大。其缺点是自身会消耗3%～5%的系统能量。

(3)12脉冲整流:是采用移相变压器组成6脉冲倍数的整流器,减少谐波电流总量。其优点是:无需滤波电容,对备用发电机的调节无影响。最新技术的12脉冲整流技术可以将谐波电流抑制到4.5%。缺点是:输入功率因数比有源滤波技术稍低,只能达到0.93左右。

(4)IGBT整流:IGBT数字化整流将整流与功率因数校正功能相结合,利用IGBT的优良特性,通过DSP控制技术,达到输入电压、电流完全同相位正弦化,从而达到消除谐波的目的。其优点是:体积小、重量轻;输入功率因数接近1;总谐波含量小于3%,整机效率高。缺点是:器件要求较高;控制技术复杂。

表4是目前UPS通过各种治理方式可达到的治理效果。

2.3   效率

UPS是常年不间断运行的设备,因此,UPS的整机效率是最直接的节能因素。效率每提高一个百分点,每年运行下来的节能效果就非常可观。

以一台400kVA UPS运行一年为例:若UPS系统效率为0.94,每年消耗的电量:400kVA×0.9(负载功率因数)×24(h)×365(天)/0.94=3504000kWh。若UPS系统效率为0.93,每年消耗的电量:400kVA×0.9(负载功率因数)×24(h)×365(天)/0.93=3541677kWh。效率每提高1%,UPS每年节电:3541677-350400=37677kWh。同时,若以3:1的能效比来考虑,空调系统会因此节电37677/3=12559kWh

UPS效率应关注的几方面因素:

(1)UPS效率是负载率的函数

图5  UPS效率与负载的关系

由图5可见,UPS的效率与负载率紧密相关。负载率在50%～75%时,可获得最高的系统效率;负载率低于40%时,UPS的效率有较大的下降。因此,根据实际负载的大小,合理选择UPS的容量是UPS系统节能的首要条件。

(2)关注系统的效率

UPS系统效率,不仅仅指UPS主机本身的效率,还应该包括其辅助设备,例如,为抑制谐波而增加的输入滤波装置,为形成独立的供电系统而增加的隔离变压器等,如图6所示。这些辅助设备均有能耗,应计入系统效率。

图6  影响系统效率的环节

市面上的各种UPS,由于拓扑结构不同或采用的技术不同,在配置上有很大的差别。如采用IGBT整流的UPS,无需增加任何滤波装置,即可满足系统对功率因数和谐波电流畸变的要求。而6脉冲整流的UPS必须增加有源或无源滤波器,才能满足系统的要求。因此,不能片面地比较这两台UPS本机的效率,而应该将滤波器对效率的影响计入后进行比较。同理,在系统需要隔离时,应该将高频机(无输出变压器)的效率减去变压器的能耗后,再与工频机(有输出变压器)的效率比较。

(3)UPS系统节能管理功能

除了UPS本身的效率外，另外一个影响UPS系统运行效率的因素是：UPS是否具有节能管理功能。

增加系统的冗余度,可提高系统可靠性;而冗余度的加大使系统的负载率下降,从而导致UPS系统效率的下降。表5是不同可靠性等级下UPS系统的运行效率。

可见,目前大型数据系统普遍采用的Tier4双总线“3+1”或“4+1”系统效率下降严重,是亟待解决的问题。

最为行之有效的解决方案是采用UPS休眠功能,类似的功能已经在通信电源中成功应用多年。具有休眠功能的UPS系统,可以根据负载的大小,自动调节系统中UPS运行的数量,在保证可靠性的前提下,让多余的UPS进入休眠状态,从而提高系统的负载率,达到提升系统运行效率的目的。

例如:一套按照Tier4标准设计,采用“4+1”500kVA UPS并联的双总线系统。

整个系统合理负载量为(60%～80%)×2000kVA,按较大负载量80%计算,系统负载量为1600kVA。则正常运行时,每个单系统的负载量为800kVA。

此时,每个单系统实际运行在“2+3”冗余模式下。

单系统负载率为:800kVA/(5×500kVA)=32%;

此时UPS效率约为90%;

系统总损耗为:1600kVA×0.9(负载功率因数)×(1-90%)=144kW。

启动休眠功能:每个单系统中两台UPS进入休眠,单系统成为“2+1”。可靠性符合设计要求。
此时,单系统负载率为:800kVA/3×500kVA=53%;此时UPS效率为93.5%;总损耗为:1600kVA×0.9(负载功率因数)×(1-93.5%)=93.6kW。同比节能31%。

3   结束语

绿色UPS意味着:节能,环境污染小,占地面积小,投资节省,运行费用低。其中UPS的输入功率因数、输入电流谐波畸变、运行效率等作为关键的“绿色”指标,更应在UPS及其系统选择时结合自身负载情况予以正确理解和慎重选择。

作者简介

裴 烜（1978年-)，男。现任国家图书馆信息网络部网络管理组副科长，工程师。主要负责机房建设、规划及日常维护工作。

（御风）