供电系统中的主要谐波源

非线性电子设备在供电系统中的主要谐波源

随着现代化工业技术的发展，电力系统中非线性负载不断大量增加。各类非线性和交变性电子装置如变频器、UPS、整流器及各种开关电源等大规模应用，所产生的负面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电力系统中注入了大量的谐波分量，导致了交流电力系统中电压和电流波形的严重失真，从而代替了传统变压器、发电机等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为最主要的谐波来源。特别是这些设备投入运行的同时性和连续性特点，所以成为低压配电系统的主要的污染源。

图4-1是4种典型的产生电流谐波的设备和输入电流波形。由于这些设备的电源输入端大都采用了非线性器件和非线性电路，所以在输入电压为正弦波的情况下，输入电流都发生了严重的失真。

表4-1给出了计算机设备、办公设备、照明、通信设备、供电设备(UPS)等7类设备电流谐波成分的典型数据和波形。

电力品质的下降严重地影响了输配电设备的安全运转，谐波抑制已是电力品质的核心问题之一，也是现代电力生产发展的迫切要求。

所有周期性复杂波形都可以被认为是基波与一系列谐波成分的叠加。谐波是基波频率(市电频率)的所有倍频。值得注意的是，这里讨论的是存在于系统中的周期性谐波，因为暂态现象和谐波是不同的。在进行傅里叶级数变换时，要求被变换的波形必须是不变的周期性波形。暂态现象在实际供电系统中总是不断发生的，也会对系统和用户带来不利的影响，当然，在采用现代谐波抑制技术时，对暂态现象的不利影响也是起作用的。

在UPS供电系统中，谐波源主要有两部分：

●由UPS及其他供电设备产生的输入谐波电流；

●由传统单相开关模式电源供电的负载产生的输入谐波电流。

图4-2是UPS系统中4种典型的功率电子设备类型及输入电流波形。其中：

●图4-2(a)是单相输入整流设备的输入电流波形，包括绝大部分IT设备和小功率(大多小于l0kVA)供电设备。小功率供电设备主要用于小型IT系统，这些设备产生的电流谐波的影响面相对小或者还没有引起使用者的足够重视，而绝大部分单相输入的IT设备(小型计算机、服务器、存储设备等)，既用在小型IT系统，诸如办公系统、自动控制系统、通信和交通基站、金融收费系统等，又用在大型网络数据中心，所以单相电源输入的IT设备是所有IT系统最主要的谐波干扰源。

图4-2(b)和图4-2(c)是当前三相输入大功率UPS的主要AC/DC变换形式，由于是大功率集中可控整流，其产生的谐波电流幅值和对系统干扰程度都要严重得多。

图4-2(d)则是针对输入整流电路结构产生谐波干扰而推出的重大电路技术的改进，通常称为功率因数校正──PFC(Powerfactorcontroll)，它可把设备的输入功率因数提高到0.99，把谐波电流总量降到5%。此技术不仅可用在IT设备，在电源设备(UPS)中也是行之有效且被普遍采用的、重要的电路技术措施，是否有PFC功能己经成为先进UPS设备最重要的技术标志之一。