某大功率UPS系统谐波污染状况的检测与分析

周东朋 王 锋

（中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

北京某大型国有企业的数据中心机房配备有两台容量均为100kVA的UPS电源，由于大功率UPS的整流器工作时会从电网中吸收大量的谐波电流，于是会在以变压器为电源侧的配电系统中产生大量的谐波分量，大量的谐波分量会给供配电系统的安全运行带来很大的安全隐患。该企业数据中心机房就曾出现过保护设备误动作，主要原因考虑就是谐波污染引起。

为了彻底弄清该机房供电系统的谐波污染程度，以便进行必要的谐波治理，避免带来更大机房供电系统运行事故。我们应用瑞典联合电力公司制造的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，检测位置在机房总进线电源母线上（见图1）。

2 谐波检测

2.1 检测说明

图1 供电系统简图及监测点位置

谐波检测时系统的运行工况对检测结果起着至关重要的作用，谐波的检测工作必须在符合要求的工况下进行，只有这样才能使检测结果更加准确、更符合实际状况、更有代表性。

笔者在对该企业机房进行谐波检测时，也尽量选择了UPS负荷率较大时进行检测工作，但由于该机房内两台UPS最大负荷率均不超过50%，因此使得检测结果的电流畸变率指标较大，而实际的谐波电流有效值却不大。另外，为了更加准确、全面弄清UPS电源引起的谐波大小，连续检测时间不少于24h，数据的测量统计间隔为5min。

2.2 检测结果分析

下面从各个方面对此次检测结果进行分析，分析从各种不同的数据表达形式入手，包括柱形图、曲线图、数据统计表等。

（1）检测结果总揽图

此次检测的各项参数结果如图 2所示，图中的虚线为国家标准线，每个柱形包含该项参数的两个指标，一是最大值，用红色表示；另一项是95%概率值，用蓝色表示。由图2分析可以看到：

①由图 2“电压畸变率”柱形图可以直观看出B相电压畸变率已超标，A相和C相电压畸变率接近超标。查报表知，A相、B相和C相电压畸变率分别为4.49%、5.25%和3.28%，B相电压畸变率已严重超过国标要求的5%。

②由图 2“电压正偏差”柱形图可以直观看出A、B、C三相供电电压过高，都已超过国家标准7%的要求，查报表知A、B、C三相供电电压正偏差分别为 10.83%、10.95%和 10.74%。可见三相实际运行电压超出系统额定电压很多，电压质量很坏。

③由图 2“频率偏差”柱形图看到系统最大运行频率值超过国标要求，查报表知，系统频率超过额定频率 0.04Hz，没有超出国标要求的0.2Hz，但是存在越限一次，越限值52.49Hz。

④其他电能质量评价参数（短闪变Pst、长闪变Plt、不平衡度等）均没有超出国标要求值。

（2）检测点的电压测量结果

该机房系统电压的检测情况如图 3、图 4所示。

图4 三相电压谐波总畸变率变化曲线图

通过图3、图4看出：

①A、B、C三相电压的5、7、11次电压谐波较为严重，含量比较高，查报表知其各相电压谐波含有率 95%概率值分别为 A相：3.04%、2.84%、1.96%；B相：4.01%、3.00%、2.16%；C相：2.31%、2.02%、1.49%。可见B相5次电压谐波含有率95%概率值已超国标要求的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 A、B、C三相电压谐波电压含有率相对比较高。A、C相电压畸变率接近国标规定的5%， B相电压畸变率超过国标规定的5%。

注：图3中横坐标为谐波次数，用柱状图显示该次谐波最大值和95%概率值，蓝色表示95%概率值，红色表示最大值；图4中横坐标为测试时间，纵坐标为各相电压谐波畸变率。

（3）检测点的电流测量结果

该机房系统电流的检测情况如图 5、图 6所示。

图5 电流谐波频谱图

图6 三相电流谐波总畸变率变化曲线图

分析：

①由上图5很明显看到，谐波电流尤其是5、7、11、13、17次电流谐波很大，查报表知各相电流特性谐波含有量的95%概率值分别是A相：25.80A、19.52A、7.30A、3.05A、2.55A；B相：24.38A、17.82A、6.68A、2.55A、2.26A；C相：24.89A、18.27A、6.62A、2.43A、2.26A。

②由图6可以看到，A、B、C各相电流的总畸变率已经严重超过了 100%（A、B、C各相电流畸变率的95%概率值分别为105.15%、104.97%和103.75%），谐波电流甚至大于系统工频的正常基波电流，谐波电流污染十分严重。

（4）电压、电流波形比较

图7 电压、电流波形比较图

由图7明显可以看到电流波形（红色曲线），已经不是正弦波的样子，其畸变率非常严重，超过100%；电压波形（蓝色曲线）也不是很光滑的正弦曲线，其畸变率尤其在波峰、波谷处也有超标现象。

3 解决方案建议

由上面的检测结果分析得知，该企业数据机房中心的供电系统的谐波污染比较严重，电压偏差高，电流畸变大，且系统中除了常见的5次、7次谐波电流外，仍存在较大比例的其他次谐波电流（主要是 11、13、17次）；另外，该企业系统内负荷变化较大，数据机房中心设备对供电的安全性要求较高。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，虽然目前大部分供电系统仍采用无源滤波器的方式，我们还是建议该企业采用有源电力滤波器进行谐波专项治理，虽然这样成本较高，但是可以避免系统谐振现象的发生，并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。

4 结论

针对某大型企业数据中心机房供电系统存在的谐波污染问题，利用Unilyzer902电能质量分析仪对该系统进行一次彻底的检测，检测过程尽量捕捉到UPS电源的最大运行负荷率时间。通过对检测结果数据的多方面分析，计算出该系统受谐波污染的程度，结合系统对供电安全性的要求及负荷实际运行情况等，提出采用有源电力滤波器进行针对性谐波治理的方案。