技术与应用 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） 摘要利用Ｕｎｉｌｙｚｅｒ９０２电能质量分析仪，对某大功率ＵＰＳ系统的谐波污染情况进行检测，并 结合国家相关标准对检测结果进行了全方位的详细分析，从而彻底摸清了该系统的谐波污染程度， 得出系统已经严重受到谐波污染的结论，最后考虑到系统的实际情况给出一个建议性解决方案。 关键词：ＵＰＳ谐波；谐波污染；谐波检测；谐波分析 Ｔｈｅ Ｈａｒｍｏｎｉｃ ＰｏｌｌｕｔｉｏｎＴｅｓｔ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｈｉｇｈ・ｐｏｗｅｒ ＵＰＳ Ｓｙｓｔｅｍ ＺｈｏｕＤｏｎｇｐｅｎｇ ＷａｎｇＦｅｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊ ｉｎｇ １ ０００９４） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｕｓｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎａｌｙｚｅｒ Ｕｎｉｌｙｚｅｒ９０２ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ—ｐｏｗｅｒ ＵＰＳ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｆｕｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｂｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｉｆｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｔ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ，ｔｈｅｎ ｃｏｍｅ ｔｏ ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＵＰＳ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｅｖｅｒｅｌｙ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｇｉｖｅｓ ｆｌ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＰＳ ｈａｒｍｏｎｉｏｕｓ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｔｅｓｔ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ 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，主要原因考虑就是喈波污染引起。 为了彻底弄清该机房供电系统的谐波污染程 帆厚设备机房设备 度，以便进行必要的喈波治理，避免带来更大机房 图１供电系统简图及监测点位置 供电系统运行事故。我们应用瑞典联合电力公司制 关重要的作用，谐波的检测Ｊ－作必须在符合要求 造的Ｕｎｉｌｙｚｅｒ９０２电能质量分析仪对该系统进行了～ 次详细、全面的喈波检测，检测位置在机房总进线 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。 电源母线上（见图１）。 笔者在对该企业机房进行谐波检测时，也尽 ２谐波检测 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％， ２．１检测说明 因此使得检测结果的电流畸变率指标较大，而实 谐波检测时系统的运行ｌ 况对检测结果起着至 际的谐波电流有效值却不大。另外，为了更加准 ２０１ １年第４期电曼量｛技７Ｉｔ Ｊ ４７ 技术与应用 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，数据的测量统计问隔为５ｍｉｎ。 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ｌ０．７４％。可见 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： 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Ｐｉｔ、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 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 该机房系统电压的检测情况如图３、图４所 不。 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％。 ＿ ≥ 一 叠 毒ｉｌ ｌ≯ 叠 ≯ 。“ ｌｌ 一一ｌ 电压 ■￥ 女 不平膏度 信差 正信差 图２谐波检测结果总揽 １０ ２ｏ 巧 图３电压谐波频谱图 通过图３、图４看出： ①Ａ、Ｂ、ｃ三相电压的５、７、ｌ１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：２．３ｌ％、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 标值４％。 图４三相电压谐波总畸变率变化曲线图 ②Ａ、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％， ４８ Ｊ电黾技７Ｉｔ ２０１１年第４期 技术与应用 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 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 ｏ 概率值，红色表示最大值；图４中横坐标为测试 ０ １５ ∞ ２５ 图５电流谐波频谱图 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 图６三相电流谐波总畸变率变化曲线图 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。 分析： ①由上图５很明 看到，谐波电流尤其足５、 ７、１１、１３、１７次电流谐波很大，查报表知各相 电流特 喈波含有量的９５％概率值分别足Ａ市Ｈ： ２５．８０Ａ、１９．５２ Ａ、７－３０ Ａ、３．０５ Ａ、２．５５ Ａ；Ｂ相： ２４－３８ Ａ、１７．８２ Ａ、６．６８Ａ、２．５５ Ａ、２．２６ Ａ：Ｃ相： ２４．８９ Ａ、１ ８．２７ Ａ、６．６２Ａ、２．４３Ａ、２．２６ Ａ。 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ｌ０５．１５％、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 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。 作者简介 周东朋（１９８４一），男，硕上，２００９年７月毕业于北京交通人学电 气工程学院，目前就职ｊ０斗１国空间技术研究院，从事供配电技术 （４）电压、电流波形比较 图７ 电压、电流波形比较图 的研究工作。 ２０１ １年第４期电号技７Ｉｔ ｌ ４９
