UPS的谐波的产生与治理
1谐波的定义
随着电力电子技术的发展，大功率普通晶闸管VTH、门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、电力晶体管GTR、IGBT等技术的广泛应用，大量非线性负载的增加，使得电力系统波
谐波是指供电系统中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。
谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)称为谐波次数。分解后的谐波通常称为n次谐波，此处的"即是谐波次数。一般指从2次到50次范围力口5次谐波电压(电流)的频率是250Hz，7次谐波电压(电流)的频率是350Hz，超过13次的谐波称为高次谐波。
2UPS谐波的产生
UPS主要由整流电路、逆变电路、控制电路、充电电路、电池组、旁路系统组成。
目前中大功率三迸三出UPS的整流电路通常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥6脉冲整流电路和六相全桥12脉冲整流电路等。相控整流技术的优点在于结构简单控制技术成熟，但由于交流输入功率因数较低，会产生大量的谐波电流，对电网产生较大的污染。
中大型三迸三出UPS输入整流器采用三相全桥6脉冲可控整流电路的，其输入功率因数是由换相重叠角γ和控制角α来决定的。换相重叠角γ是指三相整流电路中两相电压共同导通的时间;控制角α表示触发延时时间，即从正弦波过零开始到晶闸管触发导通之间这段晶闸管不导通的时间。相控整流电器的功率因数为
如果换相重叠角γ很小，可以忽略不计时，则相控整流器的功率因数表达式为
cosφ=cosα
说明整流器的功率因数主要与控制角的余弦有关，控制角愈小，功率因数愈大;反之则功率因数愈小。实际上，在整流电路中，除了存在整流电压与整流电流之间的相位差之外。还存在着由于高次谐波电流引起的电流波形畸变问题，可以用电流畸变系数p进行计算。电流畸变系数p如下式所示。
式中几:基波电流有效值;
I:非正弦电流总有效值;
I2:…In:二次谐波以上谐波电流有效值。
考虑到高次谐波畸变因数后，整流器的功率因数PF可以表示为
PF=μcosφ
高频开关整流电源由于是峰值整流形式，其输人电流为很窄的大电流脉冲波，谐波分量很大，即电流畸变系数川很低，故其功率因数PF也很低。这时必须用有源功率因数校正技术使其电流正弦化，可以使PF达到0.95以上。
3UPS谐波的危害(见表1)
(1)对发电设备的危害:谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率。谐波在绕组和转子阻尼线圈中产生额外THDI必须小于等于20%，否则发电机的功率必须进行折算;
(2)对输电设备的危害:损耗增加(趋肤效应)、引发谐振(线路电感、对地电容)、中线电流增大、影响线路的稳定运行(继电保护的误动或拒动);
(3)对供电设备的危害:损害电容、变压器降容(铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗)、降低可靠性、影响电力测量的准确性;
(4)对用电设备的危害:视在功率增大、干扰敏感性的电子设备;
(5)对人体的危害:人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜电位会发生快速波动;其频率如果与谐波频相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场，弓l起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康。
4ups谐波的治理
针对目前市场现状，对UPS产生谐波的处理方法有以下几种:
(1)6脉冲整流UPS+无源滤波器
大功率UPS整流器大部采用晶闸管相控整流电路，在输入侧加装无源滤波器(见图1)，来吸收谐波和提高功率因数，但是由于受到滤波器的体积和成本的限制，最高可使功率因数提高到0.9，电流谐波THD
传统6脉冲整流三进三出的UPS，主要为5次与7次谐波分量。
滤波器由输人电感(LA、LB、LC)、滤波电感(LA1、LB1、LC1)和滤波电容(C1、C2、C3)组成。滤波电感和滤波电容组成谐振滤波电路，对3、5、7电感作为输人电流波形校正，同时能够提高谐振滤波电路的效果。另外，输人电感的感抗可以减少合闸浪涌电流。
三相全控桥6脉冲整流UPS+5次谐波滤波器，由整流装置产生的谐波占所有谐波的25%—33%，加上5次谐波滤波器后减小到10%以下，输入功率因数为0.9，可局部减小谐波电流对电网的危害，如表3所示。这种配置，其输人电流谐波仍然偏大，对发电机容量配比要求为1:2以上，并存在导致发电机输出异常升高的隐患，但是该方案是采用无源器件，可靠性高，性价比高。
(2)12脉冲整流器
一种多重化整流电路，由两个三相桥整同，一个接成三角形，一个接成星形，这样两组三相交流电源间相位错开30°，从而使输出整流电压Ud在每个交流电源周期中脉动12次，故该电路为12脉冲整流电路。
12脉冲整流器等于是在6脉冲整流器的基础上再增加一个6脉冲整流器，较之6脉冲整流，不仅可以减小输人电流谐波，也减少了输出电压中的谐波含量。
12脉冲整流技术的发展又来已久，早在上世纪70年代初期，当大功率晶闸管发展成熟之际，人们就已经发现了晶闸管整流器在将交流电转换为直流电的同时，会产生大量的谐波电流注人到电网中，随之而来的就是谐波电流对电网中的其它负载产生的影响，为此，人们寻求一种解决方法，希望除掉整流器产生的谐波电流。在当时的技术水平和条件下，只有两种解决方案，其中一个就是采用两套整流器通过不同相位的叠加，以便消除5、7次谐波，这就是12脉冲整流器，如图4所示。
由此可见，采用12脉冲整流技术能够有效地降低输入谐波分量。
(3)12脉冲整流UPS十无源LC滤波器
12脉冲整流器理论上只有11次及以上的谐波电流，但整流器实际运行中谐波电流还是较大的，只能基本消除5次谐波和大部分7次谐波对电网的注人影响，11次谐波还是较大，使得UPS对上线电网的谐波污染(总电流失真度THDI)治理程度还达不到较好水平，因此12脉冲UPS+l1次谐波滤波器成为很好的选择，如果UPS整流装置为三相全控桥12脉冲整流器加11次谐波滤波器后，如技术参数设计得当，THDI可减小到3%以下，输入功率因数大于0.95以上，可基本上消除谐波电流对电网的危害，价格相对有源滤波器要便宜得多。
这种配置方法器件和控制电路比6脉冲UPS+5次谐波滤波器多一倍，可靠性相对略低一些，但仍不失为UPS行业成熟而又较可靠的解决方案。
(4)UPS+有源谐波滤波器
有源滤波器以时域分析为基础，对畸变波形实时跟踪补偿，使得电源侧的电流波形与电压波形一致。有源滤波器具有高度可控性和快速响应特性，并且能补偿各次谐波，自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，不增加电容元件可以避免系统发生谐波谐振，相对体积和重量较小。
(5)IGBT脉冲调制整流器
现在很多用户还习惯用整流器的脉冲数来评价UPS的好坏，他们会问到IGBT整流器是多少脉冲的?简单说，1GBT整流器采用脉宽调制的方式，1GBT载波频率达到830OHz，因此可以称之为8300脉冲的整流器，当然这要比12脉冲整流器好很多。如果用示波器来观察UPS输入电压和电流波形，会看到波形都是非常纯净的正弦波，对于电网没有任何的反馈污染，它是主动式的谐波治理方式IGBT功率元件作为一种成熟的电力电子器件，已经有近20年的历史了，目前全球所有的厂商，都已把它作为逆变器的元件。
5IGBT整流技术的特点
IGBT整流技术，是采用IGBT作为PWM(脉冲宽度调制)整流电路的开关器件。IGBT是一种复合型的功率器件，具有开关速度较快，通态电流较大、简化的电压型驱动等特点。采用IGBT的UPS整流电路，一般有如下两种结构:
三相单开关Boost型整流结构，如图5所示。开关管VT采用IGBT。以A相为例，当VT开通时，储能电感「储能;当VT截止时，「通过二极管向电容C充电;控制VT的开通和截止时间，可以在C上形成稳定的直流电压。
三相多开关Boost型整流结构，如图6所示。采用6个IGBT作为开关管。图中，每个桥臂上的IGBT都带有反向阻尼二极管，可以实现能量的双向流动。以A相为例，当A相下桥臂中的开关管导通时，A相储能电感储能;当其关断时，A相电感储能通过上桥臂的二极管向直流侧释放磁能，同样可在C上形成稳定的直流电压。
使用IGBT整流技术的UPS，可以对输人电流进行控制，使输人电流成为正弦波并且与输人电压同相或反相，因此可以减小输人电流的谐波成分，使输入功率因数可以达到0.95以上。
同时，由于采用PWM模式的整流，要求其控制电路相对复杂，控制的CPU处理速度要快，因相对稳定的用电环境。当输入波形畸变厉害时，由于UPS要保持输人电流即时跟随输人电压，必将加重PFC电路申的功率器件的电流应力和调整速率的负担，并因损耗过大、调整跟不上，导致功率管损坏;另外，功率器件处于较高的调制频率，易受到来自电网、发电机和负载的干扰，并因此发生失控故障。所以要求UPS具有较好的电磁兼容设计。
使用第二种IGBT整流能达到非G好的输入功率因数，有效地降低输入谐波污染。
6UPS谐波治理的效果
很多用户在采购UPS时只关注UPS价格本身，孰不知UPS的使用成本要远远高于其自身的价值。
举例而言，1台2OOkVA的UPS，其采购价约在50万元左右，但是它一年的电费却是200×24×365×0.8=1401600元，即140万元，UPS每年的电费是其自身价格近3倍。如果做个比较，一台增加有源滤波器的2OOkVAUPS整机效率如果为95%，而一台普通12脉冲整流器的效率却仅为88%左右。在UPS的l0年寿命周期内，所节约的电费为2OO×0.07×24×365×10×0.8=981120元，即98万元。耗电会以热量的形式散发出来，这样用户还要支付大量的电费供用户空调制冷，而UPS在不知不觉申为用户节约了200多万元的电费。无论从系统稳定方面考虑，还是系统运行成本上，UPS的谐波治理都是非常必要的。