某大功率UPS系統諧波污染狀況的檢測與分析

周東朋 王 鋒

（中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

北京某大型國有企業的數據中心機房配備有兩臺容量均為100kVA的UPS電源，由于大功率UPS的整流器工作時會從電網中吸收大量的諧波電流，于是會在以變壓器為電源側的配電系統中產生大量的諧波分量，大量的諧波分量會給供配電系統的安全運行帶來很大的安全隱患。該企業數據中心機房就曾出現過保護設備誤動作，主要原因考慮就是諧波污染引起。

為了徹底弄清該機房供電系統的諧波污染程度，以便進行必要的諧波治理，避免帶來更大機房供電系統運行事故。我們應用瑞典聯合電力公司制造的Unilyzer902電能質量分析儀對該系統進行了一次詳細、全面的諧波檢測，檢測位置在機房總進線電源母線上（見圖1）。

2 諧波檢測

2.1 檢測說明

圖1 供電系統簡圖及監測點位置

諧波檢測時系統的運行工況對檢測結果起著至關重要的作用，諧波的檢測工作必須在符合要求的工況下進行，只有這樣才能使檢測結果更加準確、更符合實際狀況、更有代表性。

筆者在對該企業機房進行諧波檢測時，也盡量選擇了UPS負荷率較大時進行檢測工作，但由于該機房內兩臺UPS最大負荷率均不超過50%，因此使得檢測結果的電流畸變率指標較大，而實際的諧波電流有效值卻不大。另外，為了更加準確、全面弄清UPS電源引起的諧波大小，連續檢測時間不少于24h，數據的測量統計間隔為5min。

2.2 檢測結果分析

下面從各個方面對此次檢測結果進行分析，分析從各種不同的數據表達形式入手，包括柱形圖、曲線圖、數據統計表等。

（1）檢測結果總攬圖

此次檢測的各項參數結果如圖 2所示，圖中的虛線為國家標準線，每個柱形包含該項參數的兩個指標，一是最大值，用紅色表示；另一項是95%概率值，用藍色表示。由圖2分析可以看到：

①由圖 2“電壓畸變率”柱形圖可以直觀看出B相電壓畸變率已超標，A相和C相電壓畸變率接近超標。查報表知，A相、B相和C相電壓畸變率分別為4.49%、5.25%和3.28%，B相電壓畸變率已嚴重超過國標要求的5%。

②由圖 2“電壓正偏差”柱形圖可以直觀看出A、B、C三相供電電壓過高，都已超過國家標準7%的要求，查報表知A、B、C三相供電電壓正偏差分別為 10.83%、10.95%和 10.74%。可見三相實際運行電壓超出系統額定電壓很多，電壓質量很壞。

③由圖 2“頻率偏差”柱形圖看到系統最大運行頻率值超過國標要求，查報表知，系統頻率超過額定頻率 0.04Hz，沒有超出國標要求的0.2Hz，但是存在越限一次，越限值52.49Hz。

④其他電能質量評價參數（短閃變Pst、長閃變Plt、不平衡度等）均沒有超出國標要求值。

（2）檢測點的電壓測量結果

該機房系統電壓的檢測情況如圖 3、圖 4所示。

圖4 三相電壓諧波總畸變率變化曲線圖

通過圖3、圖4看出：

①A、B、C三相電壓的5、7、11次電壓諧波較為嚴重，含量比較高，查報表知其各相電壓諧波含有率 95%概率值分別為 A相：3.04%、2.84%、1.96%；B相：4.01%、3.00%、2.16%；C相：2.31%、2.02%、1.49%。可見B相5次電壓諧波含有率95%概率值已超國標要求的4%，其他各相各次電壓諧波含有率 95%概率值也已接近國標限制值4%。

② A、B、C三相電壓諧波電壓含有率相對比較高。A、C相電壓畸變率接近國標規定的5%， B相電壓畸變率超過國標規定的5%。

注：圖3中橫坐標為諧波次數，用柱狀圖顯示該次諧波最大值和95%概率值，藍色表示95%概率值，紅色表示最大值；圖4中橫坐標為測試時間，縱坐標為各相電壓諧波畸變率。

（3）檢測點的電流測量結果

該機房系統電流的檢測情況如圖 5、圖 6所示。

圖5 電流諧波頻譜圖

圖6 三相電流諧波總畸變率變化曲線圖

分析：

①由上圖5很明顯看到，諧波電流尤其是5、7、11、13、17次電流諧波很大，查報表知各相電流特性諧波含有量的95%概率值分別是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由圖6可以看到，A、B、C各相電流的總畸變率已經嚴重超過了 100%（A、B、C各相電流畸變率的95%概率值分別為105.15%、104.97%和103.75%），諧波電流甚至大于系統工頻的正常基波電流，諧波電流污染十分嚴重。

（4）電壓、電流波形比較

圖7 電壓、電流波形比較圖

由圖7明顯可以看到電流波形（紅色曲線），已經不是正弦波的樣子，其畸變率非常嚴重，超過100%；電壓波形（藍色曲線）也不是很光滑的正弦曲線，其畸變率尤其在波峰、波谷處也有超標現象。

3 解決方案建議

由上面的檢測結果分析得知，該企業數據機房中心的供電系統的諧波污染比較嚴重，電壓偏差高，電流畸變大，且系統中除了常見的5次、7次諧波電流外，仍存在較大比例的其他次諧波電流（主要是 11、13、17次）；另外，該企業系統內負荷變化較大，數據機房中心設備對供電的安全性要求較高。綜合考慮濾波頻譜范圍、濾波效果及系統安全性等各方面因素，雖然目前大部分供電系統仍采用無源濾波器的方式，我們還是建議該企業采用有源電力濾波器進行諧波專項治理，雖然這樣成本較高，但是可以避免系統諧振現象的發生，并最大限度消除各次諧波分量，使得治理后各項電能指標符合國家相關標準規定。

4 結論

針對某大型企業數據中心機房供電系統存在的諧波污染問題，利用Unilyzer902電能質量分析儀對該系統進行一次徹底的檢測，檢測過程盡量捕捉到UPS電源的最大運行負荷率時間。通過對檢測結果數據的多方面分析，計算出該系統受諧波污染的程度，結合系統對供電安全性的要求及負荷實際運行情況等，提出采用有源電力濾波器進行針對性諧波治理的方案。