谐波干扰问题及解决方法和直流UPS 供电的推广应用

文｜中国人民银行清算总中心 王力坚

电力是现代工业文明的基础，对于计算机应用单位更是如此。随着计算机的应用日益普及，信息处理技术不断的发展，对供电质量要求越来越高，因此，确保供电安全对计算机应用单位来说，是非常现实而重要的事情。

1 电力质量

电力的质量是由两个方面、两个部分交叉构成四个方面的相关术语和概念构成的。两个方面是指供电方与用电方，两个部分是指技术部分和非技术部分。四个方面的相关术语和概念为：

（1）供电质量包含技术含义和非技术含义，反映供电方向用电方供给的电力是否合格。

①技术部分含义有电能质量和供电可靠性两个方面。通常以电压、频率和波形等指标来衡量。主要影响为电压偏差、电压波动和闪变、电压不平衡度、频率偏差、电压波形畸变率。

②非技术部分含义是指服务质量包括供电方对用户的技术支持、投诉的反应速度和电力价格等。

（2）用电质量指用电方与供电方之间相互作用和影响用电方的责任，包括技术含义和非技术含义，反映用电方的用电是否合格。

（3）技术部分含义主要为电流质量即对用电方取用电流提出恒定流量、恒定频率、正弦波形要求。主要影响开机浪涌电流、电流谐波失真、功率因数等。这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低网损。

（4）非技术部分含义如用电方是否服从供电管理、按时、如数缴纳电费等。

在供电工作中，非技术部分的因素当然也很重要。但我们今天在这对非技术的问题不做讨论，主要讨论技术问题。

供电质量对工业和公用事业用户的安全生产、经济效益和人民生活有着很大的影响。供电质量恶化会引起用电设备的效率降低、寿命缩短、处理能力下降、电子和自动化设备失灵等，这些方面我们已有了深入的认识。同样用电质量的恶化会使供电设备损耗增加，功率因数降低等，从而同样影响供电，在这方面我们一般认识的不够深刻。总之，改善供电质量对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。

供电质量的主要问题有：

（1）中断：指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况，主要由线路上的断路器跳闸、市电供应中断、线路中断等引起。

（2）电压偏差：供电电压对标称电压的偏差。

（3）电压波动：电压方均根值一系列的变动或连续的改变。

（4）电压跌落：在电气系统某一点的电压突然下降，经历半个周期到几秒钟的短暂持续期后恢复正常。主要由大型设备开机、大型电动机启动或大型电力变压器接入等引起。

（5）电压短时中断：供电电压消失一段时间，一般不超过1min。短时中断可以认为是100%幅值的电压暂降。

（6）脉冲电压：指峰值达6000V，持续时间从万分之一秒至二分之一周期 （10ms）的电压，主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型设备的开关操作而产生。

（7）频率偏差：系统频率的实际值和标准值之差。原因为：应急发电机不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。

（8）谐波：对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。

杂波干扰（noise） 指射频干扰（RFI）和电磁干扰（EFI）以及其他各种高频干扰，如马达的运行、断电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波幅射以及电气风暴等。

其中谐波由于近年来大量新型电力电子元件产生，导致变流装置的广泛应用以及各种非线性负荷的增加，谐波干扰已成为影响供电质量的主要问题之一。

2 谐波干扰

谐波干扰分为电压谐波和电流谐波失真干扰。其中电流谐波失真干扰目前已是供电诸多问题中的一个较为突出的问题，谐波的危害主要是使电源电压畸变，电压质量下降，线损增大。使电机发热，效率下降，COSφ减少。使电机震动增大，转速不稳，产生抖动，噪音增大。使电路三相输入电流不平衡度加大等。

谐波还会干扰计算机系统正常工作，使电子设备工作不稳定，严重时甚至无法工作或设置参数过大影响正常工作。

UPS是机房IT设备的供电设备，也是向机房供电的变压器、发动机等的最大用电设备，是机房供电谐波失真的主要产生源。经过分析和测试，UPS的电流谐波失真主要产生在UPS的整流器部分，采用传统6脉或12脉整流方式的UPS，视带载功率的高低等不同情况，会产生15%～35%的电流谐波。如图1所示。

安装滤波装置是解决谐波干扰的一种方式，但用滤波器对已产生电流的谐波滤波属后治理的方式，有很多的缺陷。在实际工程中采用有源滤波器，价格高，要额外耗能，滤波器一般不能内置，要另占安装空间。采用无源滤波器，滤波效果随UPS的带载率变化，在现场测量中，发现在负载率较小的情况下（负载20%～30%），无源滤波器多设置为不启动状态，如果此时启动滤波器，在降低输入电流谐波干扰的同时，会降低输入功率因数，使供电的问题此消彼长。

解决电流谐波干扰最好、最彻底的方式是UPS的整流器采用IGBT整流技术。完整的的讲IGBT是一种晶体管的名称，IGBT管的性能优良，使用它后，整流方式可以用PWM脉宽调制，模拟正弦电流的波形，使输入电流谐波失真降到3%以下，辅助以PFC功率因数校正技术，可以使输入功率因数提高到98%～99%。这就彻底解决了谐波干扰问题，IGBT整流技术是上述技术集成的俗称。

不是采用了IGBT作为整流元件，就一定解决谐波干扰问题，采用IGBT作为整流元件和采用IGBT整流技术不能混谈。在实际测量中，实测到一些IGBT作为整流元件的UPS，在负载率10%～15%时，谐波失真大于13%，这与采用IGBT整流技术的UPS有实质性的差异。

3 直流供电

直流UPS 供电的优点是很多的。

图1 6脉整流方式电流谐波失真图

（1）节能：现在的数据中心都配有具备蓄电装置的不间断电源装置（UPS）。因此，电网提供的交流电经过一次AC-DC转换，变成直流电供给蓄电装置后，还要经过DC-AC转换成交流电，供给服务器等设备。若提供直流电，就会产生明显的节电效果。如果利用高效AC-DC转换器对电网的供电进行一次性转换，然后供蓄电池和设备使用，转换损失就会大幅减少。直流UPS 把普通的UPS的双变换（交-直/直-交）简化为交-直一次变换，理论上可降低一半的能耗。

图2 交流UPS的基本电路结构图

（2）提高可靠性：大型交流UPS一般多采用在线式，它主要是由整流器、逆变器、静态旁通开关装置和蓄电池构成的系统如图2所示。在电网正常供电时，UPS首先将市电交流电源变为直流电源，然后逆变器将直流电源变成脉宽调制脉冲（PWM），再经逆变器的输出滤波器，重新变成正弦波电源向负载提供。蓄电池在交流电正常供电时储存能量，这时它维持在一个正常的充电电压上。一旦市电供电中断时，蓄电池立即对逆变器供电，以保证不间断电源交流输出电压供电的连续性。

和交流UPS一样，直流UPS的关键是输入电压中断后的续能问题，但直流UPS是将变换后的直流电压直接送给用电负载。实现直流UPS最简单的方法是电网电压经过整流滤波稳压后与蓄电池并联。直流UPS在市电供电中断时可以直接用电池供电，减少了逆变器这个中间环节，理论上可以提高一个数量级， 如图3所示。

图3 直流UPS的基本电路结构图

（3）减小UPS体积和造价：直流UPS中，逆变器和旁路装置都可以省略不用，体积和造价当然降低，这是一个很直观就能得出的结论。

还有电子产品通常容量增加一倍，价格并不需要增加一倍，生活中这种例子很多，两个250G的硬盘一般会比一个500G的硬盘贵；电力产品刚好相反，通常容量增加一倍，价格增加要多于一倍，比如一个500A的开关的价格远高于两个250A的开关价格。

交流UPS中，有多大功率的交流输出，就需要多大功率的整流器，大功率的UPS造价（包括其中的整流器）都很昂贵。

直流UPS，由于并联不需要考虑频率、相位等复杂问题，并联实现非常简单，有多大直流输出，并不需要对应功率的整流器，而是以多组整流器并联而成，所以造价可以大大减低，如图4所示。

图4 直流UPS的内部电路结构图

（4）提高供电质量

交流供电中所特有的频率偏差、功率因数、谐波干扰等复杂问题，在直流供电中都不存在。

频率偏差，因为直流供电电压不会随时间周期变化，所以没有频率偏差。

功率因数，因为直流供电电压与电流之间没有相位差。功率因数的定义是有功功率与视在功率的比值，这在直流供电电路里是不存在的。

谐波干扰，因为谐波对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。直流电路没周期性交流量，也就没有谐波问题。

当然直流供电还是存在电压偏差、纹波等问题，但相对交流简单的多，供电质量容易保证。

采用了直流UPS实际上解决了目前UPS的很多学术之争，比如高频机和工频机谁好谁坏的问题、比如塔式机和模块化机孰优孰劣的问题。直流机没频率问题，也就不存在高频工频的问题。直流机一定是模块化的，但现在模块化机的同步问题，环流问题等难题直流机上基本都不存在。直流UPS实际应用目前也取得了很大进展，在国外发达国家，机房采用大规模直流供电已取得了成功。在我国经过科学家和工程技术人员的不断探索，试点工作也取得了很大成功。

直流UPS 供电的前景是无限开阔的，目前推广中遇到的主要问题有：

（1）人们的观念问题，绝大多数至今还认为，直流供电需要专用的直流IT设备，实践已经证明，只要选择合适的直流电压，绝大多数现有的IT设备不经任何改造就可以在直流环境下稳定运行。

（2）标准和规范问题，缺乏相应的标准和规范，直流供电就只能停留在实验和试点阶段，无法标准化的设计和施工改造，应用工作难以大面积推广。

（3）产品的质量和品牌问题，有技术的优势，不代表有产品优势。但如果直流UPS产品上市一窝蜂，质量没保证，人们就很容易把产品的问题混同于技术的问题，从而削弱直流供电的技术优势，使直流供电的推广受到阻碍。

技术的发展是螺旋式前进的，直流供电技术目前相对交流有很大的技术优势，但这也不是一成不变的。就像模块化UPS，几年前因为可以保持很高的带载率，在用电效率方面对塔式UPS有很大的技术优势。但随着UPS休眠技术的发展，塔式UPS的负载率也可以保持到很高，模块化UPS效率方面的优势已不太明显。直流供电技术应该抓住举国注重节能与低碳减排这一大好的发展时机，发挥自己的优势，克服自己的不足，吸取一些技术上一度占有优势，但不能把优势变成胜势的前车之鉴，加快发展自己。