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        淺析某UPS電源供電的冷水機(jī)組諧波污染

        2012-09-20 02:55:54張平周東朋那碩
        電氣自動化 2012年5期
        關(guān)鍵詞:畸變機(jī)房諧波

        張平,周東朋,那碩

        (中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

        0 引 言

        某冷凍機(jī)房(以下簡稱機(jī)房)是有2臺200kVA的UPS電源供電,由于大功率UPS屬典型的非線性設(shè)備,它的運(yùn)行會產(chǎn)生大量的諧波[1],而諧波不做功[2],卻占用了大量的電網(wǎng)kVA(變壓器單位)資源。加之諧波導(dǎo)致系統(tǒng)電壓失真度增大[3-4],對供電系統(tǒng)的安全造成很大影響。另外,機(jī)房內(nèi)大功率冷水機(jī)組也是典型的諧波污染源,它的運(yùn)行也會對電力系統(tǒng)造成一定諧波污染。為了降低該機(jī)房系統(tǒng)內(nèi)存在的諧波污染問題,更好的為機(jī)組提供優(yōu)質(zhì)電源。應(yīng)用Unilyzer902電能質(zhì)量分析儀對該系統(tǒng)進(jìn)行了一次詳細(xì)、全面的諧波檢測,檢測位置在該機(jī)房上端配電室內(nèi)(見圖1)。

        圖1 供電系統(tǒng)簡圖及監(jiān)測點(diǎn)位置

        1 諧波檢測

        1.1 檢測說明

        諧波檢測時機(jī)組負(fù)荷的運(yùn)行情況對檢測結(jié)果有決定性影響,針對該機(jī)組的諧波檢測工作盡量選在有代表性的系統(tǒng)負(fù)荷率情況下進(jìn)行,以使所測數(shù)據(jù)相對精準(zhǔn)、客觀。

        由于冷水機(jī)組屬于典型的季節(jié)性運(yùn)行設(shè)備,筆者選擇8月份機(jī)組正常運(yùn)行,且UPS負(fù)荷率不低于50%時進(jìn)行,由于前期設(shè)備選擇問題,該企業(yè)內(nèi)機(jī)房的UPS負(fù)荷率從未超過65%,因此可能所檢測數(shù)據(jù)的電流畸變率指標(biāo)較大,而實(shí)際上諧波電流的有效值卻不一定很大。具體檢測時,筆者將分析儀固定連續(xù)放置2h以上,并設(shè)定統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)間隔時間為60s。

        1.2 檢測結(jié)果分析

        1.2.1 檢測結(jié)果總攬圖

        評價諧波污染程度的幾個基本參數(shù)如圖2所示,國家標(biāo)準(zhǔn)線用圖中的虛線表述,某項(xiàng)參數(shù)的最大值用白色框圖表示,95%概率值用黑色框圖表示。

        由圖2檢測結(jié)果可以看到:

        (1) 電壓畸變率的畸變程度比較嚴(yán)重,說明電壓受到較大諧波污染,其波形已一定程度上有扭曲變形,而不是平滑的正弦波。具體表現(xiàn)在,C相電壓畸變率已超標(biāo),A相和B相電壓畸變率接近超標(biāo)。

        (2)從圖中直觀看,電壓有一定程度升高,偏離正常電壓的值較大,且不單單是某一相電壓存在值增大的問題,仔細(xì)分析可以看到A、B、C三相供電電壓都較高,不過還未超過國家標(biāo)準(zhǔn)7%的要求,但電壓質(zhì)量已經(jīng)較壞,存在不穩(wěn)定因素。

        (3)由圖2可以看到,頻率偏差短閃變Pst、長閃變Plt、不平衡度等符合國家相關(guān)規(guī)范要求值,這里不過多贅述。下面用其他測試數(shù)據(jù)表達(dá)形式對該系統(tǒng)諧波狀況進(jìn)行多方位分析。

        1.2.2 檢測點(diǎn)的電壓測量結(jié)果

        該機(jī)房系統(tǒng)電壓的檢測情況如下圖3、圖4所示。通過以上兩圖發(fā)現(xiàn):

        圖2 諧波檢測結(jié)果總攬

        (1)機(jī)房系統(tǒng)的電壓諧波含量還是比較嚴(yán)重的,尤其是7次電壓諧波,其電壓諧波含有率95%概率值中,明顯A相和C相的值已經(jīng)超過4%(國標(biāo)要求4%),其他各相各次電壓諧波含有率95%概率值也已接近國標(biāo)限制值4%。

        (2)圖4更直觀看到系統(tǒng)三相電壓諧波電壓含有率的變化情況,其中A、C兩相的數(shù)值接近國標(biāo)規(guī)定的5%,B相電壓畸變率已超過國標(biāo)規(guī)定的5%。

        注:圖3中橫坐標(biāo)表示諧波次數(shù),藍(lán)色柱狀圖表示95%概率值,紅色柱狀圖表示最大值;圖4中橫坐標(biāo)代表測試時間,縱坐標(biāo)為各相電壓諧波畸變率。

        1.2.3 檢測點(diǎn)的電流測量結(jié)果

        該機(jī)房系統(tǒng)電流的檢測情況如下圖5、圖6所示。

        分析:

        (1)圖5電流諧波頻譜顯示諧波電流比較大,尤其是奇次(5、7、11次諧波等),各奇次諧波大概值(95%概率值)分別達(dá)到A 相:21.3A、18.0A、10.8A;B 相:20.4A、17.1A、10.9A;C相:20.5A、18.3A、10.3A。

        (2)由圖6可以看到,各相電流的總畸變率畸變程度很厲害,其值嚴(yán)重超過了100%,這說明諧波電流值甚至大于系統(tǒng)工頻的正?;娏鳎到y(tǒng)受到諧波電流的污染十分嚴(yán)重。

        2 諧波治理方案建議

        由上面的綜合分析結(jié)果,筆者認(rèn)為該企業(yè)冷凍機(jī)房的供電系統(tǒng)內(nèi)存在比較嚴(yán)重的諧波問題,具體表現(xiàn)在電壓運(yùn)行值較額定值偏大,電流中諧波值太大,尤其是5、7次諧波值,這種情況嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全;另外,該企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)設(shè)備運(yùn)行變化頻率大,且都有較高的供電要求。綜合考慮濾波頻譜范圍、濾波效果及系統(tǒng)安全性等各方面因素,雖然目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多的濾波設(shè)備都是無源的,筆者還是建議該企業(yè)采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波專項(xiàng)治理,主要基于以下考慮:有源電力濾波器以時域分析為基礎(chǔ),對畸變波形實(shí)時跟蹤補(bǔ)償,從而使得電源側(cè)的電流波形與電壓波形一致。且有源電力濾波器具有高度可靠性和快速響應(yīng)性,并且能補(bǔ)償各次諧波,自動產(chǎn)生所需變化的無功功率,其特性不受系統(tǒng)影響,可以避免系統(tǒng)諧振現(xiàn)象的發(fā)生,并最終最大限度消除各次諧波分量,使得治理后各項(xiàng)電能指標(biāo)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

        3 諧波治理經(jīng)濟(jì)性分析

        通常,1臺容量200kVA的UPS的采購價在50萬元左右,如果按照UPS全年連續(xù)運(yùn)行、負(fù)載率保持50%的條件計(jì)算,本文中的2臺UPS一年的電費(fèi)約達(dá)到200×50%×2×24×365×0.48=840 960元,UPS每年的電費(fèi)與其自身價格相當(dāng)??梢?,大容量UPS的使用成本很高,如果不注意充分提升其使用效率,將會造成較大能源浪費(fèi)。

        下面仍以本文中2臺UPS為例進(jìn)行計(jì)算(假設(shè)1號UPS采用有源電力濾波器進(jìn)行了諧波治理,2號UPS不進(jìn)行諧波治理):假定1號UPS整機(jī)效率為95%,2號UPS由于諧波污染問題其整流器的效率為90%左右。按照UPS通常的10年使用壽命計(jì)算,在10年的UPS壽命周期內(nèi),1號UPS比2號UPS節(jié)約的電費(fèi)約為200×50%×0.05×24×365×10×0.48=210 240元。2號UPS多消耗的這部分電能會以熱量的形式散發(fā)出來,這樣用戶還要支付這部分浪費(fèi)的電費(fèi)供用戶空調(diào)制冷,無形中又加倍了能源浪費(fèi)。

        4 結(jié)束語

        應(yīng)用瑞典Unilyzer902電能質(zhì)量分析儀對機(jī)房UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波污染情況監(jiān)測,通過對監(jiān)測結(jié)果的全方位分析,并在分析中考慮到系統(tǒng)當(dāng)時運(yùn)行的負(fù)荷情況,得出系統(tǒng)受諧波污染的程度,最后結(jié)合系統(tǒng)對供電安全性的要求及負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行情況等,建議該機(jī)房選擇用有源電力濾波器進(jìn)行針對性諧波治理以提升電能質(zhì)量,并指出進(jìn)行諧波治理能夠帶來的成本收益。

        [1]雷美艷.電力網(wǎng)的諧波防護(hù)與治理[J].電機(jī)技術(shù),2005,26(2):35-37.

        [2]周彥,劉鐵柱.小議配電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生與危害治理[J].中小企業(yè)管理與科技,2010,19(6):232-234.

        [3]張濱,城市電網(wǎng)諧波問題治理的探討[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化,2010,17(10):87-88.

        [4]馬玉泉,韓淑芬.整流機(jī)組諧波濾波器功率因數(shù)補(bǔ)償不足的原因分析[J].電工技術(shù)雜志,2004,23(5):62-65.

        [5]程浩忠。電力系統(tǒng)諧波技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1998.

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