注入主电源的干扰

一般而言，不间断电源 (UPS) 可视为一种转换系统，UPS 输入级所采用的技术决定了产生并输入上游主电源的谐波污染的类型和数量。

总谐波失真 (THD) 是信号中存在的谐波失真的量度，定义为所有谐波分量的功率总和与基频功率之比。电流 (I) 见下文：

例如，在双转换 UPS 中，UPS 的 AC/DC 转换器元件（或称为整流器）直接连接到主电源。 对于基于可控硅整流器 (SCR) 晶闸管的整流器，如果换流器器件持续导通（SCR 全导通），则在正常运行期间，电流波形上产生的总谐波失真 (THDi) ≤30%。 随着 SCR 的相位角控制（减少 SCR 导通），失真水平增加。 这可能给安装带来和造成严重的问题：

• 失真放大（串联和并联谐振）。
• 减少资源的使用。
• 发电机组不稳定。
• 介电老化。
• 设备运行不良。
• 降低系统效率。
• 热影响（对变压器、电缆、电机等）。

非线性负载（在这种情况下为 UPS）将产生的谐波电流注入上游电源电路，根据 THDi 的电平和上游电路的阻抗，这将导致电源电压失真。因此，EMC 标准对低压电网中允许的电压畸变进行了定义并施加了限制。 这些限制并不固定，而是随着时间的推移而变化和发展。

通常而言，在公共耦合点 (PCC) 造成电压失真水平不超过 8% 的电流失真总量被认为是合理的，这符合 EN 50160（公共电网中的 THDv<8% – 低电压）、IEC 61000-2-2（公共低压电网中的 THDv<8%）和 IEC 61000-2-4（THDv：<5% 实验室；<8% 公众；<10% 重工业）。

  

为了计算这种影响，必须知道上游阻抗值、发电机功率和 UPS 产生的谐波水平。如果将 UPS 视为唯一由上游电源供电的负载，则这些值可用于识别 UPS 在 PCC 造成的电压失真。在 UPS 以外的其他负载由电源供电的情况下，必须通过包括其他负载产生的谐波污染来计算谐波电压畸变。

表 1 – 低压电网中各个谐波电压的兼容性等级 (IEC 61000-2-2)

奇次谐波非 3 的倍数		奇次谐波 3 的倍数		偶次谐波
谐波级 h	谐波电压 %	谐波级 h	谐波电压 %	谐波级 h	谐波电压 %
5	6	3	5	2	2
7	5	9	1,5	4	1
11	3,5	15	0,4	6	0,5
13	3	21	0,3	8	0,5
Note: The levels given for odd harmonics that are multiple of three apply to zero sequence harmonics. Also, on a three-phase network without a neutral conductor or without load connected between line and ground, the values of the 3rd and 9th harmonics may be much lower than the compatibility levels, depending on the unbalanced of the system.

 

就阻抗而言，在低额定功率的供电系统中，阻抗较高。阻抗随着供电系统功率的增加而减小。基于这一点，在低额定功率的系统中，谐波的影响是潜在的，因为电压失真程度更高，这增加了对电网的有害影响。 这就是在标准 IEC 62040-2:2016 的新声明（本文档稍后引用）中，谐波容限会根据系统的功率比（电网/UPS）而增加的主要原因。

以下是当前用于三相输入 UPS 中 AC/DC 转换器的不同拓扑结构的一些示例。全控 6 脉冲整流器、12 脉冲整流器和带谐波滤波器的 12 脉冲整流器：

符合 IEC 62040-2:2016 标准的新 THDi 要求

2021 年 7 月 9 日，从标准 EN IEC 62040-2:2006 到标准 EN IEC 62040-2:2016 的过渡时间将结束。

在谐波要求方面，IEC 62040-2:2006 仅适用于输入电流小于 16A 的 UPS。然而，对于 IEC 62040-2:2016，该范围增加了：

• 定义了输入电流 < 16A 以及 16-75A 之间的 UPS 的电流谐波。
• 输入电流 ≥75A 的 UPS 的电流谐波

 

根据 IEC 61000-3-12，电流谐波的要求如下所示：

• 输入电流介于 16A 和 75A 之间。

• 表 4 给出了对称三相系统的最大电流谐波限值。

  

表 4 – 平衡三相设备的电流发射限值

最小 Rsce	容许的单个谐波电流  Ih/Irefa				容许的谐波参数 %
	I5	I7	I11	I13	THC/Iref	PWHC/Iref
33	10,7	7,2	3,1	2	13	22
66	14	9	5	3	16	25
120	19	12	7	4	22	28
250	31	20	12	7	37	38
≥ 350	40	25	15	10	48	46
12 阶及以下的偶次谐波的相对值不得超过 16/h %。12 阶以上的偶次谐波以与奇次谐波相同的方式考虑到 THC 和 PWHC 中。 允许连续 Rsce 值之间的线性插值
a Iref = 参考电流；Ih = 谐波电流分量

 

R_sce 定义为短路比，描述为电网短路功率与 UPS 视在功率之比。因此总结一下，对于高达约 50kVA 的额定功率（400V 三相系统），我们必须遵守 R_sce≥33 界定的谐波水平，以覆盖所有类型的电网，这意味着在 UPS 前端采用 IGBT 技术 AC/DC 转换器。 

   

以图表形式表示此信息，其中设备功率与其块大小成正比，我们有下图。

请参阅以下基于工业 UPS（典型值）的 R_sce 计算的工作示例：

• 主电源电压 (L-L): 400V.
• 主电源短路电流： 5kA.
• UPS 输出视在功率： 50kVA.
• UPS 输出功率因数： 0,80.
• UPS 效率（AC 到 AC)：大约 0,90.
• UPS 输入功率因数：大约 0,85.

 

主电源短路电流： 

UPS 输出有功功率：  

UPS 输入视在功率： 

因此，R_sce 将是：

 

 

对于工业应用，典型的 R_sce 不会低于 66，因为 50kVA 是新标准涵盖的最大商业额定值（在 400V 和三相系统中），并且主电源短路电流通常 >5kA。