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1、前言
UPS是不间断电源(uninterruptible powersystem)的英文简称,指能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。在市电出现异常时候，有效净化市电；在市电突然掉电的时候，能够不间断的持续一定时间给用电设备供电，能有充裕的时间使用户采取应对方案。目前，UPS已经广泛应用于通讯、金融、政府、医疗、教育、工业、安防监控等各行各业，随着信息化发展进程，UPS变得越来越重要，而且功率也越来越大。同时，UPS对电网所产生的污染问题也是日趋严重。
2、谐波的定义
随着电力电子技术的发展，大功率可控硅SCR、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，大量非线性负荷的增加，使得电力系统波形严重畸变。
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立叶级数分解，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。通俗的将分解后的谐波称为n次谐波，此处的n即是谐波次数。一般指从2次到50次范围，如5次谐波电压（电流）的频率是250赫兹，7次谐波电压（电流）的频率是350赫兹；超过13次的谐波称高次谐波。
3、UPS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。
目前中大功率三进三出UPS 的整流电路常采用晶闸管相控整流电路，常用的整流电路有三相全桥六脉冲整流电路和六相全桥十二脉冲整流电路等。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低，产生大量的谐波电流，会对电网产生较大的污染。
中大型三进三出UPS输入整流器采用三相全桥六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来就决定的。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
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µ进行计算。电流畸变系数µ如上式所示。
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
高频开关整流电源由于是峰值整流形式，其输入电流为很窄的大电流脉冲波，谐波分量很大，电流畸变系数µ很低，故其功率因数PF也很低。
4、UPS谐波波危害
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；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪音。发电机中THDI必须小于等于20%，否则发电机的功率也必须进行折算；
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）；
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；
对用电设备的危害：视在功率增大、干扰敏感性的电子设备；
对人体的危害：人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康。
谐波危害列表
5、UPS谐波的治理
大功率UPS整流器大都采用晶闸管相控整流电路，在输入侧加装无源滤波器，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 5％，而且无源滤波器抑制谐波本质上是频域处理方法，即将非正弦周期电流分解成傅里叶级数，对某些谐波进行吸收，因此只能抑制固定的几次谐波，补偿固定的无功功率。针对无源滤波器的上述缺点人们提出了在UPS网侧设置有源滤波器对谐波和无功进行补偿。
传统6脉冲三进三出的UPS，主要为5次与7次谐波分量，根据某型号的UPS 谐波实际测量数据
某型号大功率UPS谐波实测数据
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谐波次数
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5
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7
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11
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13
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17
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19
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23
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6脉冲谐波含量
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32%
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3%
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8%
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3%
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4%
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2%
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2% |
工作原理：
滤波器由输入电感（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次谐波呈低阻抗特性，可有效过滤抑制。输入电感则作为输入电流波形校正，同时能够提高谐振滤波电路的效果；另外，输入电感的感抗值使得滤波回路的总电抗为感抗，减少谐波电流流入电容器和合闸浪涌。
某型号大功率UPS谐波实测数据
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谐波次数
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5
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7
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11
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13
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2%
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1%
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7%
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2%
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3%
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2% |
6脉冲整流UPS+5次谐波滤波器UPS整流装置为三相全控桥6脉整流器，由整流装置产生的谐波占所有谐波的近25-33%加5次谐波滤波器后减小到10%以下, 输入功率因数0.9,可局部减小谐波电流对电网的危害。这种配置，输入电流谐波仍然偏大，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
上图电路是一种多重化整流电路，由二个三相桥整流电路并联而成。二个变压器的二次绕组接法不同，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脉波整流电路。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，不仅可减小输入电流谐波，也减小了输出电压中的谐波并提高纹波频率。
12脉冲整流技术的发展由来已久，早在70年代初期，当大功率可控硅发展成熟之际，人们就已经发现了可控硅整流器在将交流电转换为直流电的同时，产生了大量的谐波电流注入到电网中，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，希望去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：其一是采用两套整流器通过不同相位的叠加，以便消除H5、H7次谐波，这就是12脉冲整流器。
某型号大功率UPS谐波实测数据
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谐波次数
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5
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7
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11
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13
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17
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19
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12脉冲谐波含量
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1%
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1%
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9%
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4%
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1%
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1% |
由此可见，采用12脉冲整流技术也能够有效的降低输入谐波分量。
3)12脉冲整流UPS+无源LC滤波器
12脉冲整流器理论上只有11次及以上谐波电流，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次谐波对电网的注入影响，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THDl)治理程度还达不到较好水平，因此12脉冲UPS+11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，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。
某型号大功率UPS谐波实测数据
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谐波次数
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5
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7
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11
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13
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17
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19
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12脉冲谐波含量
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1%
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1%
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3%
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2%
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1%
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1% |
这种配置方法器件和控制电路较6脉冲+5次谐波滤波器多一倍可靠性相对会略逊，但仍不失为UPS行业成熟较可靠的解决方案。
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，IGBT整流器采用脉宽调制的方式，IGBT载波频率达到8300Hz，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元件，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。
IGBT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，一般有如下二种结构：
三相单开关Boost型整流结构，S采用IGBT。以A相为例，当S开通时，L储能电感储能；当S截止时，L通过二极管向C充电；控制S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，采用6个IGBT作为开关管。上图中，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，可以对输入电流进行控制，使输入电流成为正弦波并且与输入电压同相或反相，因此可以减小输入电流的谐波成分，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，因此实际应用中也存在一定不足，通常应用于电压相对稳定的用电环境。当输入波形畸变厉害时，由于UPS要保持输入电流即时跟随输入电压，必将加重PFC电路中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整流能达到非常好的输入功率因素，有效降低输入谐波污染。
很用户在采购UPS时只关注了UPS价格本身，殊不知UPS的使用成本要远远高于其自身的价值。
举例而言，1台200KVA的UPS它的采购价约在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。如果我们做个比较，一台增加有源滤波的200KVAUPS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10年的UPS寿命周期内， UPS所节约的电费200×0.07×24×365×10×0.8=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在不知不觉中为用户节约了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！ | 
