电力系统中的谐波问题分析

谐波是指正常电流波形的一种失真，一般是由非线性负载发射的。开关模式电源(SMPS)、调速电机及驱动、复印机、个人电脑、激光打印机、传真机、电池充电器以及UPS等都属于非线性负载。单相非线性负载在现代办公大楼中较为常见，而三相非线性负载则普遍存在于工厂和工业车间里。

　　多数配电系统上的大部分非线性电力负载来自SMPS设备。比如，所有计算机系统使用SMPS把市电交流电压转换为供内部电子设备使用的稳定低压直流电。这些非线性电源会产生高振幅短脉冲电流，造成电流和电压波形严重失真——谐波失真，一般按总谐波失真(THD)衡量。该失真向后传播回到电源系统，将影响连接在同一电源上的其他设备。

　　多数电力系统可以容忍一定程度的谐波电流，但当谐波在总负载中所占比例较为明显时就会出现问题。随着这些频率较高的电流流经电力系统，它们会造成通信错误、过热和硬件受损，比如：

　　配电设备、电缆、变压器、备用发电机等过热

　　谐波阻抗造成的高电压和环流

　　发热并浪费电能的高中性线电

　　因电压失真严重导致设备故障

　　增大了连接设备中的内部能耗，造成元器件失效并缩短使用寿命

　　支路断路器伪跳闸

　　计量错误

　　配线和配电系统失火

　　发电机失效

　　高振幅系数及有关问题

　　降低系统功率因数，导致可用功率减小(kW对kVA)和每月电费处罚

　　谐波技术概览

　　谐波是频率达基频整数倍的电流或电压。如果基频为60Hz，那么第2谐波为120 Hz，第3谐波为180 Hz等(见图1)。当谐波频率占主导时，配电盘和变压器会与高频谐波产生的磁场形成机械共振。发生这种情况时，配电盘或变压器会振动并针对不同谐波频率发出蜂鸣声。第3到第25谐波频率是配电系统中最为常见的频率范围。

　　图1 电流波形的谐波失真

　　所有周期波都会随各种频率的正弦波产生。傅里叶定律把一个周期波分解为其分量频率。

　　谐波分量：较大的第1谐波(基频) 较小的第5谐波 略大的第7谐波

　　图2 由基频、第5和第7谐波组成的失真波形

　　信号的总谐波失真是衡量谐波失真的指标，它被定义成所有谐波分量的功率总和与基频的功率之比。它描述了电压或电流信号的失真程度(见图3)。

　　图3 总谐波失真

　　补偿及减小谐波的解决方案

　　虽然限制产生谐波电流的标准正在考虑之中，今天的谐波控制主要依赖于补救方法。补偿或减小电力系统谐波可以采取多种手段，其效果和效率各不相同。

　　增大中性线配线规格

　　现代设施中，中性线的配线容量规格常常要求与电力配线相同或更大——尽管电力规范允许减小其规格。支持多台个人电脑(比如呼叫中心)的设计应规定中性线配线超过相线规格1.73倍。对办公室隔间里的配线尤其要多加注意。需要指出的是，这种方法可以保护建筑物配线，但不能保护变压器。

　　使用单独的中性导线

　　在三相分支电路上，要单独为每根相线导线敷设中性导线，取代多线分支电路共用一条中性导线的做法。这样可以增大分支电路处理谐波负载的容量和能力。这种方法可以有效抑制分支电路中性线上谐波增大，但配电板中性母线和馈电中性导线仍须考虑。

　　使用不会受谐波影响的直流电源

　　在典型数据中心里，配电系统通过一台变压器把480V交流市电转换为对服务器机架馈电的208V交流电。每台服务器中的一个或几个电源再把该交流电转换为供服务器内部组件使用的直流电压。

　　这些内部电源能效不高，它们产生大量热，增加了房间的空调系统的工作量以及运转成本。热耗散也限制了一个数据中心里能容纳的服务器数量。选择使用直流电来消除这一环节是值得的。

　　根据《能源与电力管理》杂质中一篇文章的说法，“配备直流电源而非交流电源的计算机和服务器产生的热量下降20%~40%，功耗降低30%，提高了服务器的可靠性和安装灵活性，也减少了维护需求。”

　　听起来不错，但综合考虑成本、兼容性、可靠性和效率时，弃交流电不用而选择直流电对多数数据中心来说并不可行。交流电——尽管其效率略低——但对现有设备是普遍可以接受的。

　　此外，目前尚无针对数据中心高电压点的保险商实验室(UL)安全标准，而针对交流系统的标准则十分成熟。这意味着安全风险胜过了直流电的潜在效益，至少目前是这样。

　　在配电元件中使用K级变压器

　　标准变压器不是针对非线性负载产生的高谐波电流而设计的。当连接这些负载时会过热并过早发生故障。当谐波开始以具有有害影响的程度引入电气系统中时(circa 1980)，该行业的应对措施是开发了K级变压器。K级变压器不是用于消除谐波，而是用于处理谐波电流产生的热量。

　　K系数额定值范围在1到50之间。针对线性负载设计的标准变压器K系数为1。K系数越高，变压器能够承受谐波电流产生的热量越多。选择正确的K系数非常关键，因为它对成本、效率和安全性都有影响。

　　K系数较高的变压器一般比K系数较低的变压器更大，因此要根据数据中心的谐波曲线选择合理的K系数，从而在尺寸、效率和耐热能力之间取得最佳平衡。

　　带K-13级变压器(和大尺寸中性线)的配电单元(PDU)可以有效地处理谐波电力。带K20级变压器的配电单元很常见，但对于多数现代数据中心来说过大。

　　使用谐波减缓式变压器

　　K级干式变压器在电气环境中广泛使用——包括PDU中或作为备用单元。但变压器设计中的最新进步可以在减小谐波电压失真和功率损耗方面提供更好的性能。

　　谐波减缓式变压器(HMT)用于处理电气系统的非线性负载。该变压器利用电磁减轻技术专门处理三倍序号(第3、9、15…..)谐波。变压器的二次绕组用于抵消零序通量并消除一次绕组环流。该变压器也通过使用相转移处理第5和第7谐波。

　　利用这两种电磁技术，HMT允许负载按照其厂家设计的方式工作，同时将谐波对能耗和失真的影响降至最低。多数HMT超过了NEMA TP-1效率标准，即使在使用100%非线性负载进行检测时。只要规定了K级变压器，等效HMT就可以作为直接代用品。

　　使用HMT的主要优点

　　防止非线性负载造成的电压平顶

　　减小上游谐波电流

　　消除变压器过热和工作温度过高

　　消除一次绕组环流

　　通过减少谐波损耗达到节能

　　维持高能效，即使在非线性负载较为严重的情况下

　　处理K级变压器不能解决的电力质量谐波问题

　　适合K系数较高的负载，而不会增大涌入电流

　　提高功率因数

　　其他谐波减轻方法

　　首次设计数据中心时，HMT是变压器的首选。然而，如果现有数据中心存在谐波问题，可使用锯齿形自动变压器限制三倍序号谐波及第5、第7谐波的影响。

　　锯齿形自动变压器是一种只有一次绕组而没有二次绕组的中性形成变压器。每个铁芯有两个一次绕组，它们按相反方向绕线，对正常相电流提供了较高的阻抗。

　　当靠近负载放置时，锯齿形自动变压器可以捕获三倍序号谐波。这种自动变压器的规格必须大到足以处理谐波。三倍序号谐波将仅限于自动变压器和该负载，从而防止上游配电设备遇到谐波。然而，自动变压器不能用于把电压改为与电源(电压)不同的水平。

　　可以通过上述自动变压器与一条二次馈线并联来消除三倍序号谐波、第5、第7谐波。这条馈线一般由不同电源供电。自动变压器和这条二次相转移电源一起共同捕获三倍序号谐波、第5、第7谐波。这种应用相当棘手，因为这两个电源都要承载平衡负载，才能有效捕获三倍序号谐波、第5、第7谐波。

　　但这两种应用对于消除有害谐波十分有效。然而，安装单台谐波减轻变压器是防止有害谐波影响配电设备最具成本效益的方法。

　　小结

　　谐波电流对配电系统极其馈电的设施具有重大影响。在规划系统扩建或改造时一定要考虑谐波的影响。此外，确定非线性负载的规模和位置也是所有维护、故障排除和修理计划的重要组成部分之一。