張培

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)是國家經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分，但由于其復(fù)雜的非線性負荷，如通訊、計算機、網(wǎng)絡(luò)控制、變頻空調(diào)、各種數(shù)碼辦公設(shè)備、燈光控制系統(tǒng)、 UPS、監(jiān)控系統(tǒng)等，對大型數(shù)據(jù)中心的運行安全構(gòu)成了極大的威脅。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心行業(yè)；電能質(zhì)量；諧波干擾；諧波治理；系統(tǒng)解決方案

0.引言

在數(shù)據(jù)中心工業(yè)中，有許多現(xiàn)代電力設(shè)備和設(shè)備，例如信用卡終端設(shè)備，通訊系統(tǒng)，計算機，網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備，各種數(shù)碼辦公設(shè)備，燈光控制系統(tǒng)，消防系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)等。大量的非線性負荷對電網(wǎng)的供電產(chǎn)生了很大的影響。惡劣的諧波環(huán)境，嚴重影響著電力系統(tǒng)的正常運行，包括程序運行錯誤、數(shù)據(jù)錯誤、時間錯誤、死機、無故重啟，嚴重影響電力設(shè)備的正常運行。因此，對大規(guī)模數(shù)據(jù)中心進行諧波處理已經(jīng)成為一個研究熱點。

“十三五”，我國提出了一個具有約束力的目標，即 GDP能耗下降20%，主要污染物排放量下降10%。提出了構(gòu)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約型和諧社會的目標。針對國家節(jié)能減排的需要，各大數(shù)據(jù)中心都對各種節(jié)能指標提出了更高的要求，但是由于采用了大量的變頻節(jié)能裝置，導致了數(shù)據(jù)中心的諧波失真率較高，遠遠超過了國內(nèi)的規(guī)范和規(guī)范。針對大規(guī)模數(shù)據(jù)中心電網(wǎng)的諧波危害，過去僅做了相應(yīng)的預(yù)防措施，例如，在確定變壓器額定容量時，要考慮到諧波的失真，要預(yù)留一定的余量；針對容易發(fā)生故障的設(shè)備，增加了線路濾波器等，但是都不能從根本上消除諧波的危害。本文就此背景，對大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的分層分布式諧波治理方案的設(shè)計、實施和效果進行了詳細的闡述。

1.數(shù)據(jù)中心行業(yè)的電能質(zhì)量問題來源分析

各種功率電子器件的整流器的輸入電路都會引起數(shù)據(jù)中心工業(yè)裝置的諧波。由于各種功率電子裝置的輸入端子上的整流電路的阻抗不是固定的，它的阻抗會隨所加電壓的改變而改變，從而使整流器從電網(wǎng)中吸收的電流并非正弦波。這些裝置中的主要是：

1.1變頻器

變頻空調(diào)、變頻升降機、變頻升降機、變頻水泵等在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛。由于變頻裝置的工作原理基本上都是整流的，所以會出現(xiàn)諧波。所生成的諧波類型與整流器的脈沖數(shù)目相關(guān)，其關(guān)系為：

其中 M表示整流器所產(chǎn)生的諧波的數(shù)量， P表示整流器的脈沖數(shù)目， n是自然數(shù)。比如，3相6脈沖整流電路，有5次，7次，11次，13次，等等。

1.2 UPS

大容量的數(shù)據(jù)中心需要高電壓的電力供應(yīng)，所以經(jīng)常需要 UPS UPS。由于 UPS的工作原理類似于變頻器，所以它的諧波發(fā)生的方式和類型也比較類似。一般情況下，6脈寬的 UPS主要產(chǎn)生5~7次諧波，12脈寬的 UPS主要產(chǎn)生11~13次諧波。

1.3 LED節(jié)能燈

節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器把50赫茲的功率變換為38 kHz左右的頻率，這樣就可以把電燈的閃光降到感覺不到的程度。高頻電子鎮(zhèn)流器在運行過程中會出現(xiàn)諧波，這是因為負載的非線性導致的。通常節(jié)能燈會產(chǎn)生3次諧波。

2.數(shù)據(jù)中心行業(yè)的諧波特點

電力系統(tǒng)的諧波主要有電網(wǎng)側(cè)和負荷側(cè)兩種。

2.1電力系統(tǒng)中的諧波

也稱為低頻率諧波，一般指小于40次的諧波，尤以3,5,7,9為典型，對電力系統(tǒng)造成損害，使電力系統(tǒng)的供電效率降低，電容器發(fā)熱，甚至燒毀。

2.2負荷端的諧波

也就是所謂的高頻諧波，一般指的是超過40次的諧波，其頻率一般在2 kHz以上，對用電設(shè)備會造成損害，從而導致工作質(zhì)量下降，死機，損壞，壽命降低等。

在大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心中，諧波有如下特征：

(1)諧波源的分布比較密集；

(2)在 UPS系統(tǒng)中，存在大量的設(shè)備，大量的數(shù)據(jù)機房，以及大量的電腦設(shè)備，因此，必須對其進行諧波處理；

(3)諧波失真率較高，通常在40~50%之間，遠大于國家標準；

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?諧波的分類比較與治理

3.數(shù)據(jù)中心行業(yè)的諧波危害

大數(shù)據(jù)中心的裝置會受到電網(wǎng)阻抗的影響，其處理程序如下：

(1)各種功率電子器件產(chǎn)生的諧波電流；

(2)當通過柵極阻抗的諧波電流流動時，產(chǎn)生一個諧波電壓；

(3)諧波電壓會干擾其它裝置。

從上述機制出發(fā)，可以得到如下的結(jié)論：

(1)根據(jù)所述各種功率電子裝置的諧波電流，判斷所述裝置是否受各種諧波電流的影響，通常情況下，如果超過5%，則會造成裝置失靈；

(2)裝置愈靠近各種功率電子裝置，愈有較高的諧波電壓，愈易受各種功率電子裝置的諧波干擾；

(3)功率愈低，各種功率電子裝置的諧波電流干擾愈大，如小容量變壓器、發(fā)電機、 UPS等；

(4)裝置和變壓器間的纜線愈長，則裝置愈易受各種功率電子器件的諧波干擾。

在電力系統(tǒng)中，當諧波電流通過內(nèi)部電阻時，通常會發(fā)生電壓失真。這種平頂電壓不僅會對電子裝置造成直接的干擾，而且會對電子裝置造成潛在的傷害，其中包括：

(1)裝置使用年限的減少

大多數(shù)電子產(chǎn)品的輸入是切換電源，而切換電源的直流匯流電壓取決于交流電流的峰值，而非有效值。每隔一段時間，將平滑電容器上的電壓充電至一個峰值，在交流電流峰值之后，該電容器就會釋放電流，從而使直流匯流條上的電壓產(chǎn)生較小的波動。當交流電出現(xiàn)平頂時， DC匯流端的電壓會下降，而切換電源則會吸收更多的電流以保持相同的功率，從而提高內(nèi)部的溫度。

(2)減少裝置的電壓下降特性

在電子產(chǎn)品中，電壓跌落性能是一個很重要的指標，即在發(fā)生短暫的電壓下降時，該裝置必須保證其工作狀態(tài)。該裝置通過儲存在內(nèi)置電容器中的電能來完成這項工作。容量越大，即使沒有外部電源，裝置也可以保持更長的時間。當電容器的電量為 C時，其電量為 UC/2, U為電容上的電壓，與 AC電流的峰值相等。

平頂電壓畸變表示交流電流的峰值電壓下降，這也反映在電容中，電容中的蓄積能量會下降。

(3)對功率開關(guān)的影響

當裝置采用緊急供電時（它的內(nèi)部電阻很高）會導致更大的諧波電壓失真，下面所描述的問題就是這樣。在恢復(fù)外部電力供應(yīng)時，由于緊急電源引起的高電壓失真，將會對電力供應(yīng)從緊急情況轉(zhuǎn)換到外部電力供應(yīng)。由于失真率過高，會影響到應(yīng)急電源和外界電源的同步，如果沒有同步，就無法實現(xiàn)并聯(lián)。通過降低負荷來達到同步，有助于電源的轉(zhuǎn)換。

4.數(shù)據(jù)中心行業(yè)的電能質(zhì)量監(jiān)測和治理解決方案

4.1解決方案

從最初的數(shù)百平米到現(xiàn)在的數(shù)萬平米的大工程。UPS的設(shè)計能力由最初的數(shù)十 KVA增加到數(shù)千乃至數(shù)萬 KVA。在數(shù)百 KVA UPS中，總諧波含量為15%時，其諧波電流只有數(shù)十 A，與整個大樓數(shù)千 A的總用電相比，幾乎可以忽略不計。但 UPS的容量增加了，那就不一樣了。由于目前大部分的大型數(shù)據(jù)中心都是單獨的，因此，這棟大樓的電力消耗主要來自于 UPS。和 UPS的功率比起來，其他的功率燈都要小得多。比如2010年，在蘇州， UPS的設(shè)計能力就達到了20,000 kVA。假定全諧波電流的百分比為15%，全負荷下的諧波電流可達1825 A。這是一個很可怕的數(shù)字，如果不加以控制，將會對電網(wǎng)造成很大的影響，從而增加電力系統(tǒng)的容量，造成電纜發(fā)熱、零線帶電等嚴重問題。

傳統(tǒng)的諧波防護方法僅從單個器件出發(fā)，針對諧波頻率較窄，不能從根本上解決問題。針對上述問題，安科瑞公司針對數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)狀，提出了一種基于電力系統(tǒng)的電力品質(zhì)監(jiān)控與治理系統(tǒng)，旨在為客戶提供全方位的產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等全方位的服務(wù)，從而為客戶帶來更多的價值。

4.2方案特點

（1）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)即可通過本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-IDC數(shù)據(jù)中心綜合能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務(wù)；

（2）符合GB/T17626.30-2012中A級準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質(zhì)量指標參數(shù)的場合；

（3）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

（4）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置信息互聯(lián)，通過統(tǒng)一平臺管理，方便用戶同時監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數(shù)據(jù)；

（5）采用三電平電力電子驅(qū)動器件，通過更多的電平輸出更高品質(zhì)的治理波形。

4.3方案效果

(1)實時監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量，包括電壓偏差，頻率偏差，諧波，電壓波動，閃變，三相電壓失衡等。并可對各監(jiān)測點的電壓電流、電壓偏差、不平衡、閃變等進行數(shù)據(jù)分析，并可在此基礎(chǔ)上對所發(fā)生的事件波形、趨勢進行分析，并可根據(jù)所監(jiān)測的電力品質(zhì)狀況進行統(tǒng)計分析，從而產(chǎn)生電能質(zhì)量診斷報告。

(2)采用集中補償+現(xiàn)場補償?shù)姆绞剑瑢?shù)據(jù)中心的無功、諧波進行更好的補償，改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量、電力設(shè)備的使用效率、設(shè)備的運行效率、設(shè)備的故障率、滿足數(shù)據(jù)中心設(shè)備的供電質(zhì)量、滿足設(shè)備的供電質(zhì)量要求。

(3)本系統(tǒng)可為電力用戶的電力指數(shù)統(tǒng)計及電力數(shù)據(jù)分析提供多維的工具，可為電力市場的優(yōu)化運營管理及能源消耗提供參考。

5.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

5.1集中治理

通過集中管理，可以解決數(shù)據(jù)中心工業(yè)配電系統(tǒng)中計算機、空調(diào)等電器設(shè)備所引起的諧波問題，保證無功功率因數(shù)符合國家標準，從而規(guī)避處罰，并可實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測，包括諧波分析、波形采樣、電壓暫升/升/中斷、閃變監(jiān)測等。

表4電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表

5.2就地治理

在數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)中，由于 UPS系統(tǒng)的低端設(shè)備數(shù)量眾多，采用了大量的變頻設(shè)備，因此在實際應(yīng)用中，總會有40%~50%的電流畸變率。同時，數(shù)據(jù)中心也在數(shù)據(jù)機房里安裝了大量的節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器，通常節(jié)能燈會產(chǎn)生三次諧波，因為每一相位都是相同的，所以會在中性線上重疊，所以不會有電流通過 N線，從而造成火災(zāi)。

根據(jù)上述負荷條件，提出了在主要設(shè)備配電箱加裝電能質(zhì)量補償裝置，以實現(xiàn)對電網(wǎng)中電網(wǎng)諧波的控制，從而防止電網(wǎng)中的諧波對電網(wǎng)及其它電力設(shè)施產(chǎn)生不利影響。

6.上海某銀行數(shù)據(jù)中心項目電能質(zhì)量治理項目案例

6.1項目背景

上海某銀行的一個數(shù)據(jù)中心，包含了一個巨大的數(shù)據(jù)機房，它對電力的質(zhì)量有很高的要求；為改善電力系統(tǒng)的可靠性，該設(shè)備使用了大量的 UPS，并在機房中安裝了空調(diào)、照明設(shè)備等。這些功率電子器件都是非線性負荷，在運行時會產(chǎn)生大量的諧波，以5~7次為主；若不進行諧波處理，將會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大的污染，并會對機房內(nèi)的其它敏感設(shè)備產(chǎn)生干擾，例如通訊數(shù)據(jù)的錯誤傳送，甚至癱瘓、中斷，從而降低配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。表4，5顯示了這個數(shù)據(jù)中心的主要負荷參數(shù)和諧波估計。

6.2施政計劃

根據(jù)已有的測量經(jīng)驗，對電網(wǎng)的諧波進行了分析和估計，其中的諧波主要來自于 UPS以及部分非線性負荷，電力系統(tǒng)包括2臺800 kVA變壓器和1臺800 kW的發(fā)電機，采取了“集中治理+現(xiàn)場治理”的方式。

中央管理：由于本公司擁有大量的數(shù)據(jù)機房和大量的電腦設(shè)備，所以在每個變壓器下面都安裝了300 A的有源諧波處理裝置，采用兩個150 A的模組并機組成，采用AnSin-300-M I型，能自動追蹤和補償負荷所引起的諧波，確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定。

現(xiàn)場治理：由于 UPS是本中心的一個惡性負荷，所以必須對其所產(chǎn)生的諧波進行治理，以免影響到其它電力設(shè)施，所以在采用 UPS的配電房內(nèi)，采用了一種新型的AnSin-300-B I有源濾波器治理系統(tǒng)，對 UPS造成的諧波污染進行了現(xiàn)場處理。

6.3治理效果

選取該中心UPS出線端對前后波形數(shù)據(jù)進行對比，通過裝設(shè)AnSin-300-B Ⅰ型有源濾波治理系統(tǒng)后，電壓畸變率從6.32%降值2.05%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提升了電網(wǎng)波形質(zhì)量，具體效果及參數(shù)如下表所示。

表6 治理前后波形數(shù)據(jù)對比

7.結(jié)論

在當前的市場上，諧波治理的產(chǎn)品很多，但是大多數(shù)都是單一的，不能完全適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的要求。為此，安科瑞公司為數(shù)據(jù)中心提供了一套完整的電力管理監(jiān)控和治理體系，從而有效地解決了數(shù)據(jù)中心的電力質(zhì)量問題。從成本、性能和可靠性等方面來看，這種方案的成本、性能和可靠性都很高。

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作者介紹：

張培，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。