數(shù)據(jù)中心行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理方案

關鍵詞：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

??數(shù)據(jù)中心行業(yè)中使用了大量的現(xiàn)代化用電設備和裝置，如終端設備、通訊系統(tǒng)、計算機、網(wǎng)絡控制設備、各種數(shù)碼辦公設備、燈光調(diào)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。繁多的非線性電力負載，給其供電系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波干擾。惡劣的諧波環(huán)境對保證系統(tǒng)和設備的安全正常運行造成了很大的威脅，諸如：程序運行錯誤、數(shù)據(jù)錯誤、時間錯誤、死機、無故重新啟動，甚至造成用電設備的損壞，給大型的工作造成了難以挽回的巨大損失。因此，大型數(shù)據(jù)中心的諧波治理已越來越引起人們的關注。

??我國在“十三五"期間提出了國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%的約束性指標。明確指出了要建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的和諧社會。為了響應國家節(jié)能減排的號召，大型數(shù)據(jù)中心對各項節(jié)能指標有嚴格的要求，但由于其使用了大量變頻節(jié)能設備，使得現(xiàn)代化數(shù)據(jù)中心的諧波畸變率往往很高，超出國家相關規(guī)定與標準。在消除大型數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)諧波危害方面，以往只是采取一些防范措施，如根據(jù)負載確定電力變壓器額定容量時，考慮諧波畸變而留有裕量；為易受干擾設備加裝線路濾波器等，但這些都無法從根本上消除諧波危害。針對這樣的背景本文詳細介紹了大型數(shù)據(jù)中心分層分布式諧波治理的方案設計、方案實施及效果分析。

??數(shù)據(jù)中心行業(yè)設備的諧波電流是由各類電力電子設備整流器輸入電路導致的。因為各類電力電子設備輸入端的整流電路的阻抗不是一個定值，其阻抗隨著外加電壓的變化發(fā)生變化，這就導致整流器從電網(wǎng)吸取的電流不是正弦波電流。其中主要的整流設備有以下幾種：

1.1變頻設備

??數(shù)據(jù)中心行業(yè)使用了大量變頻節(jié)能設備，如：變頻空調(diào)、變頻電梯、變頻水泵等。變頻類設備內(nèi)部工作基本均為整流逆變過程，因此會產(chǎn)生諧波。所產(chǎn)生的諧波種類與整流器脈數(shù)有關，具體關系如下：

式中，M為整流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)，P為整流器的脈沖數(shù)，n為自然數(shù)。例如，對于3相6脈沖整流電路，諧波有5次、7次、11次和13次等。

1.2 UPS電源

??大型數(shù)據(jù)中心對于重要機房的供電穩(wěn)定性要求很高，因此常常要應用UPS不間斷電源。UPS電源的工作原理與變頻設備近似，因此產(chǎn)生諧波的方式和種類也較為相似。一般來說，6脈沖的UPS主要產(chǎn)生5、7次諧波，12脈沖的UPS主要產(chǎn)生11、13次諧波[3]。

1.3 LED節(jié)能燈

??節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器將50Hz電源轉換成大約38kHz的高頻，因此它將電燈閃爍降低到感受不到的水平。高頻電子鎮(zhèn)流器工作時由于非線性負載使得電流波形不是正弦波而產(chǎn)生諧波。一般來說，節(jié)能燈主要產(chǎn)生3次諧波。

??供電系統(tǒng)中諧波可分為電網(wǎng)側諧波和負載側諧波。

2.1電網(wǎng)側諧波

??又稱低頻諧波，通常是指40次以下的諧波，尤以3、5、7、9等次諧波為代表，主要對供電系統(tǒng)產(chǎn)生危害，造成電網(wǎng)供電效率下降，電容器發(fā)熱甚至燒毀等。

2.2負載側諧波

??又稱高頻諧波，通常是指40次以上的諧波，頻率通常在2kHz以上，主要對用電設備產(chǎn)生危害，造成工作質(zhì)量下降、死機、損壞、壽命下降等。

大型數(shù)據(jù)中心的諧波又有其特點：

??（1）存在集中的諧波源，諧波的分布較密集；

??（2）UPS下端的設備較多，大型數(shù)據(jù)機房較多，計算機類設備的分布很廣，需要對諧波進行治理；

??（3）諧波畸變率很高，一般高達40%~50%，遠遠高于國家標準。

表1為諧波的分類比較與治理。

表1諧波的分類

表2和表3列舉了數(shù)據(jù)中心的主要負載參數(shù)以及諧波估算值。

表2數(shù)據(jù)中心主要負載參數(shù)

表3 數(shù)據(jù)中心主要負載諧波估算表

大型數(shù)據(jù)中心的設備是通過電網(wǎng)阻抗對其他設備形成干擾的，這個過程如下：

（1）各類電力電子設備產(chǎn)生諧波電流；

??（2）諧波電流流過電網(wǎng)阻抗時，產(chǎn)生了諧波電壓；

??（3）諧波電壓對其他設備產(chǎn)生了干擾。

根據(jù)以上機理，我們可以得出以下結論：

??（1）判斷設備是否受到各類電力電子設備諧波電流的影響，需要看諧波電壓畸變率，一般超過5%就會導致設備的誤動作；

??（2）設備距離各類電力電子設備越近，諧波電壓越高，越容易受到各類電力電子設備諧波電流的干擾；

??（3）電源越弱，例如小容量變壓器、發(fā)電機、UPS等，各類電力電子設備的諧波電流干擾越強；

??（4）設備與變壓器之間的電纜越長，設備越容易受到各類電力電子設備諧波電流的干擾。

諧波電流流過電源內(nèi)阻時產(chǎn)生的典型電壓畸變是電壓波形平頂。這種平頂電壓除了對電子設備產(chǎn)生直接干擾外，還對電子設備有隱性的危害和影響，這包括：

??（1）縮短設備壽命

??大部分電子設備的輸入端是開關電源，而開關電源的直流母線電壓由交流電的峰值電壓決定，而不是由有效值決定。每半個周期，平滑電容上的電壓被充電到交流電的峰值電壓，當交流電的峰值過后，由電容放電來維持電子設備的工作，因此直流母線上的電壓會有小的紋波。當交流電發(fā)生平頂時，直流母線的電壓降低，這時開關電源為了維持同樣的功率，吸取更大的電流，這會增加內(nèi)部發(fā)熱。

??（2）降低設備抗電壓跌落性能

??電子設備的一項重要指標是抗電壓跌落特性，也就是，當電壓出現(xiàn)短暫跌落時，設備要能夠保持正常的工作。設備是依靠內(nèi)部電容存儲的能量來實現(xiàn)這個功能的。電容所儲存的能量越大，設備在外部供電缺失的情況下能夠維持的時間越長。對于電容量為C的電容器，它所儲存的能量是UC/2，其中U是電容上的電壓，等于交流電的峰值。

平頂畸變的電壓意味著交流電的電壓峰值降低，反映在電容上就是電容所儲存的能量減少，這時，設備就不能再具有所設計的抗電壓跌落特性了。

??（3）影響電源切換

??設備使用應急電源（其內(nèi)阻較大）會產(chǎn)生更大的諧波電壓畸變率，這時會出現(xiàn)下述問題。當外部供電恢復時，應急電源產(chǎn)生的較高的電壓畸變率會影響供電從應急電源向外部電源切換。因為較高的畸變率會影響應急電源與外部電源的同步，沒有同步，兩個電源不能并聯(lián)起來。為了實現(xiàn)同步，減小負載，幫助電源切換。

4.1解決方案

??數(shù)據(jù)中心行業(yè)從開始的幾百平方米的建設規(guī)模到目前幾萬平方米的大型項目規(guī)模。UPS的設計容量也從開始的幾十KVA增長到幾千甚至幾萬KVA。當幾百KVA UPS的總諧波電流含量為15%時，其諧波電流值也僅為幾十A，相對于整個建筑的幾千A 總用電電流，影響微不足道。但一旦UPS容量變大，就是另外一種情況。因為現(xiàn)在大多數(shù)大型數(shù)據(jù)中心都是獨立建筑，整個建筑的主要用電負荷就是UPS。相比UPS 容量，其余動力照明的負荷連一半也不到。比如 2010 年蘇州的一個數(shù)據(jù)中心項目UPS的設計容量就達到2萬KVA。假設總諧波電流含量按照15%來計算，則滿載時總諧波電流達到1825A。這是非常糟糕的數(shù)值，如不對其治理，對電網(wǎng)側的干擾會非常明顯，且加大配電容量以及導致線纜發(fā)熱、零線帶電等一系列嚴重后果。

??傳統(tǒng)的諧波保護解決方案只是從單一的設備入手，針對狹窄的諧波頻率，無法從根本上解決問題。為解決這一問題，安科瑞結合數(shù)據(jù)中心的實際情況，提出電能質(zhì)量監(jiān)測和治理的系統(tǒng)解決方案，該方案為數(shù)據(jù)中心提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價值。

4.2方案特點

??（1）電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)即可通過本地設備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設備運維等功能，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；

??（2）符合GB/T17626.30-2012中的準確度測量方法，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）對電網(wǎng)電能質(zhì)量高精度的實時監(jiān)控，包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動、閃變、三相電壓不平衡等。同時可對故障事件進行記錄，對監(jiān)測點負荷曲線及電壓電流、電壓偏差、不平衡度、閃變等進行趨勢分析，用戶可以通過系統(tǒng)查看發(fā)生告警的事件波形、趨勢分析，亦可根據(jù)監(jiān)測點的電能質(zhì)量情況統(tǒng)計分析生成電能質(zhì)量診斷報告。

??（2）通過集中補償+就地補償?shù)闹卫聿呗?，更好的補償整個數(shù)據(jù)中心的無功和諧波，提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)系統(tǒng)電能質(zhì)量、用電設備供電效率，大幅度降低設備故障率，達到數(shù)據(jù)中心內(nèi)自動化設備對電源質(zhì)量的要求，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問題。

??（3）系統(tǒng)提供多維度的用電指標統(tǒng)計與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運行管理優(yōu)化和節(jié)能損耗提供指導。

5.1集中治理

??采用配電房集中治理的方式，可針對數(shù)據(jù)中心行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到眾多數(shù)據(jù)機房中計算機、空調(diào)等電器設備產(chǎn)生的諧波問題對電網(wǎng)側的危害和影響，同時確保無功功率因數(shù)達到國標要求值，避免罰款，同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表2。

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

??數(shù)據(jù)中心行業(yè)由于UPS下端的設備較多，變頻設備大量使用等原因，運行過程中不可避免的在配電末端產(chǎn)生電流畸變率40%-50%的諧波污染。同時數(shù)據(jù)中心行業(yè)在數(shù)據(jù)機房大量安裝節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器，一般來說，節(jié)能燈主要產(chǎn)生3次諧波，3次諧波由于各相的相位一致，因此會在中性線上疊加，導致正常情況下沒有電流流過的N線電流過大，引起火災。

??針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質(zhì)量補償設備進行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統(tǒng)和其他用電設備。

表5 就地治理的產(chǎn)品選型

6.1項目背景

??上海某銀行數(shù)據(jù)中心包括大型數(shù)據(jù)機房，對電能質(zhì)量要求非常高;為了提高供電可靠度，采用大量 UPS作為設備電源，機房內(nèi)還包含空調(diào)設備、照明設備等。此類電力電子設備皆屬于非線性負載，在使用過程中會產(chǎn)生大量諧波并注入系統(tǒng)中，主要以5次、7次為主;如果不進行諧波治理，對電網(wǎng)造成嚴重的污染，也影響機房中其他敏感設備，比如導致通信數(shù)據(jù)傳輸錯誤，甚至癱瘓、中斷，降低了配電系統(tǒng)的安全性、可靠性。表4、5展示了該數(shù)據(jù)中心主要負載參數(shù)以及諧波估算值。

6.2治理方案

??根據(jù)以往測量經(jīng)驗進行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性負載產(chǎn)生，供電系統(tǒng)由2臺800kVA變壓器及其一臺800kW發(fā)電機組成，采用集中治理+就地治理的方案。

??集中治理：該銀行數(shù)據(jù)中心的大型數(shù)據(jù)機房較多，計算機類設備的分布很廣，因此在每臺變壓器下加裝300A有源諧波治理系統(tǒng)裝置，由兩臺150A模塊并機實現(xiàn)，型號為AnSin-300-M Ⅰ型，自動跟蹤補償負載產(chǎn)生的諧波電流，保證供電系統(tǒng)安全可靠運行。

??就地治理：因為UPS是該中心惡性的負載，因此需要在配電末端對其產(chǎn)生的諧波電流進行治理，避免干擾其他用電設備，因此在使用UPS的配電間安裝壁掛式的AnSin-300-B Ⅰ型有源濾波治理系統(tǒng)，就地治理UPS產(chǎn)生的諧波污染。

圖1 數(shù)據(jù)中心

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

??就目前市場而言，諧波治理產(chǎn)品種類繁多，但更多的為單一產(chǎn)品，這些產(chǎn)品無法滿足數(shù)據(jù)中心所需要的治理效果。因此，安科瑞為數(shù)據(jù)中心行業(yè)提供了一套完整的電能治理監(jiān)測與治理的系統(tǒng)解決方案，使數(shù)據(jù)中心的電能質(zhì)量問題得到了有效的治理。從成本、性能、可靠性等角度綜合考慮，該方法具有較高的性價比。

[1]企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6.

[2]程浩忠.電能質(zhì)量概論[M].北京:中國電力出版社,2008.

[3]周春冬.淺談變頻器諧波的干擾及防治措施[J].黑龍江科技信息,2009(1).

[4]劉興綱.通信機房電力諧波分析及改造[J].電源技術,2009(8).

[5]姜齊榮,趙東元,陳建業(yè).有源電力濾波器[M].北京:科學出版社,2005.

[6]孟偉，馬曉光，張英.對電網(wǎng)諧波治理的探討[J].東北電力技術,2000(10):38-40.