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

摘要：數(shù)據(jù)中心行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中起到了不可替代的作用,但其繁多的非線性電力負(fù)載,如通訊系統(tǒng)、大型計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、變頻空調(diào)、各種數(shù)碼辦公設(shè)備、燈光調(diào)控系統(tǒng)、UPS、監(jiān)控系統(tǒng)等給其供電系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波干擾,對(duì)大型數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行安全造成了較大的威脅,為此我們分析研究了其諧波產(chǎn)生的根源及諧波的類型和數(shù)值,結(jié)合實(shí)例采用了系統(tǒng)的諧波監(jiān)測(cè)與治理整體設(shè)計(jì)方案,取得了良好的效果,解決了數(shù)據(jù)中心行業(yè)的諧波污染問題。

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

數(shù)據(jù)中心行業(yè)中使用了大量的現(xiàn)代化用電設(shè)備和裝置，如信用卡終端設(shè)備、通訊系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、各種數(shù)碼辦公設(shè)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(fù)載，給其供電系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波干擾。惡劣的諧波環(huán)境對(duì)保證系統(tǒng)和設(shè)備的安全正常運(yùn)行造成了很大的威脅，諸如：程序運(yùn)行錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、時(shí)間錯(cuò)誤、死機(jī)、無故重新啟動(dòng)，甚至造成用電設(shè)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(guān)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(biāo)。明確指出了要建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的和諧社會(huì)。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號(hào)召，大型數(shù)據(jù)中心對(duì)各項(xiàng)節(jié)能指標(biāo)有嚴(yán)格的要求，但由于其使用了大量變頻節(jié)能設(shè)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(guān)規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)載確定電力變壓器額定容量時(shí)，考慮諧波畸變而留有裕量；為易受干擾設(shè)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(duì)這樣的背景本文詳細(xì)介紹了大型數(shù)據(jù)中心分層分布式諧波治理的方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施及效果分析。

1.數(shù)據(jù)中心行業(yè)的電能質(zhì)量問題來源分析

數(shù)據(jù)中心行業(yè)設(shè)備的諧波電流是由各類電力電子設(shè)備整流器輸入電路導(dǎo)致的。因?yàn)楦黝愲娏﹄娮釉O(shè)備輸入端的整流電路的阻抗不是一個(gè)定值，其阻抗隨著外加電壓的變化發(fā)生變化，這就導(dǎo)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(shè)備有以下幾種：

1.1變頻設(shè)備

數(shù)據(jù)中心行業(yè)使用了大量變頻節(jié)能設(shè)備，如：變頻空調(diào)、變頻電梯、變頻水泵等。變頻類設(shè)備內(nèi)部工作基本均為整流逆變過程，因此會(huì)產(chǎn)生諧波。所產(chǎn)生的諧波種類與整流器脈數(shù)有關(guān)，具體關(guān)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(duì)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(duì)于重要機(jī)房的供電穩(wěn)定性要求很高，因此常常要應(yīng)用UPS不間斷電源。UPS電源的工作原理與變頻設(shè)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(zhuǎn)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(shí)由于非線性負(fù)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。

2.數(shù)據(jù)中心行業(yè)的諧波特點(diǎn)

供電系統(tǒng)中諧波可分為電網(wǎng)側(cè)諧波和負(fù)載側(cè)諧波。

2.1電網(wǎng)側(cè)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(duì)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(fù)載側(cè)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(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生危害，造成工作質(zhì)量下降、死機(jī)、損壞、壽命下降等。

大型數(shù)據(jù)中心的諧波又有其特點(diǎn)：

（1）存在集中的諧波源，諧波的分布較密集；

（2）UPS下端的設(shè)備較多，大型數(shù)據(jù)機(jī)房較多，計(jì)算機(jī)類設(shè)備的分布很廣，需要對(duì)諧波進(jìn)行治理；

（3）諧波畸變率很高，一般高達(dá)40%~50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)。

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(fù)載參數(shù)以及諧波估算值。

表2數(shù)據(jù)中心主要負(fù)載參數(shù)

表3 數(shù)據(jù)中心主要負(fù)載諧波估算表

3.數(shù)據(jù)中心行業(yè)的諧波危害

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

（1）各類電力電子設(shè)備產(chǎn)生諧波電流；

（2）諧波電流流過電網(wǎng)阻抗時(shí)，產(chǎn)生了諧波電壓；

（3）諧波電壓對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生了干擾。

根據(jù)以上機(jī)理，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）判斷設(shè)備是否受到各類電力電子設(shè)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(huì)導(dǎo)致設(shè)備的誤動(dòng)作；

（2）設(shè)備距離各類電力電子設(shè)備越近，諧波電壓越高，越容易受到各類電力電子設(shè)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(jī)、UPS等，各類電力電子設(shè)備的諧波電流干擾越強(qiáng)；

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

諧波電流流過電源內(nèi)阻時(shí)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(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生直接干擾外，還對(duì)電子設(shè)備有隱性的危害和影響，這包括：

（1）縮短設(shè)備壽命

大部分電子設(shè)備的輸入端是開關(guān)電源，而開關(guān)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(gè)周期，平滑電容上的電壓被充電到交流電的峰值電壓，當(dāng)交流電的峰值過后，由電容放電來維持電子設(shè)備的工作，因此直流母線上的電壓會(huì)有小的紋波。當(dāng)交流電發(fā)生平頂時(shí)，直流母線的電壓降低，這時(shí)開關(guān)電源為了維持同樣的功率，吸取更大的電流，這會(huì)增加內(nèi)部發(fā)熱。

（2）降低設(shè)備抗電壓跌落性能

電子設(shè)備的一項(xiàng)重要指標(biāo)是抗電壓跌落特性，也就是，當(dāng)電壓出現(xiàn)短暫跌落時(shí)，設(shè)備要能夠保持正常的工作。設(shè)備是依靠內(nèi)部電容存儲(chǔ)的能量來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的。電容所儲(chǔ)存的能量越大，設(shè)備在外部供電缺失的情況下能夠維持的時(shí)間越長。對(duì)于電容量為C的電容器，它所儲(chǔ)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(chǔ)存的能量減少，這時(shí)，設(shè)備就不能再具有所設(shè)計(jì)的抗電壓跌落特性了。

（3）影響電源切換

設(shè)備使用應(yīng)急電源（其內(nèi)阻較大）會(huì)產(chǎn)生更大的諧波電壓畸變率，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)下述問題。當(dāng)外部供電恢復(fù)時(shí)，應(yīng)急電源產(chǎn)生的較高的電壓畸變率會(huì)影響供電從應(yīng)急電源向外部電源切換。因?yàn)檩^高的畸變率會(huì)影響應(yīng)急電源與外部電源的同步，沒有同步，兩個(gè)電源不能并聯(lián)起來。為了實(shí)現(xiàn)同步，減小負(fù)載，幫助電源切換。

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

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(shè)規(guī)模到目前幾萬平方米的大型項(xiàng)目規(guī)模。UPS的設(shè)計(jì)容量也從開始的幾十KVA增長到幾千甚至幾萬KVA。當(dāng)幾百KVA UPS的總諧波電流含量為15%時(shí)，其諧波電流值也僅為幾十A，相對(duì)于整個(gè)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?yàn)楝F(xiàn)在大多數(shù)大型數(shù)據(jù)中心都是獨(dú)立建筑，整個(gè)建筑的主要用電負(fù)荷就是UPS。相比UPS 容量，其余動(dòng)力照明的負(fù)荷連一半也不到。比如 2010 年蘇州的一個(gè)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目UPS的設(shè)計(jì)容量就達(dá)到2萬KVA。假設(shè)總諧波電流含量按照15%來計(jì)算，則滿載時(shí)總諧波電流達(dá)到1825A。這是非常糟糕的數(shù)值，如不對(duì)其治理，對(duì)電網(wǎng)側(cè)的干擾會(huì)非常明顯，且加大配電容量以及導(dǎo)致線纜發(fā)熱、零線帶電等一系列嚴(yán)重后果。

傳統(tǒng)的諧波保護(hù)解決方案只是從單一的設(shè)備入手，針對(duì)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(jié)合數(shù)據(jù)中心的實(shí)際情況，提出電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(wù)等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

4.2方案特點(diǎn)

（1）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)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(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；

（2）符合GB/T17626.30-2012中A級(jí)準(zhǔn)確度測(cè)量方法，適用于要求準(zhǔn)確測(cè)量電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的場(chǎng)合；

（3）專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高、測(cè)得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

（4）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理裝置信息互聯(lián)，通過統(tǒng)一平臺(tái)管理，方便用戶同時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)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(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)、閃變、三相電壓不平衡等。同時(shí)可對(duì)故障事件進(jìn)行記錄，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)負(fù)荷曲線及電壓電流、電壓偏差、不平衡度、閃變等進(jìn)行趨勢(shì)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(shì)分析，亦可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量情況統(tǒng)計(jì)分析生成電能質(zhì)量診斷報(bào)告。

（2）通過集中補(bǔ)償+就地補(bǔ)償?shù)闹卫聿呗?，更好的補(bǔ)償整個(gè)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(shè)備供電效率，大幅度降低設(shè)備故障率，達(dá)到數(shù)據(jù)中心內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備對(duì)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(biāo)統(tǒng)計(jì)與電能數(shù)據(jù)分析工具，為配電系統(tǒng)運(yùn)行管理優(yōu)化和節(jié)能損耗提供指導(dǎo)。

5.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理產(chǎn)品選型

5.1集中治理

采用配電房集中治理的方式，可針對(duì)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(jī)房中計(jì)算機(jī)、空調(diào)等電器設(shè)備產(chǎn)生的諧波問題對(duì)電網(wǎng)側(cè)的危害和影響，同時(shí)確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款，同時(shí)也可對(duì)整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)，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(cè)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(cè)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(shè)備較多，變頻設(shè)備大量使用等原因，運(yùn)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(shí)數(shù)據(jù)中心行業(yè)在數(shù)據(jù)機(jī)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(huì)在中性線上疊加，導(dǎo)致正常情況下沒有電流流過的N線電流過大，引起火災(zāi)。

針對(duì)以上負(fù)載情況，建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理，達(dá)到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。

表5 就地治理的產(chǎn)品選型

6.上海某銀行數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目電能質(zhì)量治理項(xiàng)目案例

6.1項(xiàng)目背景

上海某銀行數(shù)據(jù)中心包括大型數(shù)據(jù)機(jī)房，對(duì)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(shè)備電源，機(jī)房內(nèi)還包含空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備等。此類電力電子設(shè)備皆屬于非線性負(fù)載，在使用過程中會(huì)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(jìn)行諧波治理，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染，也影響機(jī)房中其他敏感設(shè)備，比如導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)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(fù)載參數(shù)以及諧波估算值。

6.2治理方案

根據(jù)以往測(cè)量經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行諧波分析與估算，諧波主要由UPS和一些非線性負(fù)載產(chǎn)生，供電系統(tǒng)由2臺(tái)800kVA變壓器及其一臺(tái)800kW發(fā)電機(jī)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(jī)房較多，計(jì)算機(jī)類設(shè)備的分布很廣，因此在每臺(tái)變壓器下加裝300A有源諧波治理系統(tǒng)裝置，由兩臺(tái)150A模塊并機(jī)實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為AnSin-300-M Ⅰ型，自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，保證供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

就地治理：因?yàn)閁PS是該中心惡性的負(fù)載，因此需要在配電末端對(duì)其產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行治理，避免干擾其他用電設(shè)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(duì)前后波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(duì)比

7.結(jié)論

就目前市場(chǎng)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(cè)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(jià)比。

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審核編輯黃昊宇