数据中心行业电能质量监测与治理方案

关键词：数据中心行业；电能质量；谐波干扰；谐波治理；系统解决方案

  数据中心行业中使用了大量的现代化用电设备和装置，如终端设备、通讯系统、计算机、网络控制设备、各种数码办公设备、灯光调控系统、消防系统、监控系统等。繁多的非线性电力负载，给其供电系统带来了严重的谐波干扰。恶劣的谐波环境对保证系统和设备的安全正常运行造成了很大的威胁，诸如：程序运行错误、数据错误、时间错误、死机、无故重新启动，甚至造成用电设备的损坏，给大型的工作造成了难以挽回的巨大损失。因此，大型数据中心的谐波治理已越来越引起人们的关注。

  我国在“十三五"期间提出了国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。明确指出了要建设资源节约型、环境友好型的和谐社会。为了响应国家节能减排的号召，大型数据中心对各项节能指标有严格的要求，但由于其使用了大量变频节能设备，使得现代化数据中心的谐波畸变率往往很高，超出国家相关规定与标准。在消除大型数据中心系统谐波危害方面，以往只是采取一些防范措施，如根据负载确定电力变压器额定容量时，考虑谐波畸变而留有裕量；为易受干扰设备加装线路滤波器等，但这些都无法从根本上消除谐波危害。针对这样的背景本文详细介绍了大型数据中心分层分布式谐波治理的方案设计、方案实施及效果分析。

  数据中心行业设备的谐波电流是由各类电力电子设备整流器输入电路导致的。因为各类电力电子设备输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。其中主要的整流设备有以下几种：

1.1变频设备

  数据中心行业使用了大量变频节能设备，如：变频空调、变频电梯、变频水泵等。变频类设备内部工作基本均为整流逆变过程，因此会产生谐波。所产生的谐波种类与整流器脉数有关，具体关系如下：

式中，M为整流器产生的谐波次数，P为整流器的脉冲数，n为自然数。例如，对于3相6脉冲整流电路，谐波有5次、7次、11次和13次等。

1.2 UPS电源

  大型数据中心对于重要机房的供电稳定性要求很高，因此常常要应用UPS不间断电源。UPS电源的工作原理与变频设备近似，因此产生谐波的方式和种类也较为相似。一般来说，6脉冲的UPS主要产生5、7次谐波，12脉冲的UPS主要产生11、13次谐波[3]。

1.3 LED节能灯

  节能灯电子镇流器将50Hz电源转换成大约38kHz的高频，因此它将电灯闪烁降低到感受不到的水平。高频电子镇流器工作时由于非线性负载使得电流波形不是正弦波而产生谐波。一般来说，节能灯主要产生3次谐波。

  供电系统中谐波可分为电网侧谐波和负载侧谐波。

2.1电网侧谐波

  又称低频谐波，通常是指40次以下的谐波，尤以3、5、7、9等次谐波为代表，主要对供电系统产生危害，造成电网供电效率下降，电容器发热甚至烧毁等。

2.2负载侧谐波

  又称高频谐波，通常是指40次以上的谐波，频率通常在2kHz以上，主要对用电设备产生危害，造成工作质量下降、死机、损坏、寿命下降等。

大型数据中心的谐波又有其特点：

  （1）存在集中的谐波源，谐波的分布较密集；

  （2）UPS下端的设备较多，大型数据机房较多，计算机类设备的分布很广，需要对谐波进行治理；

  （3）谐波畸变率很高，一般高达40%~50%，远远高于国家标准。

表1为谐波的分类比较与治理。

 

表1谐波的分类

 

表2和表3列举了数据中心的主要负载参数以及谐波估算值。

 

表2数据中心主要负载参数

 

 

表3 数据中心主要负载谐波估算表

大型数据中心的设备是通过电网阻抗对其他设备形成干扰的，这个过程如下：

       （1）各类电力电子设备产生谐波电流；

  （2）谐波电流流过电网阻抗时，产生了谐波电压；

  （3）谐波电压对其他设备产生了干扰。

根据以上机理，我们可以得出以下结论：

  （1）判断设备是否受到各类电力电子设备谐波电流的影响，需要看谐波电压畸变率，一般超过5%就会导致设备的误动作；

  （2）设备距离各类电力电子设备越近，谐波电压越高，越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰；

  （3）电源越弱，例如小容量变压器、发电机、UPS等，各类电力电子设备的谐波电流干扰越强；

  （4）设备与变压器之间的电缆越长，设备越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰。

谐波电流流过电源内阻时产生的典型电压畸变是电压波形平顶。这种平顶电压除了对电子设备产生直接干扰外，还对电子设备有隐性的危害和影响，这包括：

  （1）缩短设备寿命

  大部分电子设备的输入端是开关电源，而开关电源的直流母线电压由交流电的峰值电压决定，而不是由有效值决定。每半个周期，平滑电容上的电压被充电到交流电的峰值电压，当交流电的峰值过后，由电容放电来维持电子设备的工作，因此直流母线上的电压会有小的纹波。当交流电发生平顶时，直流母线的电压降低，这时开关电源为了维持同样的功率，吸取更大的电流，这会增加内部发热。

  （2）降低设备抗电压跌落性能

  电子设备的一项重要指标是抗电压跌落特性，也就是，当电压出现短暂跌落时，设备要能够保持正常的工作。设备是依靠内部电容存储的能量来实现这个功能的。电容所储存的能量越大，设备在外部供电缺失的情况下能够维持的时间越长。对于电容量为C的电容器，它所储存的能量是UC/2，其中U是电容上的电压，等于交流电的峰值。

平顶畸变的电压意味着交流电的电压峰值降低，反映在电容上就是电容所储存的能量减少，这时，设备就不能再具有所设计的抗电压跌落特性了。

  （3）影响电源切换

  设备使用应急电源（其内阻较大）会产生更大的谐波电压畸变率，这时会出现下述问题。当外部供电恢复时，应急电源产生的较高的电压畸变率会影响供电从应急电源向外部电源切换。因为较高的畸变率会影响应急电源与外部电源的同步，没有同步，两个电源不能并联起来。为了实现同步，减小负载，帮助电源切换。

4.1解决方案

  数据中心行业从开始的几百平方米的建设规模到目前几万平方米的大型项目规模。UPS的设计容量也从开始的几十KVA增长到几千甚至几万KVA。当几百KVA UPS的总谐波电流含量为15%时，其谐波电流值也仅为几十A，相对于整个建筑的几千A 总用电电流，影响微不足道。但一旦UPS容量变大，就是另外一种情况。因为现在大多数大型数据中心都是独立建筑，整个建筑的主要用电负荷就是UPS。相比UPS 容量，其余动力照明的负荷连一半也不到。比如 2010 年苏州的一个数据中心项目UPS的设计容量就达到2万KVA。假设总谐波电流含量按照15%来计算，则满载时总谐波电流达到1825A。这是非常糟糕的数值，如不对其治理，对电网侧的干扰会非常明显，且加大配电容量以及导致线缆发热、零线带电等一系列严重后果。

  传统的谐波保护解决方案只是从单一的设备入手，针对狭窄的谐波频率，无法从根本上解决问题。为解决这一问题，安科瑞结合数据中心的实际情况，提出电能质量监测和治理的系统解决方案，该方案为数据中心提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。

4.2方案特点

  （1）电能质量监测与治理系统即可通过本地设备为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能，亦可通过接入AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理平台，为用户提供远程在线服务；

  （2）符合GB/T17626.30-2012中准确度测量方法，适用于要求准确测量电能质量指标参数的场合；

  （3）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；

  （4）电能质量监测与治理装置信息互联，通过统一平台管理，方便用户同时监测电网电能质量以及治理数据；

  （5）采用三电平电力电子驱动器件，通过更多的电平输出更高品质的治理波形。

 

4.3方案效果

  （1）对电网电能质量高精度的实时监控，包括电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动、闪变、三相电压不平衡等。同时可对故障事件进行记录，对监测点负荷曲线及电压电流、电压偏差、不平衡度、闪变等进行趋势分析，用户可以通过系统查看发生告警的事件波形、趋势分析，亦可根据监测点的电能质量情况统计分析生成电能质量诊断报告。

  （2）通过集中补偿+就地补偿的治理策略，更好的补偿整个数据中心的无功和谐波，提高数据中心内系统电能质量、用电设备供电效率，大幅度降低设备故障率，达到数据中心内自动化设备对电源质量的要求，可有效解决谐波的干扰及误跳闸问题。

  （3）系统提供多维度的用电指标统计与电能数据分析工具，为配电系统运行管理优化和节能损耗提供指导。

5.1集中治理

  采用配电房集中治理的方式，可针对数据中心行业配电系统中涉及到众多数据机房中计算机、空调等电器设备产生的谐波问题对电网侧的危害和影响，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表2。

 

 

表4电能质量监测及集中治理产品选型表

 

5.2就地治理

  数据中心行业由于UPS下端的设备较多，变频设备大量使用等原因，运行过程中不可避免的在配电末端产生电流畸变率40%-50%的谐波污染。同时数据中心行业在数据机房大量安装节能灯电子镇流器，一般来说，节能灯主要产生3次谐波，3次谐波由于各相的相位一致，因此会在中性线上叠加，导致正常情况下没有电流流过的N线电流过大，引起火灾。

  针对以上负载情况，建议在各重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备。

表5 就地治理的产品选型

6.1项目背景

  上海某银行数据中心包括大型数据机房，对电能质量要求非常高;为了提高供电可靠度，采用大量 UPS作为设备电源，机房内还包含空调设备、照明设备等。此类电力电子设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中，主要以5次、7次为主;如果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响机房中其他敏感设备，比如导致通信数据传输错误，甚至瘫痪、中断，降低了配电系统的安全性、可靠性。表4、5展示了该数据中心主要负载参数以及谐波估算值。

 

6.2治理方案

  根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由UPS和一些非线性负载产生，供电系统由2台800kVA变压器及其一台800kW发电机组成，采用集中治理+就地治理的方案。

  集中治理：该银行数据中心的大型数据机房较多，计算机类设备的分布很广，因此在每台变压器下加装300A有源谐波治理系统装置，由两台150A模块并机实现，型号为AnSin-300-M Ⅰ型，自动跟踪补偿负载产生的谐波电流，保证供电系统安全可靠运行。

  就地治理：因为UPS是该中心恶性的负载，因此需要在配电末端对其产生的谐波电流进行治理，避免干扰其他用电设备，因此在使用UPS的配电间安装壁挂式的AnSin-300-B Ⅰ型有源滤波治理系统，就地治理UPS产生的谐波污染。

图1 数据中心

 

6.3治理效果

  选取该中心UPS出线端对前后波形数据进行对比，通过装设AnSin-300-B Ⅰ型有源滤波治理系统后，电压畸变率从6.32%降值2.05%，电流畸变率从28.94%降值5.67%，提升了电网波形质量，具体效果及参数如下表所示。

 

 

 

表6 治理前后波形数据对比

  就目前市场而言，谐波治理产品种类繁多，但更多的为单一产品，这些产品无法满足数据中心所需要的治理效果。因此，安科瑞为数据中心行业提供了一套完整的电能治理监测与治理的系统解决方案，使数据中心的电能质量问题得到了有效的治理。从成本、性能、可靠性等角度综合考虑，该方法具有较高的性价比。

[1]企业微电网设计与应用手册.2020.6.

[2]程浩忠.电能质量概论[M].北京:中国电力出版社,2008.

[3]周春冬.浅谈变频器谐波的干扰及防治措施[J].黑龙江科技信息,2009(1).

[4]刘兴纲.通信机房电力谐波分析及改造[J].电源技术,2009(8).

[5]姜齐荣,赵东元,陈建业.有源电力滤波器[M].北京:科学出版社,2005.

[6]孟伟，马晓光，张英.对电网谐波治理的探讨[J].东北电力技术,2000(10):38-40.