大型数据中心谐波污染的分布式治理-专业论文-自动化应用案例

大型数据中心谐波污染的分布式治理

发布日期：2018-11-14 来源：《智慧工厂》9期作者：龚晨卿浏览次数：22528

分享到：

【摘　要】：针对于大型数据中心大量非线性设备对系统产生的谐波危害，本文提出一种分布式有源前端治理设备，旨在从根本上消除谐波危害。通过与集中式谐波治理方案相对比，证明本文提出的分布式有源前端治理设备在抑制电流谐波畸变率和电压谐波畸变率方面效果显著，可保障数据中心可靠的电能质量，提高谐波治理的灵活性和可靠性，实现配电系统和用电设备的安全稳定运行。

关键词:大型数据中心分布式谐波治理有源前端滤波装置

Abstract: Aiming at the harmonic hazard caused by large number of non-linear equipment in large data center, this paper proposes a distributed active front-end management equipment in order to eliminate the harmonic hazard fundamentally. By comparing with the centralized harmonic treatment scheme, it is proved that the distributed active front-end treatment equipment proposed in this paper is very effective in suppressing the current harmonic distortion rate and voltage harmonic distortion rate, guaranteeing the reliable power quality of the data center, and realizing the flexibility and reliability of harmonic treatment.

Key words: Data center AFE DRIVE Harmonic control

【中图分类号】U223.6+3 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2018）09-0000-00

1 引言

近年来，数据中心已在我国成为一个重要产业，大型数据中心在国民经济中起到了不可替代的作用。过去，人们对谐波源的认知主要集中在大型工业企业比如电厂、钢厂和铝厂等，由于多数大型工厂均集中在某个地区，因此往往将它们作为一个单一的集中谐波源对待[1]。但随着数据中心不断朝着大型化、复杂化和高容量化方向发展，数据中心中使用的现代化用电设备和装置，如信用卡终端设备、通讯系统、计算机、变频空调、变频泵、灯光调控系统、UPS电源等，也在产生大量的谐波电流。这些用电设备单台对公用电网的谐波污染容量易被忽视。但由于设备数量大、分布广，且数据中心设备长期处于工作状态，这些感性、非线性设备产生的大量谐波电流会干扰供电系统、负载及其他临近设备，导致整个数据中心中电压和电流波形的严重失真，从而对设备的安全稳定运行造成极大的威胁，导致计算机重启、主机数据错误和时间错乱等后果，为数据中心带来巨大损失。因此，大型数据中心的谐波治理已经成为谐波污染治理研究的重点。

大型数据中心由于使用了大量的变频设备，使得其谐波畸变率很高，超出了国家相关规定和标准。在消除或者抑制大型数据中心系统谐波危害方面，过去常用的处理方法是在根据负载确定变频器等电力设备的额定容量时，将谐波畸变考虑其中而留有余量，集中处理大量变频设备的谐波问题，以及为易受干扰设备加装线路滤波器等，但这些措施都无法从根本上消除谐波危害。本文详细阐释了分布式治理谐波方案的设计、实施以及效果分析，旨在通过前端治理，从根本上消除谐波危害。

2 数据中心谐波污染分析

2.1 谐波污染来源分析

大型数据中心设备谐波电流来自于各类电力电子设备的整流装置。因为各类电力电子设备输入端的整流电路阻抗不是一个定值，其阻抗随外接电压变化而变化，这导致整流器从电网吸收电流为非正弦波电流。其中最主要的整流设备有以下几种[2]：

(1)变频设备。大型数据中心应用了大量的变频节能设备，如：变频空调、变频电梯、变频水泵等[3]。变频类设备内部工作原理为整流-逆变，整流-逆变-整流等过程，因此会产生谐波。所产生谐波的种类与整流器的脉数有关，具体关系如下式：

(2)UPS电源。大型数据中心对重要机房的供电稳定性要求很高，因此必须接入UPS电源[4]。UPS电源的工作原理和变频器类似，当输入市电正常时，依靠整流可控硅调节对电池充电，同时为GTR或IGBT结构的桥式逆变器供电，逆变器将直流逆变为交流，最优终经过输出变压器的升压及滤波，提供标准正弦波。可控硅整流只能斩掉一部分输入电流，因此其恒定输出电压的代价是将输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值。此时输入斩波即产生谐波污染。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)节能灯。节能灯电子镇流器将50HZ电源转换成38KHZ的高频，从而让人感觉不到电灯的闪烁。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。节能灯主要产生3次谐波。

2.2 大型数据中心谐波特点

供电系统中谐波可分为电力侧谐波和用户侧谐波[4]。

电力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，电容发热甚至烧毁等。

用户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，造成设备工作质量下降、死机、损坏、寿命下降等。表1为谐波的分类比较与治理。

2.3 大数据中心谐波过程

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，主要过程如下：

(1)各类电力电子设备产生谐波电流；

(2)谐波电流流经电网阻抗，产生谐波电压；

(3)谐波电压对其他设备产生干扰。

2.4 大数据中心谐波危害

谐波电流流经电源内阻时产生的典型电压畸变是电压波形平顶[4]，这种平顶电压除了对电子设备产生直接的干扰之外，还对电子设备有隐性危害和影响，包括：

(1)缩短设备寿命。大部分电子设备输入端是开关电源，开关电源直流母线电压耐压由交流电峰值电压决定，而不是有效值决定。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功率，必须吸收更大电流，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时间越长。对于电容量为C的电容器，其储能能量为UC/2，其中U是电容电压，等于交流电峰值。

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，设备就达不到设计的抗跌落特性了。

(3)影响电源切换。设备使用应急电源(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的同步，没有同步两个电源不能并联。为了实现同步，必须减小负载，帮助电源切换。

3 分布式有源滤波系统

随着数据中心的不断发展，将谐波源作为一个单一、集中的对象加以研究的方式已经越来越脱离实际，通过滤波器治理谐波的效果不理想，甚至可能会加重谐波污染。所以，对变频器进行配置时，应该考虑到谐波源的分布特性，以此为基础进行谐波治理的分析研究[5]，找到合理的变频设备配置方案和控制方式。

如果采用一个有源滤波装置安放于图1中a点来治理谐波，而将a点之后所有非线性负载作为一个整体对待，经研究表明，这种通过一个有源滤波装置来治理谐波的方式并不能很好地抑制整条线路的谐波畸变问题，在a点之后，线路的某些地方还可能出现谐波增大的情况。为了使整条线路的谐波都能得到控制，理论上可以采用在各个谐波源处都安装有源滤波装置来加以实现，但是这种方式投资巨大，经济上不可行，而且由于滤波器数量众多，各个滤波器间的相互影响也可能使治理谐波的效果不理想。

鉴于以上原因，本文提出了分布式有源滤波系统的概念。分布式有源滤波系统是基于多个单独的有源滤波设备，通过它们在电网上的合理布置和协作以达到治理谐波的目的。与使用单个有源滤波器相比能够更好地抑制谐波，同时，分布式有源滤波系统以尽可能少的有源滤波器来有效治理谐波，可满足技术和经济上的要求，具有广泛的应用前景和工程实用价值。

4 分布式变频器谐波治理方案及仿真分析

为了有效解决数据中心使用变频器等设备造成的谐波污染，本文设计了一种集成有源前端变频器设备(Active Filter Equipment，AFE)，实现对设备产生谐波的就近消纳，通过采用有源前端分布式谐波治理方式，可使系统的谐波含量远远低于IEEE标准。以下对于某数据中心进行建模仿真分析，并与集中式谐波治理装置(Centralized Harmonic Equipment，CHE)的治理效果进行对比，从而验证本设备谐波治理的有效性。

某用户的数据中心的冷水机组采用2用1备的方案，电机功率为500KW, Utilitiy变压器容量为10MVA，用户变压器容量为2500KVA，变比为10KV/0.4KV；用户侧真正运行的非线性负载2台500KW变频器；如图2所示。

4.1 仿真方案对比

本文搭建了一套验证谐波抑制效果仿真模型，Utilitiy变压器容量为10MVA，用户变压器容量为2500KVA，变比为10KV/0.4KV；根据IEEE519的要求，设置PCC1,PCC2,PCC3三个测点，检测各个测点电压电流波形特征。本文仿真采用了3个方案对比：

（1）分布式有源前端变频器治理方案(AFE)：集成有源前端变频器直接接入负载侧，

不再接入其他谐波治理设备。

（2）集中式谐波治理方案(CHE)于PCC2处增加有源滤波装置，

（3）不做任何谐波处理方案(No Filter，NF)进行比较。

经过仿真后，得到谐波数据如表2、表3、表4所示，并以图3、图4、图5显示各自的奇次谐波电压电流波形图。

4.2 仿真结果分析

分析仿真数据结果可知，在不加任何谐波处理装置的情况下，系统谐波已经超过IEEE谐波要求，故对于大型数据中心，加装谐波抑制装置是必要的。比较集中式谐波治理装置和分布式有源前端变频器方案，均能满足IEEE要求，本文设计的分布式有源前端变频器在电流谐波抑制方面效果非常显著，由5%降低至1.8%，同时电压波形畸变率也控制在较好的水平，能够完全符合大型数据中心谐波抑制要求。