淺談電能質量監測與治理在數據中心行業的應用
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易允恒
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：數據中心行業在國民經濟中起到了不可替代的作用,但其繁多的非線性電力負載,如通訊系統、大型計算機、網絡控制設備、變頻空調、各種數碼辦公設備、燈光調控系統、UPS、監控系統等給其供電系統帶來了嚴重的諧波干擾,對大型數據中心的運行安全造成了較大的威脅,為此我們分析研究了其諧波產生的根源及諧波的類型和數值,結合實例采用了系統的諧波監測與治理整體設計方案,取得了良好的效果,解決了數據中心行業的諧波污染問題。
關鍵詞：數據中心行業；電能質量；諧波干擾；諧波治理；系統解決方案
0.引言
數據中心行業中使用了大量的現代化用電設備和裝置，如信用卡終端設備、通訊系統、計算機、網絡控制設備、各種數碼辦公設備、燈光調控系統、消防系統、監控系統等。繁多的非線性電力負載，給其供電系統帶來了嚴重的諧波干擾。惡劣的諧波環境對保證系統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、數據錯誤、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，大型數據中心的諧波治理已越來越引起人們的關注。
我國在“十三五”期間提出了國內生產總值能耗降低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約型、環境友好型的和諧社會。為了響應國家節能減排的號召，大型數據中心對各項節能指標有嚴格的要求，但由于其使用了大量變頻節能設備，使得現代化數據中心的諧波畸變率往往很高，超出國家相關規定與標準。在消除大型數據中心系統諧波危害方面，以往只是采取一些防范措施，如根據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據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。
1.數據中心行業的電能質量問題來源分析
數據中心行業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生變化，這就導致整流器從電網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
數據中心行業使用了大量變頻節能設備，如：變頻空調、變頻電梯、變頻水泵等。變頻類設備內部工作基本均為整流逆變過程，因此會產生諧波。所產生的諧波種類與整流器脈數有關，具體關系如下：
式中，M為整流器產生的諧波次數，P為整流器的脈沖數，n為自然數。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
大型數據中心對于重要機房的供電穩定性要求很高，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主要產生5、7次諧波，12脈沖的UPS主要產生11、13次諧波[3]。
1.3 LED節能燈
節能燈電子鎮流器將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生諧波。一般來說，節能燈主要產生3次諧波。
2.數據中心行業的諧波特點
供電系統中諧波可分為電網側諧波和負載側諧波。
2.1電網側諧波
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，主要對供電系統產生危害，造成電網供電效率下降，電容器發熱甚至燒毀等。
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，主要對用電設備產生危害，造成工作質量下降、死機、損壞、壽命下降等。
大型數據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，大型數據機房較多，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列舉了數據中心的主要負載參數以及諧波估算值。
表2數據中心主要負載參數
表3 數據中心主要負載諧波估算表
3.數據中心行業的諧波危害
大型數據中心的設備是通過電網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生諧波電流；
（2）諧波電流流過電網阻抗時，產生了諧波電壓；
（3）諧波電壓對其他設備產生了干擾。
根據以上機理，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阻時產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，吸取大的電流，這會增加內部發熱。
（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，當電壓出現短暫跌落時，設備要能夠保持正常的工作。設備是依靠內部電容存儲的能量來實現這個功能的。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（其內阻較大）會產生大的諧波電壓畸變率，這時會出現下述問題。當外部供電恢復時，應急電源產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，兩個電源不能并聯起來。為了實現同步，減小負載，幫助電源切換。
4.數據中心行業的電能質量監測和治理解決方案
4.1解決方案
數據中心行業從開始的幾百平方米的建設規模到目前幾萬平方米的大型項目規模。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。因為現在大多數大型數據中心都是建筑，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 年蘇州的一個數據中心項目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。這是非常糟糕的數值，如不對其治理，對電網側的干擾會非常明顯，且加大配電容量以及導致線纜發熱、零線帶電等一系列嚴重后果。
傳統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，安科瑞結合數據中心的實際情況，提出電能質量監測和治理的系統解決方案，該方案為數據中心提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足用戶的需要，為用戶創造價值。
4.2方案特點
（1）電能質量監測與治理系統即可通過本地設備為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-IDC數據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A級準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質量指標參數的場合；
（3）專業化的電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；
（4）電能質量監測與治理裝置信息互聯，通過統一平臺管理，方便用戶同時監測電網電能質量以及治理數據；
（5）采用三電平電力電子驅動器件，通過多的電平輸出高品質的治理波形。
4.3方案效果
（1）對電網電能質量的實時監控，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，用戶可以通過系統查看發生告警的事件波形、趨勢分析，亦可根據監測點的電能質量情況統計分析生成電能質量診斷報告。
（2）通過集中補償+就地補償的治理策略，好的補償整個數據中心的無功和諧波，提高數據中心內系統電能質量、用電設備供電效率，大幅度降低設備故障率，達到數據中心內自動化設備對電源質量的要求，可有效解決諧波的干擾及誤跳閘問題。
（3）系統提供多維度的用電指標統計與電能數據分析工具，為配電系統運行管理優化和節能損耗提供指導。
5.安科瑞電能質量監測與治理產品選型
5.1集中治理
采用配電房集中治理的方式，可針對數據中心行業配電系統中涉及到眾多數據機房中計算機、空調等電器設備產生的諧波問題對電網側的危害和影響，同時確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款，同時也可對整個低壓供配電系統進行電能質量在線監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監測等，其集中治理的產品選型見表2。
表4電能質量監測及集中治理產品選型表
5.2就地治理
數據中心行業由于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生電流畸變率40%-50%的諧波污染。同時數據中心行業在數據機房大量安裝節能燈電子鎮流器，一般來說，節能燈主要產生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和其他用電設備。
表5 就地治理的產品選型
6.上海某銀行數據中心項目電能質量治理項目案例
6.1項目背景
上海某銀行數據中心包括大型數據機房，對電能質量要求非常高;為了提高供電可靠度，采用大量 UPS作為設備電源，機房內還包含空調設備、照明設備等。此類電力電子設備皆屬于非線性負載，在使用過程中會產生大量諧波并注入系統中，主要以5次、7次為主;如果不進行諧波治理，對電網造成嚴重的污染，也影響機房中其他敏感設備，比如導致通信數據傳輸錯誤，甚至癱瘓、中斷，降低了配電系統的安全性、可靠性。表4、5展示了該數據中心主要負載參數以及諧波估算值。
6.2治理方案
根據以往測量經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生，供電系統由2臺800kVA變壓器及其一臺800kW發電機組成，采用集中治理+就地治理的方案。
集中治理：該銀行數據中心的大型數據機房較多，計算機類設備的分布很廣，因此在每臺變壓器下加裝300A有源諧波治理系統裝置，由兩臺150A模塊并機實現，型號為AnSin-300-M Ⅰ型，自動跟蹤補償負載產生的諧波電流，保證供電系統安全可靠運行。
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，就地治理UPS產生的諧波污染。
圖1 數據中心
6.3治理效果
選取該中心UPS出線端對前后波形數據進行對比，通過裝設AnSin-300-B Ⅰ型有源濾波治理系統后，電壓畸變率從6.32%降值2.05%，電流畸變率從28.94%降值5.67%，提升了電網波形質量，具體效果及參數如下表所示。
表6 治理前后波形數據對比
7.結論
就目前市場而言，諧波治理產品種類繁多，但多的為單一產品，這些產品無法滿足數據中心所需要的治理效果。因此，安科瑞為數據中心行業提供了一套完整的電能治理監測與治理的系統解決方案，使數據中心的電能質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。
參考文獻
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