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)合實例采用了系統(tǒng)的諧波監(jiān)測與治理整體設(shè)計方案,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,如卡的終端設(shè)備、通訊系統(tǒng)、計算機(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)行錯誤、數(shù)據(jù)錯誤、時間錯誤、死機(jī)、無故重新啟動,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。為了響應(yīng)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(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,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、方案實施及效果分析。
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。因為各類電力電子設(shè)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(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(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,計算機(jī)類設(shè)備的分布很廣,需要對諧波進(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)阻抗對其他設(shè)備形成干擾的,這個過程如下:
(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,產(chǎn)生了諧波電壓;
??(3)諧波電壓對其他設(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%就會導(dǎo)致設(shè)備的誤動作;
??(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(shè)備產(chǎn)生直接干擾外,還對電子設(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有小的紋波。當(dāng)交流電發(fā)生平頂時,直流母線的電壓降低,這時開關(guān)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(shè)備抗電壓跌落性能
??電子設(shè)備的一項重要指標(biāo)是抗電壓跌落特性,也就是,當(dāng)電壓出現(xiàn)短暫跌落時,設(shè)備要能夠保持正常的工作。設(shè)備是依靠內(nèi)部電容存儲的能量來實現(xiàn)這個功能的。電容所儲存的能量越大,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(shè)備就不能再具有所設(shè)計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)會產(chǎn)生更大的諧波電壓畸變率,這時會出現(xiàn)下述問題。當(dāng)外部供電恢復(fù)時,應(yīng)急電源產(chǎn)生的較高的電壓畸變率會影響供電從應(yīng)急電源向外部電源切換。因為較高的畸變率會影響應(yīng)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(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目規(guī)模。UPS的設(shè)計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,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(dú)立建筑,整個建筑的主要用電負(fù)荷就是UPS。相比UPS 容量,其余動力照明的負(fù)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(shè)計容量就達(dá)到2萬KVA。假設(shè)總諧波電流含量按照15%來計算,則滿載時總諧波電流達(dá)到1825A。這是非常糟糕的數(shù)值,如不對其治理,對電網(wǎng)側(cè)的干擾會非常明顯,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(wù)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(diǎn)
??(1)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)即可通過本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、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,為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù);
??(2)符合GB/T17626.30-2012中準(zhǔn)確度測量方法,適用于要求準(zhǔn)確測量電能質(zhì)量指標(biāo)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(zhǔn),符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn);
??(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(qū)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(jìn)行記錄,對監(jiān)測點(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(diǎn)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(bǔ)償+就地補(bǔ)償?shù)闹卫聿呗裕玫难a(bǔ)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(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)自動化設(shè)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(biāo)統(tǒng)計與電能數(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)房中計算機(jī)、空調(diào)等電器設(shè)備產(chǎn)生的諧波問題對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響,同時確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值,避免罰款,同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)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(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)中心項目電能質(zhì)量治理項目案例
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(jī)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(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)以往測量經(jīng)驗進(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800kVA變壓器及其一臺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,計算機(jī)類設(shè)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(jī)實現(xiàn),型號為AnSin-300-M Ⅰ型,自動跟蹤補(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:因為UPS是該中心惡性的負(fù)載,因此需要在配電末端對其產(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出線端對前后波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,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)對比
7.結(jié)論
??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。
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