抑制數(shù)據(jù)中心諧波放大及分布式治理策略

劉建春^1. 常帥^2. 趙軍^3. 洪文瓞 ^4.洪秋玉^5.

（安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801）

摘要：本文主要以某大型數(shù)據(jù)中心諧波治理為例，闡述數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的有源電力濾波器諧波治理策略。

關(guān)鍵詞：智慧能源；UPS；電壓諧波；諧波放大；APF

1、引言

    在實(shí)際工程應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，由于電力輸配電設(shè)施老化、設(shè)計(jì)不良和供電不足等原因造成末端電壓過低，前端電壓過高，這對(duì)電壓要求較高的精密設(shè)備造成了很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前公用電網(wǎng)影響用戶用電設(shè)備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現(xiàn)象。以上問題不可能在短時(shí)間內(nèi)做出解決，比較現(xiàn)實(shí)的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入一個(gè)二次供電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。一般常用的設(shè)備為不間斷電源系統(tǒng)UPS，它在我國的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心、證券交易中心、民航和鐵路的控制中心、監(jiān)控系統(tǒng)等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設(shè)備，正常工作的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生諧波電流，由于UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的諧波電流頻次和諧波有效值有很大的差異，本文就以大型數(shù)據(jù)中心的UPS為例，合理分析諧波電流頻次，采用分布式治理的方法，有效抑制諧波電流放大，優(yōu)化電能質(zhì)量，提高設(shè)備用電效率。

2、諧波電壓對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1  諧波電壓對(duì)配電系統(tǒng)的影響

    一般來說理想的交流電源是純正弦波形，純正弦的交流電壓加在線性負(fù)載兩端，會(huì)產(chǎn)生純正弦的交流電流。但是純正弦的交流電壓加在非線性負(fù)載兩端，會(huì)產(chǎn)生失真的交流電流，同時(shí)導(dǎo)致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負(fù)載或非線性負(fù)載兩端，都會(huì)產(chǎn)生失真的交流電流。

圖 1 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測(cè)量示意圖（無功柜未投入）

    如圖 1所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，兩邊電容柜沒有投入運(yùn)行，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨(dú)運(yùn)行1#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨(dú)運(yùn)行2#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓；同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在。

2.2  諧波電壓對(duì)濾波裝置的影響

    有源電力濾波器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)型有源電力濾波器、并聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目前市場(chǎng)上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯(lián)型，并聯(lián)型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補(bǔ)償負(fù)載的電流，通過計(jì)算分析提取出負(fù)載電流的諧波成分，有源電力濾波器被動(dòng)輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流，達(dá)到諧波補(bǔ)償目的。

圖2 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測(cè)量示意圖（增加APF）

    如圖2所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運(yùn)行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨(dú)運(yùn)行1#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨(dú)運(yùn)行2#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓，開啟APF2補(bǔ)償后，測(cè)量點(diǎn)M2處諧波電壓和諧波電流有效值減??；同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變時(shí)，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，單獨(dú)開啟APF1，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化，單獨(dú)開啟APF2，測(cè)量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時(shí)減小。

    上述測(cè)試中有一種情況比較特殊，在同時(shí)運(yùn)行1#主變和2#主變，單獨(dú)開啟APF1進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，雖然濾波器有諧波電流輸出，但是測(cè)試點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小，測(cè)量1#主變下線性負(fù)載上的電流諧波有效值，有明顯的放大現(xiàn)象。這說明2#主變下非線性負(fù)載引起諧波電流失真，導(dǎo)致10KV段電壓失真，失真的電壓加在1#主變的線性負(fù)載兩端，使M1點(diǎn)出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對(duì)線性負(fù)載的諧波電流進(jìn)行了補(bǔ)償，但M1點(diǎn)的諧波電流和諧波電壓不會(huì)改變，相對(duì)于APF1并線點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變，負(fù)載側(cè)諧波電流有效值增大。因此，并聯(lián)型有源電力濾波器并不能有效濾除電壓諧波引起的電流諧波，相反，會(huì)使負(fù)載側(cè)諧波電流變的更大。

3、諧波分布式治理

    工程中往往諧波的產(chǎn)生是多方面的，非線性負(fù)荷引起的諧波、背景諧波、補(bǔ)償裝置諧波放大等等現(xiàn)象，都是引起諧波產(chǎn)生的重要因素。

圖3 中國銀行某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)圖

    如圖3所示，是中國銀行某數(shù)據(jù)中心的配電一次圖，正常運(yùn)行時(shí)聯(lián)絡(luò)柜中母聯(lián)斷路器始終保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，T1變壓器和T2變壓器下負(fù)載全是12脈沖整流的UPS（T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2；T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2）,兩臺(tái)變壓器所帶負(fù)載基本一致，前期APF1和APF2沒有投入運(yùn)行，測(cè)量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流，如圖4和圖5所示：

圖4補(bǔ)償前諧波電壓波形及畸變率

圖5 補(bǔ)償前諧波電流波形及有效值

    從上圖中可以看出，12脈沖整流型UPS輸入側(cè)諧波電流應(yīng)該是以11次和13次為主，但實(shí)際側(cè)量發(fā)現(xiàn)明顯5次、7次諧波非常大。通過對(duì)UPS故障排查發(fā)現(xiàn)由于12脈沖整流器使用可控整流方式，上下整流橋調(diào)相角度不一致或上下橋直流輸出帶載不對(duì)稱等原因造成了UPS輸入端5次、7次諧波并沒有*抵消，這些沒有抵消的5次、7次諧波經(jīng)過11次濾波器時(shí)諧波被放大，這就出現(xiàn)了我們看到的圖4和圖5的情況。

    為了濾除現(xiàn)場(chǎng)諧波電流，主動(dòng)斷開所有UPS的11次諧波濾波器濾波支路，增大APF濾波容量，考慮使用APF補(bǔ)償U(kuò)PS產(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后，同時(shí)運(yùn)行APF1和APF2，測(cè)量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線柜諧波電壓電流，如圖6和圖7所示：

圖6 補(bǔ)償后諧波電壓電流波形

圖7 補(bǔ)償后諧波電壓電流有效值

    以上數(shù)據(jù)滿足GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)限值。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)和負(fù)荷特性的了解，分析負(fù)荷故障原因，避免了UPS自帶無源濾波器與UPS間的并聯(lián)諧振，抑制電流諧波放大；采用分布式補(bǔ)償方案，避免變壓器間電壓畸變引起的電流畸變，從而有效的濾除UPS產(chǎn)生的諧波電流，解決了現(xiàn)場(chǎng)諧波對(duì)公用電網(wǎng)的污染問題。

4、結(jié)束語

    本文分析了數(shù)據(jù)中心主要負(fù)荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內(nèi)部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關(guān)系以及在工程項(xiàng)目中如何判斷諧波引起的故障，并提出解決方案，抑制諧波電流的放大，采用合理的補(bǔ)償策略，zui終達(dá)到濾除諧波污染的目的。得出結(jié)論：

    1.UPS的諧波主要是由相控整流功率器件引起的；

    2.12脈沖整流型UPS上下橋調(diào)相角或帶載不對(duì)稱時(shí)，輸入端11次諧波濾波器會(huì)與UPS未抵消的5次、7次諧波電流產(chǎn)生諧振，放大5次、7次諧波電流；

    3.有源電力濾波器APF并不適用于諧波電壓（背景諧波）引起的諧波電流濾波場(chǎng)合；

    4.電能質(zhì)量優(yōu)化工程項(xiàng)目中，了解現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷特性、分析故障根本原因，是解決工程項(xiàng)目諧波治理的必要條件。

文章來源：《電氣時(shí)代》2017年12期。

參考文獻(xiàn)：

    [1] 王兆安.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京：機(jī)械工程出版社2005(10)

    [2] 能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

    [3] 程愛玲. 淺談?dòng)性春蜔o源產(chǎn)品在無功補(bǔ)償與諧波治理中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代企業(yè)教育.2014

    [4] 商少鋒. 電力有源濾波與電容器組無功補(bǔ)償混合應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 浙江電力，2007（4）21-24

    [5] 張崇巍，張興.PWM整流及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

    [6] *，張標(biāo)標(biāo).智慧能源[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

    [7] 高鳳友.無源逆變電源的原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

    [8] Zeliang Shu, Yuhua Guo, and Jisan Lian. Steady-state and dynamic study of active power filter with efficient  FPGA-based control algorithm [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(4)：1527- 1536.

    [9] 曹武. 諧波獨(dú)立補(bǔ)償有源濾器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：東南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.