抑制數據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據中心諧波治理為例，闡述數據中心諧波產生的原因和相應的有源電力濾波器諧波治理策略。

關鍵詞：智慧能源；UPS；電壓諧波；諧波放大；APF

1、引言

    在實際工程應用中不難發現，由于電力輸配電設施老化、設計不良和供電不足等原因造成末端電壓過低，前端電壓過高，這對電壓要求較高的精密設備造成了很大的威脅。據統計當前公用電網影響用戶用電設備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現象。以上問題不可能在短時間內做出解決，比較現實的解決途徑是在電網和用電設備之間插入一個二次供電設備，實現局部高品質的供電環境。一般常用的設備為不間斷電源系統UPS，它在我國的應用已經非常普遍，廣泛應用于互聯網、數據中心、銀行清算中心、證券交易中心、民航和鐵路的控制中心、監控系統等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設備，正常工作的時候也會產生諧波電流，由于UPS拓撲結構的不同產生的諧波電流頻次和諧波值有很大的差異，本文就以大型數據中心的UPS為例，合理分析諧波電流頻次，采用分布式治理的方法，抑制諧波電流放大，優化電能質量，提高設備用電效率。

2、諧波電壓對電網的影響

2.1  諧波電壓對配電系統的影響

    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載兩端，會產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載兩端，會產生失真的交流電流，同時導致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負載或非線性負載兩端，都會產生失真的交流電流。

圖 1 某數據中心配電系統測量示意圖（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沒有投入運行，主要負載全是線性負載，2#主變下UPS2投入運行，主要負載全是非線性負載，兩邊電容柜沒有投入運行，聯絡柜中聯絡開關始終處于斷開狀態。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓；同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在。

2.2  諧波電壓對濾波裝置的影響

    有源電力濾波器從拓撲結構上分為串聯型有源電力濾波器、并聯型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目前市場上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯型，并聯型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補償負載的電流，通過計算分析提取出負載電流的諧波成分，有源電力濾波器被動輸出反向的諧波電流來抵消系統中的諧波電流，達到諧波補償目的。

圖2 某數據中心配電系統測量示意圖（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沒有投入運行，主要負載全是線性負載，2#主變下UPS2投入運行，主要負載全是非線性負載，聯絡柜中聯絡開關始終處于斷開狀態。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓，開啟APF2補償后，測量點M2處諧波電壓和諧波電流值減小；同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，單獨開啟APF1，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓值沒有變化，單獨開啟APF2，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓值同時減小。

    上述測試中有一種情況比較特殊，在同時運行1#主變和2#主變，單獨開啟APF1進行補償時，雖然濾波器有諧波電流輸出，但是測試點M1和M2處諧波電流和諧波電壓值并沒有減小，測量1#主變下線性負載上的電流諧波值，有明顯的放大現象。這說明2#主變下非線性負載引起諧波電流失真，導致10KV段電壓失真，失真的電壓加在1#主變的線性負載兩端，使M1點出現了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線性負載的諧波電流進行了補償，但M1點的諧波電流和諧波電壓不會改變，相對于APF1并線點的網側諧波電流和諧波電壓值不變，負載側諧波電流值增大。因此，并聯型有源電力濾波器并不能濾除電壓諧波引起的電流諧波，相反，會使負載側諧波電流變的更大。

3、諧波分布式治理

    工程中往往諧波的產生是多方面的，非線性負荷引起的諧波、背景諧波、補償裝置諧波放大等等現象，都是引起諧波產生的重要因素。

圖3 中國銀行某數據中心配電系統圖

    如圖3所示，是中國銀行某數據中心的配電一次圖，正常運行時聯絡柜中母聯斷路器始終保持斷開狀態，T1變壓器和T2變壓器下負載全是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）,兩臺變壓器所帶負載基本一致，前期APF1和APF2沒有投入運行，測量T1變壓器和T2變壓器進線柜諧波電壓電流，如圖4和圖5所示：

圖4補償前諧波電壓波形及畸變率

圖5 補償前諧波電流波形及值

    從上圖中可以看出，12脈沖整流型UPS輸入側諧波電流應該是以11次和13次為主，但實際側量發現明顯5次、7次諧波非常大。通過對UPS故障排查發現由于12脈沖整流器使用可控整流方式，上下整流橋調相角度不一致或上下橋直流輸出帶載不對稱等原因造成了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次諧波經過11次濾波器時諧波被放大，這就出現了我們看到的圖4和圖5的情況。

    為了濾除現場諧波電流，主動斷開所有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補償UPS產生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后，同時運行APF1和APF2，測量T1變壓器和T2變壓器進線柜諧波電壓電流，如圖6和圖7所示：

圖6 補償后諧波電壓電流波形

圖7 補償后諧波電壓電流值

    以上數據滿足GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》的相關限值。通過對現場系統和負荷特性的了解，分析負荷故障原因，避免了UPS自帶無源濾波器與UPS間的并聯諧振，抑制電流諧波放大；采用分布式補償方案，避免變壓器間電壓畸變引起的電流畸變，從而的濾除UPS產生的諧波電流，解決了現場諧波對公用電網的污染問題。

4、結束語

    本文分析了數據中心主要負荷UPS諧波產生的主要原因、UPS內部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關系以及在工程項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，采用合理的補償策略，zui終達到濾除諧波污染的目的。得出結論：

    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上下橋調相角或帶載不對稱時，輸入端11次諧波濾波器會與UPS未抵消的5次、7次諧波電流產生諧振，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合；

    4.電能質量優化工程項目中，了解現場負荷特性、分析故障根本原因，是解決工程項目諧波治理的必要條件。

文章來源：《電氣時代》2017年12期。

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 作者簡介：

劉建春（1985-），男，甘肅天水人，電氣工程師，從事電能質量類產品設計開發及應用。:ljc_16