抑制數據中心諧波放大及分布式治理策略

抑制數據中心諧波放大及分布式治理策略的詳細資料：

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(chǎn)生的原因和相應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)際工程應用中不難發(fā)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(guò)低，前端電壓過(guò)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(wǎng)影響用戶(hù)用電設備的問(wèn)題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過(guò)電壓、欠電壓、斷電及間斷等現象。以上問(wèn)題不可能在短時(shí)間內做出解決，比較現實(shí)的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設備之間插入一個(gè)二次供電設備，實(shí)現局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。一般常用的設備為不間斷電源系統UPS，它在我的應用已經(jīng)非常普遍，廣泛應用于互聯(lián)網(wǎng)、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(mén)。但是由于UPS屬于電力電子設備，正常工作的時(shí)候也會(huì )產(chǎn)生諧波電流，由于UPS拓撲結構的不同產(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，有效抑制諧波電流放大，化電能質(zhì)量，提高設備用電效率，抑制數據中心諧波放大及分布式治理策略。

2、諧波電壓對電網(wǎng)的影響

2.1  諧波電壓對配電系統的影響

    一般來(lái)說(shuō)理想的交流電源是純正弦波形，純正弦的交流電壓加在線(xiàn)性負載兩端，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(xiàn)性負載兩端，會(huì )產(chǎn)生失真的交流電流，同時(shí)導致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無(wú)論加在線(xiàn)性負載或非線(xiàn)性負載兩端，都會(huì )產(chǎn)生失真的交流電流。

 

 

    如圖 1所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線(xiàn)，1#主變下UPS1沒(méi)有投入運行，主要負載全是線(xiàn)性負載，2#主變下UPS2投入運行，主要負載全是非線(xiàn)性負載，兩邊電容柜沒(méi)有投入運行，聯(lián)絡(luò )柜中聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)始終處于斷開(kāi)狀態(tài)。單獨運行1#主變時(shí)，測量點(diǎn)M1處沒(méi)有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時(shí)，測量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓；同時(shí)運行1#主變和2#主變時(shí)，測量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，抑制數據中心諧波放大及分布式治理策略。

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(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(guò)互感器采集被補償負載的電流，通過(guò)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(dòng)輸出反向的諧波電流來(lái)抵消系統中的諧波電流，達到諧波補償目的。

 

    如圖2所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線(xiàn)，1#主變下UPS1沒(méi)有投入運行，主要負載全是線(xiàn)性負載，2#主變下UPS2投入運行，主要負載全是非線(xiàn)性負載，聯(lián)絡(luò )柜中聯(lián)絡(luò )開(kāi)關(guān)始終處于斷開(kāi)狀態(tài)。單獨運行1#主變時(shí)，測量點(diǎn)M1處沒(méi)有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時(shí)，測量點(diǎn)M2處有諧波電流和諧波電壓，開(kāi)啟APF2補償后，測量點(diǎn)M2處諧波電壓和諧波電流有效值減??；同時(shí)運行1#主變和2#主變時(shí)，測量點(diǎn)M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，單獨開(kāi)啟APF1，測量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒(méi)有變化，單獨開(kāi)啟APF2，測量點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時(shí)減小。

    上述測試中有一種情況比較特殊，在同時(shí)運行1#主變和2#主變，單獨開(kāi)啟APF1進(jìn)行補償時(shí)，雖然濾波器有諧波電流輸出，但是測試點(diǎn)M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒(méi)有減小，測量1#主變下線(xiàn)性負載上的電流諧波有效值，有明顯的放大現象。這說(shuō)明2#主變下非線(xiàn)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(xiàn)性負載兩端，使M1點(diǎn)出現了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線(xiàn)性負載的諧波電流進(jìn)行了補償，但M1點(diǎn)的諧波電流和諧波電壓不會(huì )改變，相對于A(yíng)PF1并線(xiàn)點(diǎn)的網(wǎng)側諧波電流和諧波電壓有效值不變，負載側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(chǎn)生是多方面的，非線(xiàn)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(chǎn)生的重要因素。

 

所示，是銀行某數據中心的配電一次圖，正常運行時(shí)聯(lián)絡(luò )柜中母聯(lián)斷路器始終保持斷開(kāi)狀態(tài)，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*，前期A(yíng)PF1和APF2沒(méi)有投入運行，測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線(xiàn)柜諧波電壓電流，如圖4和圖5

    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(shí)際側量發(fā)現明顯5次、7次諧波非常大。通過(guò)對UPS故障排查發(fā)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*或上下橋直流輸出帶載不對稱(chēng)等原因造成了UPS輸入端5次、7次諧波并沒(méi)有*抵消，這些沒(méi)有抵消的5次、7次諧波經(jīng)過(guò)11次濾波器時(shí)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(chǎng)諧波電流，主動(dòng)斷開(kāi)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(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后，同時(shí)運行APF1和APF2，測量T1變壓器和T2變壓器進(jìn)線(xiàn)柜諧波電壓電流，如圖6和圖7所示：

 

    以上數據滿(mǎn)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(guò)對現場(chǎng)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(wú)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，解決了現場(chǎng)諧波對公用電網(wǎng)的污染問(wèn)題。

4、結束語(yǔ)

    本文分析了數據中心主要負荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內部無(wú)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，ui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(chēng)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)量化工程項目中，了解現場(chǎng)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(lái)源：《電氣時(shí)代》2017年12期。

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產(chǎn)品相關(guān)關(guān)鍵字： 有源濾波器

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