数据中心行业电能质量监测与治理方案

邓建杰

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：数据中心行业在国民经济中起到了的作用,但其繁多的非线性电力负载,如通讯系统、大型计算机、网络控制设备、变频空调、各种数码办公设备、灯光调控系统、UPS、监控系统等给其供电系统带来了严重的谐波干扰,对大型数据中心的运行安全造成了较大的威胁,为此我们分析研究了其谐波产生的根源及谐波的类型和数值,结合实例采用了系统的谐波监测与治理整体设计方案,取得了良好的效果,解决了数据中心行业的谐波污染问题。

关键词：数据中心行业；电能质量；谐波干扰；谐波治理；系统解决方案

1.数据中心行业的电能质量问题来源分析

数据中心行业设备的谐波电流是由各类电力电子设备整流器输入电路导致的。因为各类电力电子设备输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。其中主要的整流设备有以下几种：

1.1变频设备

数据中心行业使用了大量变频节能设备，如：变频空调、变频电梯、变频水泵等。变频类设备内部工作基本均为整流逆变过程，因此会产生谐波。所产生的谐波种类与整流器脉数有关，具体关系如下：

式中，M为整流器产生的谐波次数，P为整流器的脉冲数，n为自然数。例如，对于3相6脉冲整流电路，谐波有5次、7次、11次和13次等。

1.2 UPS电源

大型数据中心对于重要机房的供电稳定性要求很高，因此常常要应用UPS不间断电源。UPS电源的工作原理与变频设备近似，因此产生谐波的方式和种类也较为相似。一般来说，6脉冲的UPS主要产生5、7次谐波，12脉冲的UPS主要产生11、13次谐波

2.数据中心行业的谐波特点

供电系统中谐波可分为电网侧谐波和负载侧谐波。

2.1电网侧谐波

又称低频谐波，通常是指40次以下的谐波，尤以3、5、7、9等次谐波为代表，主要对供电系统产生危害，造成电网供电效率下降，电容器发热甚至烧毁等。

2.2负载侧谐波

又称高频谐波，通常是指40次以上的谐波，频率通常在2kHz以上，主要对用电设备产生危害，造成工作质量下降、死机、损坏、寿命下降等。

大型数据中心的谐波又有其特点：

（1）存在集中的谐波源，谐波的分布较密集；

（2）UPS下端的设备较多，大型数据机房较多，计算机类设备的分布很广，需要对谐波进行治理；

（3）谐波畸变率很高，一般高达40%~50%，远远国家标准。

表1为谐波的分类比较与治理。

表1谐波的分类

3.数据中心行业的电能质量监测和治理解决方案

3.1解决方案

数据中心行业从开始的几百平方米的建设规模到目前几万平方米的大型项目规模。UPS的设计容量也从开始的几十KVA增长到几千甚至几万KVA。当几百KVA UPS的总谐波电流含量为15%时，其谐波电流值也仅为几十A，相对于整个建筑的几千A 总用电电流，影响微不足道。但一旦UPS容量变大，就是另外一种情况。因为现在大多数大型数据中心都是立建筑，整个建筑的主要用电负荷就是UPS。相比UPS 容量，其余动力照明的负荷连一半也不到。比如 2010 年苏州的一个数据中心项目UPS的设计容量就达到2万KVA。假设总谐波电流含量按照15%来计算，则满载时总谐波电流达到1825A。这是非常糟糕的数值，如不对其治理，对电网侧的干扰会非常明显，且加大配电容量以及导致线缆发热、零线带电等一系列严重后果。

传统的谐波保护解决方案只是从单一的设备入手，针对狭窄的谐波频率，无法从根本上解决问题。为解决这一问题，安科瑞结合数据中心的实际情况，提出电能质量监测和治理的系统解决方案，该方案为数据中心提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。

4.安科瑞电能质量监测与治理产品选型

4.1集中治理

采用配电房集中治理的方式，可针对数据中心行业配电系统中涉及到众多数据机房中计算机、空调等电器设备产生的谐波问题对电网侧的危害和影响，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表2。

表4电能质量监测及集中治理产品选型表

4.2就地治理  

数据中心行业由于UPS下端的设备较多，变频设备大量使用等原因，运行过程中不可避免的在配电末端产生电流畸变率40%-50%的谐波污染。同时数据中心行业在数据机房大量安装节能灯电子镇流器，一般来说，节能灯主要产生3次谐波，3次谐波由于各相的相位一致，因此会在中性线上叠加，导致正常情况下没有电流流过的N线电流过大，引起火灾。

针对以上负载情况，建议在各重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备。

表5 就地治理的产品选型

5.上海某银行数据中心项目电能质量治理项目案例

5.1项目背景

上海某银行数据中心包括大型数据机房，对电能质量要求非常高;为了提高供电可靠度，采用大量 UPS作为设备电源，机房内还包含空调设备、照明设备等。此类电力电子设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中，主要以5次、7次为主;如果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响机房中其他敏感设备，比如导致通信数据传输错误，甚至瘫痪、中断，降低了配电系统的安全性、可靠性。表4、5展示了该数据中心主要负载参数以及谐波估算值。

6.结论

就目前市场而言，谐波治理产品种类繁多，但更多的为单一产品，这些产品无法满足数据中心所需要的治理效果。因此，安科瑞为数据中心行业提供了一套完整的电能治理监测与治理的系统解决方案，使数据中心的电能质量问题得到了有效的治理。从成本、性能、可靠性等角度综合考虑，该方法具有较高的性价比。

参考文献

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