河北移动大型数据中心电能质量研究与治理

2018-03-26孙杨，张伟

数字通信世界 2018年12期

孙杨，张伟

（中国移动通信集团河北有限公司，石家庄 050021）

1 数据中心电能质量现状

1.1 数据中心对供电质量的要求

一般情况下，要想最大程度的保证电能质量符合标准，就必须要健全法律法规以及相关标准，完善对电能质量的监督和管理工作。自从20世纪80年代初开始，我国相关部门就陆续制定和下发了有关电能质量的六项国家标准；在机房中，其主要的终端设备一般为IT设备，因此这就对整个供电系统提出了更加严格且高水平的标准和要求，即供电系统必须要符合相关标准。

虽然目前已经有了相关的标准和规范，但是接入变频空调、UPS、HVDC、开关电源、荧光灯等设备以后，难免会产生一定的谐波、高频化轻载率以及呈现出容性的HVDC，反而会对整个系统造成一定的麻烦和问题。在此情况下，要想最大程度的解决这一问题，最有效的方案就是在低压母线集中侧进行综合治理，机房电网环境才能符合以上标准，并向负载输送高质量的电源。

1.2 数据中心存在的电能质量问题

从目前的情况来看，现代大型数据机房的IT设备UPS、HVDC、开关电源等设备得到了极大范围的普及和应用，在加上冷冻机组、荧光灯、办公设备等IT辅助设备的大范围使用，使得这些设备在运转和工作的过程中产生大量的谐波，这不仅会对整个电源网络造成污染，同时也会污染到自身；除此之外，高频UPS轻载率和HVDC系统无功具有容性的特征，当启动备用电源时，不仅会导致电压谐振风险的存在，同时还会造成发电机励磁电势的降低，危害到发电机的稳定运行，严重时甚至会造成整个系统出现过电压或崩溃的现象。针对大型数据机房IT设备及IT辅助设备存在的电能质量研究数据：

（1）变频空调

对于机房空调来说，其一般都属于变频的驱动方式，基本上均为6脉整流电路，其产生的谐波大多为6N±1次谐波，主要谐波为5次、7次、11次、13次等，各次谐波畸变率理论值为各次倒数，如5次谐波，5THDi=1/5=20%，其总谐波的畸变率大约在25%作用，总谐波电流一般在200A～400A的范围内。

（2）高频UPS

高频UPS电能质量特点，在三个负载率时，均处于不同状态；①在低负载时，电流畸变率很大，系统容性无功倒送。②当其负荷率为10%时，其电流的电流畸变率处于15%～20%左右，此时的谐波大多为5次、7次、11次、13次；其无功正位于感性容性的临界点。③负荷率在30%及以上时，电流畸变率为5%～8%，无功为感性。

（3）高压直流HVDC

一般来说，大型数据机房的供电模块一般为240V的直流模块，它通过高频软开关整流的方式，将市电供给相关的IT设备，相关数据表明，其功率因数约等于0.98，电流畸变率处于5%～8%的范围中，此时其系统的无功具有容性特征，且其占比约为相关设备额定功率20%～25%左右。

2 治理方案

2.1 PQIC混合滤波补偿

混合滤波补偿实际上就是通过将有源技术和无源技术的有机结合，利用智能混合一体化技术加以控制之后形成的鄂一中基础，这种技不仅具备较高的兼容性，同时还可以对系统所需要的容性、感性无功进行实时的动态补偿。该项技术的核心控制系统可以充分利用模糊控制策略来对谐振的产生进行一定的预判，同时对其输出进行一定的自动化调整，最终可以实现进行容性到感性的双向调节，其可以有效过滤和消除谐波2-60，过滤和消除比率达到了95%之高。

3 工程概述

3.1 系统概述

该数据机房共有12台2500kVA IT变压器，4台1600kVA的动力变压器

3.2 方案选配

针对该新建数据机房负载特性，经过和设计院技术人员全面的技术讨论研究，最终确定采用新型智能混合滤波补偿技术（PQIC）来提高机房的供电质量。

变频空调主要以谐波为主，治理对象是谐波；高频UPS主要以谐波为主，还有少量的容性无功，治理对象是谐波为主，容性无功为辅；

3.3 装置设计

通过基准参数计算与系统仿真验算，对动力系统混合滤波补偿装置型号为PQIC-150-120/400，IT系统采用PQIC-200-180/400先进的模糊控制策略技术，确保设备投运后，容性、感性无功及谐波达目标要求值，且维护方便、操作简单。

3.4 PQIC安装一次系统图

与传统的补偿技术相比，PQIC混合滤波补偿装置的采样点是不同的。为了最大程度的实现开闭环混合控制，并可以对投切前后的参数进行有效的展示。在本次工程设计中，将3只CT添加到了滤波补偿装置和负载的中间位置。

3.5 治理效果

（1）其动力变压器为变频空调，具备谐波的特征，整治对象为谐波。通过对PQIC设备投入前后的所得数据进行对比分析后我们可以得知，总谐波电流畸变率有44%大幅下降到了4.8%，波形也变回了原先的正弦波，谐波的能耗也有所下降，最大程度的避免了谐波对系统的负面影响，同时也在一定程度上提高了电源的纯净度。

（2）IT变压器主要是高频UPS，特征以谐波为主，容性无功为辅，通过对PQIC设备投入前后的所得数据进行对比分析后我们可以得知，总谐波电流畸变率由36.5%下降为4.6%，容性无功36kvar变为感性无功4.6kvar；投入使用前的总电流是413A，投入使用后的总电流是392A，波形也变回了原先的正弦波，能耗大幅下降，最大程度的避免甚至是消除了谐波或容性无功对整个系统的负面影响，使得系统的稳定性和可靠性大大增强。