云计算IDC机房电能质量治理探究

叶惠斌

（中国移动襄阳云计算中心，湖北 襄阳441418）

随着移动互联网类业务需求不断扩大，国内大型数据机房建设如火如荼。IDC数据中心电能特点是能耗密集，用电需求巨大，且用电负荷多样化，大量具有非线性特征的负荷势必造成电能质量的恶化，而服务器、空调系统、计算机、微电子控制等设备对电能质量的要求又极为严格，电能质量存在的问题日益突出。

如何提高供电质量，满足数据中心安全、稳定、高效的运行，本文论述了IDC对供电质量的要求，提出了相关治理方案，分析了混合滤波补偿装置在投入前后的数据对比，取得了良好的治理效果。

1 IDC对供电质量的要求

1.1 相关国家标准

电能质量的法规和标准是保障电能质量的基本依据，对实施电能质量监管，维护供用电合法权益具有重要的意义。20世纪80年代初，国家技术监督局先后组织制定并颁发了六项电能质量国家标准。IDC机房终端设备主要是IT设备，对供电系统的要求更高，其供电系统必须符合六项国家电能质量标准，具体标准如表1。

表1 六项国家电能质量标准

虽然有标准规范，但接入变频空调、UPS、HVDC、开关电源、荧光灯等负载后，会产生谐波，高频化、轻载率和HVDC呈现的容性，反送系统将造成电能质量的降低。针对这种情况，在低压母线集中侧对谐波进行综合治理是一种高效解决电能质量降低的方案。

1.2 IDC存在的电能质量问题

机房的IT设备UPS、HVDC、开关电源等大规模的使用，以及IT辅助设备（如：冷冻机组、空调末端采用变频装置，荧光灯、办公设备等）的应用，均会产生谐波，不仅污染电源网络，自身也会受到污染；另外高频UPS轻载率和HVDC系统无功呈现为容性，当备用电源启用，会与发电机的内部电抗产生电压谐振潜在风险，降低了发电机励磁电势，使发电机运行不稳定，导致并机系统崩溃，也会引起系统过电压。

（1）冷水机组空调

冷水机组采用变频驱动，大多数以6脉整流电路为主，产生谐波为6 N±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%，总谐波畸变率约在25%，实测数据为30.2%～42.5%，负荷率越低畸变率越高；水泵初始功率因数在0.85左右，冷冻主机初始功率因数一般在0.92以上。如机房1 600 kVA的变压器，其负载主要为变频空调、变频水泵、变频空调末端等，总的谐波电流在200 A～400 A之间。

（2）高频 UPS

高频UPS电能质量特点：

a.在轻载时，电流畸变率为27%～33%，呈现为容性，容性占比为额定功率的3%～10%。谐波频谱如图1所示。

b.负荷率在10%～30%时，电流畸变率为15%～20%，谐波主要以5次、7次、11次、13次为主，此时无功处于感性容性临界点。

c.负荷率在30%及以上时，电流畸变率为5%～8%，无功为感性。

通过对测试数据的分析，该数据客观真实反映了机房存在电能质量问题。

图1 高频UPS轻截时谐波频谱

2 谐波治理方案

谐波和容性无功是影响现代机房供电质量的主要因素之一，认识现状，并找到行之有效的解决方案，是研究的核心方向，只有这样才能确保机房供用电系统的稳定性、安全性、可靠性。

配电系统一般考虑无功补偿，主要是为感性负载提供容性补偿，现阶段感性负载电能质量也发生了很大的变化，主要特点是功率因数很高，基本不需容性补偿，另外它的谐波量变大了，有些甚至很高。结合现状，在数据中心采用了以下两种治理方案。

（1）纯APF谐波治理

实时检测电网中负载电流，快速分离出谐波电流分量，实时产生大小相等、方向相反的补偿电流注入到电网中，实现瞬时抵消滤除谐波电流。该方案适用于数据中心动力系统谐波治理。

（2）混合滤波补偿

混合滤波补偿融合有源与无源技术，智能混合一体化控制，兼容性高，可以实时动态补偿系统所需的容性、感性无功及谐波治理，核心控制系统采用模糊控制策略预判谐振，并能自动调整输出，实现容性到感性的双向调节，滤除2～50次谐波，滤除率高达95%，且性价比较高。

比较上述两种方式，本文采用了混合滤波补偿方案进行谐波治理。

3 谐波治理效果

以襄阳云计算IDC机房低压0.4 kV母线配电系统为例，该系统主要有4种负荷类型，包括高频UPS、变频空调、节能灯、开关电源、空调末端等设备，这些负载均不同程度地恶化了供用电系统电能质量，亟待治理。

襄阳云计算中心IDC机房一期共有2台1 600 kVA动力变压器，10 kV／0.4 kV，动力变压器负载均为变频空调、空调末端，其余变压器负载均为高频UPS。

系统存在的问题如下：

（1）谐波严重场合，发电机组与市电切换时，控制系统受谐波影响出现故障报警。

（2）IT变压器配置的补偿装置均未投入运行。

（3）容性无功倒送，影响油机出力。

（4）变压器发热严重并有噪声。

数据机房的需求如下：

（1）降低谐波电流；

（2）消除系统出现的容性无功。

混合滤波补偿安装一次系统图如图2所示。

混合滤波补偿装置采样点区别于传统补偿，本次升级在滤波补偿装置与负载中间增加了3只CT，目的是实现开闭环混合控制，有效地显示投切前后相关参数。

图2 混合滤波补偿安装一次系统图

按照标准进行检验，测试地点如图2测试点，混合滤波补偿装置在投入前后的数据对比可以判断效果。

（1）动力变压器主要负载是变频空调，特征以谐波为主，治理对象是谐波，混合滤波补偿装置投入前后频谱图如图3所示。

通过投入设备前后数据对比可得知，总谐波电流畸变率从原来的44%降低到4.8%，视在功率因数从0.92提高到0.99；改造前总电流为514 A，改造后总电流为482 A，波形基本回归于正弦波，谐波的能耗也降低显著，提高了电能纯净度。

（2）IT变压器主要负载是高频UPS，特征以谐波为主，容性无功为辅，混合滤波补偿装置投入前后频谱图如图4所示。

图3 变频空调中混合滤波补偿装置投入前后频谱图

图4 高频UPS中混合滤波补偿装置投入前后频谱图

通过投入设备前后数据对比可知，总谐波电流畸变率从原来的36.5%降低到4.6%，容性无功36 kvar变为感性无功4.6 kvar；改造前总电流为413 A，改造后总电流为392 A，波形基本回归为正弦波，能耗也大大降低，有效排除了谐波和容性无功对系统的危害，提高了系统稳定性。

通过对投入设备前后数据对比可得知，容性无功从原来的89.85 kvar变为感性无功3.53 kvar，总谐波电流畸变率从原来的7.9%降低到1.4%。

4 结束语

数据中心不同的负载类型，普遍存在着谐波特性，高频化UPS、HVDC呈现的容性，不同程度地影响着电能质量。本文通过分析发现系统设备产生谐波的现状，针对性地提出更科学、合理的改进电能质量的技术方案，取得显著效果。