铁路数据中心电能质量模拟案例设计研究

关 磊

0 引言

信息化技术在铁路领域已经得到广泛应用，为推进铁路现代化奠定了坚实基础，随着技术的不断进步，铁路信息化建设更加注重互联网、大数据、云计算、人工智能、物联网等新技术的应用。铁路数据中心主要用于铁路行业相关核心数据存储与交换，承载全路集中应用系统的部署及数据资源存储，是铁路信息化建设的基础性、关键性工程，具有重要的作用及地位。

电力系统是铁路数据中心安全、稳定、流畅运行的基本保证。本研究模拟了一个铁路数据中心项目，从电力系统电能质量问题的预计、电能质量控制方法研究角度，探讨大型数据中心电力设计，特别是电能质量设计计算的方法，为实际工程设计的前期研究提出一套数据中心投运后能够保障电能质量水平的措施和方法。

1 设定工程条件

数据中心采用2回10 kV进线，经变电后馈出三相0.4 kV低压电源提供给用电负荷。基本负荷包含办公用电负荷和生产用电负荷，办公用电负荷主要包括变频空调、照明、供排水、电梯、办公、消防等用电负载；生产用电负荷主要包括UPS、机房空调机组、水泵、暖通、风机、照明、插座等混合负载。

2 电能质量基本概念及要求

电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形、120°相位差和标准电压为用户供电。但由于电力系统中的发电机、变压器、输电线路、整流逆变等设备的非线性、不对称性，以及用电负荷的性质、动作等原因，加之系统内部故障、外来扰动等因素，理想状态并不存在。因此在电网运行、供用电各环节、用电设备中出现了各种问题，也就产生了电能质量的概念。IEC从电磁干扰现象角度对电能质量问题进行了分类[1，2]，如表1所示。

表1 IEC对电能质量的分类

IEEE根据电压扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化对电能质量问题进行了细分，并提出了量化的标准，更具操作性。

我国针对电能质量问题制定了一系列标准，主要包括GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》、GB/T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》、GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》等。假定本工程所有设备均能够在IEC、IEEE及国内标准确定的电能质量环境下正常运行，这些电能质量指标如表2所示。

表2 本工程电能质量指标

本文从谐波、功率因数着手，研究工程电能质量指标。电压偏差、电压波动、闪变主要取决于外部电网，本文不作讨论。对于负序问题，主要通过对单相负载的平衡配置解决，本文不作论述。

3 电能质量指标预计

3.1 供电方式及主要电力负荷

根据用电负荷以及电力公司的相关要求，由110 kV变电站的10 kV高压馈出柜开关下口至主数据中心10 kV配电所的10 kV高压引入柜开关下口建设共计6回路的10 kV电源，在6回路电源中，每3回由规划变电站的2段10 kV母线段分别接引。数据中心室内每座10 kV配电所分别接引2回10 kV电源，构成双重电源条件。10 kV主接线采用单母线断路器分段，不设母联。正常运行时，2路电源分别运行。假设公共连接点短路容量为100 MV·A[1]。

通过10/0.4 kV动力变压器向主要负载供电。变压器短路阻抗6%，采用DYn11接线，其负荷包括UPS、空调、水泵、冷水机组、暖通设备、通风设备、照明、办公设施设备、生活用电等。表3列出了电力负荷类型及功率。

表3 本工程电力负荷类型及容量

3.2 电能质量目标预计

3.2.1 谐波电流限值的确定

GB/T 14549—93规定，公共连接点处THDu不超过5%，特指在变压器负荷为理想线性负载或空载时变压出口处的谐波含量指标，是电网所供给电压的本底谐波含量最大限值，电压谐波含量低于该指标时，能够确保用电设备功能的正常发挥。

然而，数据中心在运行时，各种负载所产生的谐波电流在馈电回路及变压器上流动，由于存在变压器短路阻抗及供电回路电阻，谐波电流必然在这些阻抗上产生电压降，致使供电回路谐波含量升高。GB/T 14549—93给出了公共连接点允许的电流谐波允许值。

按照动力变压器最大短路容量和GB/T 14549—93提供的方法，将10 kV接入点允许谐波电流值折算到0.4 kV侧，得到低压侧允许电流限值：

式中：Sk1为公共连接点的最小短路容量，MV·A；Sk2为基准短路容量，MV·A；Ihp为第h次谐波电流允许值，A；Ih为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值。

按式（1）及变压器变比对允许谐波电流进行计算，设Sk1、Sk2均为100 MV·A，按照变压器变比将其折算到低压侧，结果如表4所示。

表4 某工程公共连接点谐波电流限值 A

由于各用电负荷的单次谐波电流无法准确确定，但可以按照负载类型估算其总的谐波电流。根据表4及式（2），可以计算公共连接点总谐波电流限值及折算到变压器二次侧的谐波电流限值[3]。

式中：IH为总谐波电流；Ih为第h次谐波电流。

考虑谐波最高计算到25次，按照式（2），公共连接点谐波电流限值为48.98 A，折算到变压器二次侧的谐波电流限值为1 224.4 A。

3.2.2 负载谐波电流预计

在本工程中所使用的UPS为高频型（输入侧PWM整流），不同于传统的6脉冲或12脉冲整流，PWM整流器具有低谐波电流和高功率因数的特点，其输入功率因数大于0.99，输入电流谐波含量小于3%。考虑一定的裕量，输入谐波电流按5%计算。

空调、水泵、冷水机组采用变频调速方式，其输入侧为6脉冲整流器（三相全桥整流器），即以6个半导体（二级管或可控硅）组成全桥整流器，每个工作周期有6个脉冲（二极管整流无需触发脉冲，相对更为简单，其交流侧电流波形类似于触发角最大时的可控硅整流器）控制半导体开通[4]。三相全桥整流器及其输入电流波形如图1、图2所示。

图1 三相全桥整流器

图2 三相桥式整流电路输入侧电流波形

忽略整流电路换相过程，假设交流侧电感为零，直流侧电感为无穷大，则交流侧电流的傅里叶级数展开式为[5]

式中：Id为总基波电流；ω为角频率；t为时间。

依据式（3），输入侧电流中含有6k±1（k为正整数）次谐波，各次电流谐波有效值与谐波次数成反比，且为基波有效值的谐波次数分之一。各次谐波含量见表5。

表5 三相全桥整流电路各次谐波含量

将表5数值代入式（4），可计算出三相全桥整流电路典型总电流谐波含量约为30%。

式中：In为n次基波电流（n= 1,2,3,…），A。

本工程所使用的照明（LED灯具或荧光灯）、插座、办公设施设备等大多为单相整流性负载，如图3所示。

图3 单相全桥整流器

下文将对其交流侧谐波电流进行分析。由于网侧各项性能指标和谐波含量只与整流电路中直流侧电容和电感有关[5]，为简化分析，以直流侧为纯电阻性进行分析，则交流侧电流i1可以表示为[6]

式中：k= 0,1,2,…；I1为总谐波电流；α为导通角。

式（5）为周期函数，其傅里叶级数表达式为

其中：

由式（6）可知，纯电阻负载单相全桥整流电路交流侧电流成分包括基波及3，5，7，9…次谐波。当直流侧负载为轻载时，其输入电流中以谐波成分为主，THDI可超过100%；当直流侧负载为重载时，谐波电流成分降低。

在本工程中，由于单相负载种类繁多，运行方式多变，难以对谐波电流情况进行准确计算。为便于工程计算并有合理的裕量，对这些设备的谐波电流含量按照100%计算。

3.2.3 功率因数预计

线性正弦电路的功率定义为[7]

式中：P为有功功率，W；U为电压，V；I为电流，A；φ为电压与电流的相位角；Q为无功功率，var；S为视在功率，V·A。

有功功率P越接近视在功率S，电气设备的容量越能得到充分利用。功率因数反映了有功功率P接近视在功率的程度。在正弦电路中，功率因数由电压和电流的相位差决定，用cosφ表示。S、P、Q有如下关系：

在非正弦电路中，功率的物理意义与正弦电路相同，但由于谐波的存在，有必要区分基波电压电流产生的无功功率、同频率谐波电压电流产生的无功功率、不同频率电压电流产生的无功功率。对于含有谐波的非正弦电路，仿照式（10）可以定义无功功率Qf为

式中：Qf为基波和谐波产生的总无功功率，var；Un为基波或谐波电压，V；In为基波或谐波电流，A；φn为基波或谐波电压与电流相位角。

Qf反映了同频率电压电流产生的无功功率，由于不同频率谐波不能相互抵消，式（12）的计算结果会引起抵消的结果，这是不合理的，因此

为解决这一问题，引入畸变功率D[7]，使得

结合式（11）和式（14）可得

D为由不同频率的谐波电压电流产生的无功。假定电压为纯正弦（在电网中电压波形非常接近纯正弦），电压有效值为U，总电流有效值为I，基波电流有效值为I1，其与电压的相位为φ1，n次谐波有效值为In，则可以得到[7]

可以看出，Qf为基波无功功率，D为谐波无功功率。如此，在非正弦情况下，功率因数为

式中：ν为基波电流有效值与总电流有效值之比。

基于以上分析，在电力系统设计时，应估算各用电设备的谐波电流，根据式（17）对其功率因数进行修正，以确定电力系统的总功率因数，并计算需要的补偿量。

对于本工程，根据负载类型、标称功率、谐波含量、标称功率因数，按照式（17）修正后的功率因数见表6。

表6 本工程负载谐波电流及功率因数计算

4 电能质量治理方法

表6列出了电源各回路中的谐波含量和功率因数，可以看出，功率因数均低于目标功率因数，总谐波电流大于目标谐波电流，需要进行谐波治理。

表3列出了本工程两路电源的负载，两路负载相同，仅分析其中一路的谐波及无功治理方法即可。依据负载重要等级的划分，对照表3，通风空调设备为二级负荷，混合类负载为一级负荷，其他为特别重要一级负荷。对于一级及特别重要一级负荷，应建立良好的电力环境，二级负荷达到设计指标要求即可。

按照上述原则，对于一级负荷及特别重要一级负荷，根据计算谐波电流和目标功率因数配置滤波补偿设备；对于二级负荷，控制谐波电流不超过计算值的10%（按照实际工程二级负荷容量占总容量的比例取值，以按照式（4）计算后谐波电流不超过限值为准，本工程取10%作为示例），按照目标功率因数配置补偿装置。

按照下式计算需要配置的补偿装置容量：

式中：cosφ1为补偿前功率因数；cosφ2为目标功率因数；Q为装置容量，var；S为系统视在功率，V·A。谐波抑制的方法主要包括：合理选择低压电气设备；合理选择变压器接线方式；将非线性负荷与敏感负荷分开供电；变电所低压母线侧集中设置滤波装置（无源和有源滤波装置）；对于谐波含量较大的设备或设备组采用专用回路供电，并就地设置有源滤波器进行补偿。

在本工程中，对于一级负荷及特别重要一级负荷，采用就地补偿的方式，就近设置补偿滤波设备，以确保良好的用电条件；对于二级负荷，采用在变电所低压母线侧集中设置有源电力滤波器的谐波抑制方法[8]。关于有源滤波器可参见文献[9，10]。

根据式（18）计算结果设置无功补偿设备后（具体容量从略），接入点功率因数指标符合电网要求（不低于0.9），计算结果如表7所示。

表7 谐波及功率因数补偿容量计算

按照行业经验，滤波设备的谐波滤除率一般为90%，在本工程中按照表7配置滤波器，并考虑谐波滤除率后，按照式（19）计算总谐波电流为245 A，满足变压器二次侧的谐波电流限值为1 224.4 A的要求。

根据式（1）折算到10 kV公共电网接入点侧，总谐波电流为9.8 A，符合GB/T 14549—93《电能质量 公用电网谐波》对于谐波电流的限值要求。根据表7配置无功补偿装置后，接入点功率因数达到0.9以上，符合要求。从注入公用电网的谐波电流和接入点功率因数两个维度，本工程用电负荷不会对公用电网造成污染。

5 结语

通过对本工程案例中谐波电流和功率因数的分析计算，特别是对于谐波及谐波功率因数的讨论分析，非正弦电路中谐波电流将导致额外的无功功率，有必要对工程中所有用电设备经统计后得出的无功功率进行修正，以得出比较准确的数值，为工程中滤波补偿设备的选型提供指导。