数据中心行业电能质量监测与治理方案

张培

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：数据中心产业是国家经济发展的重要组成部分，但由于其复杂的非线性负荷，如通讯、计算机、网络控制、变频空调、各种数码办公设备、灯光控制系统、 UPS、监控系统等，对大型数据中心的运行安全构成了极大的威胁。

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

0.引言

在数据中心工业中，有许多现代电力设备和设备，例如信用卡终端设备，通讯系统，计算机，网络控制设备，各种数码办公设备，灯光控制系统，消防系统，监控系统等。大量的非线性负荷对电网的供电产生了很大的影响。恶劣的谐波环境，严重影响着电力系统的正常运行，包括程序运行错误、数据错误、时间错误、死机、无故重启，严重影响电力设备的正常运行。因此，对大规模数据中心进行谐波处理已经成为一个研究热点。

“十三五”，我国提出了一个具有约束力的目标，即 GDP能耗下降20%，主要污染物排放量下降10%。提出了构建环境友好型、资源节约型和谐社会的目标。针对国家节能减排的需要，各大数据中心都对各种节能指标提出了更高的要求，但是由于采用了大量的变频节能装置，导致了数据中心的谐波失真率较高，远远超过了国内的规范和规范。针对大规模数据中心电网的谐波危害，过去仅做了相应的预防措施，例如，在确定变压器额定容量时，要考虑到谐波的失真，要预留一定的余量；针对容易发生故障的设备，增加了线路滤波器等，但是都不能从根本上消除谐波的危害。本文就此背景，对大规模数据中心的分层分布式谐波治理方案的设计、实施和效果进行了详细的阐述。

1.数据中心行业的电能质量问题来源分析

各种功率电子器件的整流器的输入电路都会引起数据中心工业装置的谐波。由于各种功率电子装置的输入端子上的整流电路的阻抗不是固定的，它的阻抗会随所加电压的改变而改变，从而使整流器从电网中吸收的电流并非正弦波。这些装置中的主要是：

1.1变频器

变频空调、变频升降机、变频升降机、变频水泵等在数据中心产业中应用广泛。由于变频装置的工作原理基本上都是整流的，所以会出现谐波。所生成的谐波类型与整流器的脉冲数目相关，其关系为：

其中 M表示整流器所产生的谐波的数量， P表示整流器的脉冲数目， n是自然数。比如，3相6脉冲整流电路，有5次，7次，11次，13次，等等。

1.2 UPS

大容量的数据中心需要高电压的电力供应，所以经常需要 UPS UPS。由于 UPS的工作原理类似于变频器，所以它的谐波发生的方式和类型也比较类似。一般情况下，6脉宽的 UPS主要产生5~7次谐波，12脉宽的 UPS主要产生11~13次谐波。

1.3 LED节能灯

节能灯电子镇流器把50赫兹的功率变换为38 kHz左右的频率，这样就可以把电灯的闪光降到感觉不到的程度。高频电子镇流器在运行过程中会出现谐波，这是因为负载的非线性导致的。通常节能灯会产生3次谐波。

2.数据中心行业的谐波特点

电力系统的谐波主要有电网侧和负荷侧两种。

2.1电力系统中的谐波

也称为低频率谐波，一般指小于40次的谐波，尤以3,5,7,9为典型，对电力系统造成损害，使电力系统的供电效率降低，电容器发热，甚至烧毁。

2.2负荷端的谐波

也就是所谓的高频谐波，一般指的是超过40次的谐波，其频率一般在2 kHz以上，对用电设备会造成损害，从而导致工作质量下降，死机，损坏，寿命降低等。

在大规模的数据中心中，谐波有如下特征：

(1)谐波源的分布比较密集；

(2)在 UPS系统中，存在大量的设备，大量的数据机房，以及大量的电脑设备，因此，必须对其进行谐波处理；

(3)谐波失真率较高，通常在40~50%之间，远大于国家标准；

                                                         谐波的分类比较与治理

3.数据中心行业的谐波危害

大数据中心的装置会受到电网阻抗的影响，其处理程序如下：

(1)各种功率电子器件产生的谐波电流；

(2)当通过栅极阻抗的谐波电流流动时，产生一个谐波电压；

(3)谐波电压会干扰其它装置。

从上述机制出发，可以得到如下的结论：

(1)根据所述各种功率电子装置的谐波电流，判断所述装置是否受各种谐波电流的影响，通常情况下，如果超过5%，则会造成装置失灵；

(2)装置愈靠近各种功率电子装置，愈有较高的谐波电压，愈易受各种功率电子装置的谐波干扰；

(3)功率愈低，各种功率电子装置的谐波电流干扰愈大，如小容量变压器、发电机、 UPS等；

(4)装置和变压器间的缆线愈长，则装置愈易受各种功率电子器件的谐波干扰。

在电力系统中，当谐波电流通过内部电阻时，通常会发生电压失真。这种平顶电压不仅会对电子装置造成直接的干扰，而且会对电子装置造成潜在的伤害，其中包括：

(1)装置使用年限的减少

大多数电子产品的输入是切换电源，而切换电源的直流汇流电压取决于交流电流的峰值，而非有效值。每隔一段时间，将平滑电容器上的电压充电至一个峰值，在交流电流峰值之后，该电容器就会释放电流，从而使直流汇流条上的电压产生较小的波动。当交流电出现平顶时， DC汇流端的电压会下降，而切换电源则会吸收更多的电流以保持相同的功率，从而提高内部的温度。

(2)减少装置的电压下降特性

在电子产品中，电压跌落性能是一个很重要的指标，即在发生短暂的电压下降时，该装置必须保证其工作状态。该装置通过储存在内置电容器中的电能来完成这项工作。容量越大，即使没有外部电源，装置也可以保持更长的时间。当电容器的电量为 C时，其电量为 UC/2, U为电容上的电压，与 AC电流的峰值相等。

平顶电压畸变表示交流电流的峰值电压下降，这也反映在电容中，电容中的蓄积能量会下降。

(3)对功率开关的影响

当装置采用紧急供电时（它的内部电阻很高）会导致更大的谐波电压失真，下面所描述的问题就是这样。在恢复外部电力供应时，由于紧急电源引起的高电压失真，将会对电力供应从紧急情况转换到外部电力供应。由于失真率过高，会影响到应急电源和外界电源的同步，如果没有同步，就无法实现并联。通过降低负荷来达到同步，有助于电源的转换。

4.数据中心行业的电能质量监测和治理解决方案

4.1解决方案

从最初的数百平米到现在的数万平米的大工程。UPS的设计能力由最初的数十 KVA增加到数千乃至数万 KVA。在数百 KVA UPS中，总谐波含量为15%时，其谐波电流只有数十 A，与整个大楼数千 A的总用电相比，几乎可以忽略不计。但 UPS的容量增加了，那就不一样了。由于目前大部分的大型数据中心都是单独的，因此，这栋大楼的电力消耗主要来自于 UPS。和 UPS的功率比起来，其他的功率灯都要小得多。比如2010年，在苏州， UPS的设计能力就达到了20,000 kVA。假定全谐波电流的百分比为15%，全负荷下的谐波电流可达1825 A。这是一个很可怕的数字，如果不加以控制，将会对电网造成很大的影响，从而增加电力系统的容量，造成电缆发热、零线带电等严重问题。

传统的谐波防护方法仅从单个器件出发，针对谐波频率较窄，不能从根本上解决问题。针对上述问题，安科瑞公司针对数据中心的现状，提出了一种基于电力系统的电力品质监控与治理系统，旨在为客户提供全方位的产品、系统、服务等全方位的服务，从而为客户带来更多的价值。

4.2方案特点

（1）电能质量监测与治理系统即可通过本地设备为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能，亦可通过接入AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理平台，为用户提供远程在线服务；

（2）符合GB/T17626.30-2012中A级准确度测量方法，适用于要求准确测量电能质量指标参数的场合；

（3）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；

（4）电能质量监测与治理装置信息互联，通过统一平台管理，方便用户同时监测电网电能质量以及治理数据；

（5）采用三电平电力电子驱动器件，通过更多的电平输出更高品质的治理波形。

4.3方案效果

(1)实时监测电网电能质量，包括电压偏差，频率偏差，谐波，电压波动，闪变，三相电压失衡等。并可对各监测点的电压电流、电压偏差、不平衡、闪变等进行数据分析，并可在此基础上对所发生的事件波形、趋势进行分析，并可根据所监测的电力品质状况进行统计分析，从而产生电能质量诊断报告。

(2)采用集中补偿+现场补偿的方式，对数据中心的无功、谐波进行更好的补偿，改善系统的电能质量、电力设备的使用效率、设备的运行效率、设备的故障率、满足数据中心设备的供电质量、满足设备的供电质量要求。

(3)本系统可为电力用户的电力指数统计及电力数据分析提供多维的工具，可为电力市场的优化运营管理及能源消耗提供参考。

5.安科瑞电能质量监测与治理产品选型

5.1集中治理

通过集中管理，可以解决数据中心工业配电系统中计算机、空调等电器设备所引起的谐波问题，保证无功功率因数符合国家标准，从而规避处罚，并可实现对电力系统的实时监测，包括谐波分析、波形采样、电压暂升/升/中断、闪变监测等。

表4电能质量监测及集中治理产品选型表

5.2就地治理

在数据中心系统中，由于 UPS系统的低端设备数量众多，采用了大量的变频设备，因此在实际应用中，总会有40%~50%的电流畸变率。同时，数据中心也在数据机房里安装了大量的节能灯电子镇流器，通常节能灯会产生三次谐波，因为每一相位都是相同的，所以会在中性线上重叠，所以不会有电流通过 N线，从而造成火灾。

根据上述负荷条件，提出了在主要设备配电箱加装电能质量补偿装置，以实现对电网中电网谐波的控制，从而防止电网中的谐波对电网及其它电力设施产生不利影响。

6.上海某银行数据中心项目电能质量治理项目案例

6.1项目背景

上海某银行的一个数据中心，包含了一个巨大的数据机房，它对电力的质量有很高的要求；为改善电力系统的可靠性，该设备使用了大量的 UPS，并在机房中安装了空调、照明设备等。这些功率电子器件都是非线性负荷，在运行时会产生大量的谐波，以5~7次为主；若不进行谐波处理，将会对电力系统产生很大的污染，并会对机房内的其它敏感设备产生干扰，例如通讯数据的错误传送，甚至瘫痪、中断，从而降低配电系统的安全性和可靠性。表4，5显示了这个数据中心的主要负荷参数和谐波估计。

6.2施政计划

根据已有的测量经验，对电网的谐波进行了分析和估计，其中的谐波主要来自于 UPS以及部分非线性负荷，电力系统包括2台800 kVA变压器和1台800 kW的发电机，采取了“集中治理+现场治理”的方式。

中央管理：由于本公司拥有大量的数据机房和大量的电脑设备，所以在每个变压器下面都安装了300 A的有源谐波处理装置，采用两个150 A的模组并机组成，采用AnSin-300-M I型，能自动追踪和补偿负荷所引起的谐波，确保电力系统的安全、稳定。

现场治理：由于 UPS是本中心的一个恶性负荷，所以必须对其所产生的谐波进行治理，以免影响到其它电力设施，所以在采用 UPS的配电房内，采用了一种新型的AnSin-300-B I有源滤波器治理系统，对 UPS造成的谐波污染进行了现场处理。

6.3治理效果

选取该中心UPS出线端对前后波形数据进行对比，通过装设AnSin-300-B Ⅰ型有源滤波治理系统后，电压畸变率从6.32%降值2.05%，电流畸变率从28.94%降值5.67%，提升了电网波形质量，具体效果及参数如下表所示。

表6 治理前后波形数据对比

7.结论

在当前的市场上，谐波治理的产品很多，但是大多数都是单一的，不能完全适应数据中心的要求。为此，安科瑞公司为数据中心提供了一套完整的电力管理监控和治理体系，从而有效地解决了数据中心的电力质量问题。从成本、性能和可靠性等方面来看，这种方案的成本、性能和可靠性都很高。

参考文献

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作者介绍：

张培，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司。