抑制數(shù)據(jù)中心諧波放大及分布式治理策略

摘要：本文主要以某大型數(shù)據(jù)中心諧波治理為例，闡述數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的有源電力濾波器諧波治理策略。

關(guān)鍵詞：智慧能源；UPS；電壓諧波；諧波放大；APF

1、引言

    在實際工程應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，由于電力輸配電設(shè)施老化、設(shè)計不良和供電不足等原因造成末端電壓過低，前端電壓過高，這對電壓要求較高的精密設(shè)備造成了很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計當(dāng)前公用電網(wǎng)影響用戶用電設(shè)備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現(xiàn)象。以上問題不可能在短時間內(nèi)做出解決，比較現(xiàn)實的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入一個二次供電設(shè)備，實現(xiàn)局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。一般常用的設(shè)備為不間斷電源系統(tǒng)UPS，它在我國的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心、證券交易中心、民航和鐵路的控制中心、監(jiān)控系統(tǒng)等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設(shè)備，正常工作的時候也會產(chǎn)生諧波電流，由于UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的諧波電流頻次和諧波有效值有很大的差異，本文就以大型數(shù)據(jù)中心的UPS為例，合理分析諧波電流頻次，采用分布式治理的方法，有效抑制諧波電流放大，優(yōu)化電能質(zhì)量，提高設(shè)備用電效率，抑制數(shù)據(jù)中心諧波放大及分布式治理策略。

2、諧波電壓對電網(wǎng)的影響

2.1  諧波電壓對配電系統(tǒng)的影響

    一般來說理想的交流電源是純正弦波形，純正弦的交流電壓加在線性負(fù)載兩端，會產(chǎn)生純正弦的交流電流。但是純正弦的交流電壓加在非線性負(fù)載兩端，會產(chǎn)生失真的交流電流，同時導(dǎo)致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負(fù)載或非線性負(fù)載兩端，都會產(chǎn)生失真的交流電流

 如圖 1所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，兩邊電容柜沒有投入運行，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓；同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，抑制數(shù)據(jù)中心諧波放大及分布式治理策略。

2.2  諧波電壓對濾波裝置的影響

    有源電力濾波器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)型有源電力濾波器、并聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目前市場上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯(lián)型，并聯(lián)型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補償負(fù)載的電流，通過計算分析提取出負(fù)載電流的諧波成分，有源電力濾波器被動輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流，達(dá)到諧波補償目的。

圖2 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖（增加APF）

    如圖2所示，1#主變和2#主變共用一段10KV母線，1#主變下UPS1沒有投入運行，主要負(fù)載全是線性負(fù)載，2#主變下UPS2投入運行，主要負(fù)載全是非線性負(fù)載，聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時，測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓；單獨運行2#主變時，測量點M2處有諧波電流和諧波電壓，開啟APF2補償后，測量點M2處諧波電壓和諧波電流有效值減??；同時運行1#主變和2#主變時，測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在，單獨開啟APF1，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化，單獨開啟APF2，測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時減小。

    上述測試中有一種情況比較特殊，在同時運行1#主變和2#主變，單獨開啟APF1進(jìn)行補償時，雖然濾波器有諧波電流輸出，但是測試點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小，測量1#主變下線性負(fù)載上的電流諧波有效值，有明顯的放大現(xiàn)象。這說明2#主變下非線性負(fù)載引起諧波電流失真，導(dǎo)致10KV段電壓失真，失真的電壓加在1#主變的線性負(fù)載兩端，使M1點出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線性負(fù)載的諧波電流進(jìn)行了補償，但M1點的諧波電流和諧波電壓不會改變，相對于APF1并線點的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變，負(fù)載側(cè)諧波電流有效值增大。因此，并聯(lián)型有源電力濾波器并不能有效濾除電壓諧波引起的電流諧波，相反，會使負(fù)載側(cè)諧波電流變的更大。

3、諧波分布式治理

    工程中往往諧波的產(chǎn)生是多方面的，非線性負(fù)荷引起的諧波、背景諧波、補償裝置諧波放大等等現(xiàn)象，都是引起諧波產(chǎn)生的重要因素。

結(jié)束語

    本文分析了數(shù)據(jù)中心主要負(fù)荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內(nèi)部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關(guān)系以及在工程項目中如何判斷諧波引起的故障，并提出解決方案，抑制諧波電流的放大，采用合理的補償策略，ui終達(dá)到濾除諧波污染的目的。得出結(jié)論：

    1.UPS的諧波主要是由相控整流功率器件引起的；

    2.12脈沖整流型UPS上下橋調(diào)相角或帶載不對稱時，輸入端11次諧波濾波器會與UPS未抵消的5次、7次諧波諧振，放大5次、7次諧波電流；

    3.有源電力濾波器APF并不適用于諧波電壓（背景諧波）引起的諧波電流濾波場合；

    4.電能質(zhì)量優(yōu)化工程項目中，了解現(xiàn)場負(fù)荷特性、分析故障根本原因，是解決工程項目諧波治理的必要條件。

文章來源：《電氣時代》2017年12期。

參考文獻(xiàn)：

    [1] 王兆安.諧波抑制和無功功率補償[M]. 北京：機械工程出版社2005(10)

    [2] 能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

    [3] 程愛玲. 淺談有源和無源產(chǎn)品在無功補償與諧波治理中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代企業(yè)教育.2014

    [4] 商少鋒. 電力有源濾波與電容器組無功補償混合應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 浙江電力，2007（4）21-24

    [5] 張崇巍，張興.PWM整流及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

    [6] *，張標(biāo)標(biāo).智慧能源[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

    [7] 高鳳友.無源逆變電源的原理與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

    [8] eliang Shu, Yuhua Guo, and Jisan Lian. Steady-state and dynamic study of active power filter with efficient  FPGA-based algorithm [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(4)：1527- 1536.

    [9] 曹武. 諧波獨立補償有源濾器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：東南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.