UPS對數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電能質(zhì)量影響研究

董鶴楠，苑 舜，韓子嬌，張林鵬，張 弘

（1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國家能源局，北京 100824；4.中國電力科學研究院，北京 100085）

UPS對數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電能質(zhì)量影響研究

董鶴楠1，2，苑 舜1，3，韓子嬌2，張林鵬4，張 弘1

（1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.國家能源局，北京 100824；4.中國電力科學研究院，北京 100085）

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，重要負荷供電電能質(zhì)量問題越來越多地引起人們的關(guān)注。UPS不間斷電源大規(guī)模使用在數(shù)據(jù)中心機房中，在保障供電可靠性的同時，UPS中整流逆變設(shè)備也會給電網(wǎng)及負荷帶來電能質(zhì)量問題，以東北某氣象部門數(shù)據(jù)中心機房服務(wù)器不定期損壞問題為研究對象，開展UPS不間斷電源對服務(wù)器電能質(zhì)量影響研究，并結(jié)合新型測試方法，對測試數(shù)據(jù)開展全面分析，為解決UPS供電帶來的電能質(zhì)量問題提供新思路。

服務(wù)器；氣象中心；電能質(zhì)量；閃變

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，電力已成為人們不可缺少的重要能源形式之一。在滿足工業(yè)生產(chǎn)、社會和人民生活對電能要求的同時，提高電能質(zhì)量已成為社會文明進步的表現(xiàn)。新技術(shù)、新方法的研究為快節(jié)奏的“電氣化生活”注入活力，但同時也給傳統(tǒng)的供電形式帶來電能質(zhì)量新問題。非線性負荷的投入，可能會給周圍居民的生活用電帶來“污染”；風電的大規(guī)模接入，可能會給周邊變電站注入特征諧波及閃變；電力電子整流逆變設(shè)備（如UPS）的使用會給重要負荷造成不可逆損壞等［1－8］。

本文以東北區(qū)域某氣象部門數(shù)據(jù)中心機房服務(wù)器不定期損壞為例，開展電能質(zhì)量研究，機房UPS是保證供電可靠性必不可少的電源設(shè)備，同時作為敏感器件，對電網(wǎng)電能質(zhì)量要求很嚴格，然而UPS本身作為非線性負荷，也會給電網(wǎng)及供電負載帶來影響。本文通過試驗，探討UPS對數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的影響。

1 UPS供電特性

1.1 基本結(jié)構(gòu)

UPS不間斷電源根據(jù)其供電方式，主要分為在線式UPS、備用式UPS以及混合式UPS三種［9］。在線式UPS的供電方案中，負荷主要是由UPS饋供。在線式UPS供電框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 在線式UPS供電框圖

在線式UPS將電網(wǎng)輸入的電整流為直流電源，1條路徑為電池組供電，另外1條路徑將直流電源逆變成交流電供給負荷［10］。當電網(wǎng)輸入的交流電中斷或故障時，逆變器電源由電池組供給，繼續(xù)為負荷提供短時電源；故障結(jié)束后，電網(wǎng)繼續(xù)提供整流后的直流源，并繼續(xù)給電池組充電。備用式UPS不同于在線式UPS，備用式UPS由電網(wǎng)直接供電，故障時，開關(guān)把負荷切換到電池組供電的逆變器上，開關(guān)轉(zhuǎn)換需要時間。備用式UPS一般不會像在線式UPS，能提供任何瞬時保護及電壓調(diào)節(jié)。

2 測試背景及方法

2.1 測試背景

東北區(qū)域某氣象中心機房服務(wù)器不定期損壞，嚴重影響機房的正常運行，給汛期數(shù)據(jù)記錄帶來嚴重的影響。針對該問題，開展電網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心機房電能質(zhì)量測試。氣象中心有2臺主變壓器，1號、2號主變型號為SCB10－1250／10。其中系統(tǒng)通過2號主變?yōu)閿?shù)據(jù)中心機房直供電能，一次系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2 氣象中心一次系統(tǒng)圖

2.2 測試方法

測試依據(jù)國標電能質(zhì)量五大標準，測試儀器采用HIOKI 3196電能質(zhì)量分析儀及HIOKI 3198電能質(zhì)量分析儀。

由圖2可見測試點位置，測試點1選擇2號主變低壓側(cè)配電柜，接線方式采用三表法，測試系統(tǒng)背景諧波情況。如系統(tǒng)供電諧波或閃變超標，會給設(shè)備帶來直接的損害，如系統(tǒng)無超標情況，可作為后續(xù)試驗的對比試驗。

機房服務(wù)器主要有兩種供電方式，一是直接市電供電，二是電池供電。兩種供電方式都通過UPS輸出。測試點2選擇UPS輸入柜（A區(qū)），測試點3選擇UPS輸出柜（A區(qū)）。測試工況分兩種：電池供電和市電供電。

3 UPS對服務(wù)器電能質(zhì)量影響

3.1 測試點1背景諧波情況

從測試結(jié)果看，本次測試周期內(nèi)，2號主變低壓側(cè)配電柜諧波電壓總畸變率的95%概率大值為2.45%（A相）、2.47%（B相）、2.61%（C相），滿足國家標準的限值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標的情況。母線電壓長時閃變最大值未超過國家標準限值。A相電壓變化曲線見圖3。

圖3 2號主變低壓側(cè)配電柜測試點A相電壓變化曲線

背景諧波測試結(jié)果電能質(zhì)量指標都在合理的范圍內(nèi)，排除系統(tǒng)供電質(zhì)量給服務(wù)器帶來的影響。

3.2 測試點2背景諧波情況

在電池供電工況下，從測試結(jié)果看，本次測試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為1.97%（A相）、2.17%（B相）、2.25%（C相），滿足國家標準的限值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標的情況，A相電壓變化曲線見圖4。母線電壓長時閃變最大值未超過國家標準限值，A相閃變變化曲線見圖5。

圖4 UPS輸入柜測試點（電池供電）380 V母線A相電壓變化曲線

圖5 UPS輸入柜測試點（電池供電）380 V母線A相電壓閃變變化曲線

在市電供電工況下，從測試結(jié)果看，本次測試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為3.25%（A相）、3.17%（B相）、3.45%（C相），滿足國家標準的限制值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標的情況。A相電壓變化曲線見圖6。母線電壓長時閃變最大值未超過國家標準限值，A相閃變變化曲線見圖7。

圖6 UPS輸入柜測試點（市電供電）380 V母線A相電壓變化曲線

圖7 UPS輸入柜測試點（市電供電）380 V母線A相電壓閃變變化曲線

UPS輸入柜無論在市電供電工況下還是電池供電工況，電能質(zhì)量指標都滿足國標要求，進一步排除系統(tǒng)側(cè)供電質(zhì)量差。可為UPS后端對比測試提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 測試點3背景諧波情況

在電池供電工況下，從測試結(jié)果看，本次測試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為1.11%（A相）、1.09%（B相）、1.11%（C相），滿足國家標準的限制值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標的情況。A相電壓變化曲線見圖8。母線電壓長時閃變最大值未超過國家標準限值，A相閃變變化曲線見圖9。

圖8 UPS輸出柜測試點（電池供電）380 V母線A相電壓變化曲線

圖9 UPS輸出柜測試點（電池供電）380 V母線A相電壓閃變變化曲線

在市電供電工況下，從測試結(jié)果看，本次測試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為1.47%（A相）、1.34%（B相）、1.32%（C相），滿足國家標準的限制值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標的情況。A相電壓變化曲線見圖10，從圖10中可以看出，電壓變化幅值很小，但變化頻率非常快，說明UPS控制策略只考慮對市電電壓幅值的限制，忽略了對變化頻率的考慮，局部放大圖見圖11，從而導致母線閃變時而發(fā)生超標，母線電壓長時閃變最大值為1.024，超過國家標準限制值，閃變變化曲線見圖12。過快的電壓波動及長期閃變超標導致服務(wù)器的不定期損壞。

圖10 UPS輸出柜測試點（市電供電）測試點380 V母線A相電壓變化曲線

圖11 UPS輸出柜測試點（市電供電）測試點380 V母線A相電壓變化曲線（局部放大）

圖12 UPS輸出柜測試點（市電供電）測試點380 V母線A相電壓閃變變化曲線

3.4 閃變治理措施

閃變的治理措施有很多，包括常用的靜止電容器、電力電子開關(guān)裝置以及增加系統(tǒng)容量，特殊方法的選定基于很多因素［11］。本文發(fā)現(xiàn)UPS控制策略有明顯的不足，根據(jù)圖11可以看出，UPS過細的對幅值進行限值，而忽略其變化頻率，從而造成閃變超標現(xiàn)象。后期可調(diào)整UPS控制策略，在標準范圍內(nèi)放寬對幅值的限定，減小電壓波動頻率，降低閃變值［12］。

4 結(jié)束語

電能質(zhì)量對生產(chǎn)及重要負荷供電至關(guān)重要，本文對東北地區(qū)某氣象中心數(shù)據(jù)中心機房服務(wù)器損壞問題進行原因分析，通過背景諧波及UPS前端測試，確定系統(tǒng)供電質(zhì)量在合格的范圍內(nèi)，不是導致服務(wù)器損壞的直接原因，通過UPS后端測試，發(fā)現(xiàn)UPS控制策略有明顯的不足，頻繁的電壓控制導致波動劇烈，閃變超標，并給出解決辦法，為后續(xù)解決UPS供電帶來電能質(zhì)量問題帶來新思路。

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Study on Effects of UPS on Power Quality of Data Center Server

DONG Henan1，2，YUAN Shun1，3，HAN Zijiao2，ZHANG Linpeng4，ZHANG Hong1
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.National Energy Administration，Beijing 100824，China；4.China Electric Power Research Institute，Beijing 100085，China）

With the rapid development of the national economy，people's material living standards continue to improve，more and more people begin to pay close attention to the power quality of the important load power.The use of UPS on a large scale in the data center room.UPS can guarantee the reliability of power supply，but the inverter equipment of UPS gives the load to bring problems for power quality.The research object of this paper is the data center computer room server of meteorological department in Northeast China.The problem is that the server is often damaged.To carry out the research on power quality of UPS.Combined with the new test method，a comprehensive analysis of the test data is carried out.This paper provides a new way to solve power quality problems caused by UPS power supply.

server；meteorological center；power quality；flicker

TP308

A

1004－7913（2016）10－0005－04

董鶴楠（1986），男，在讀博士，研究方向為微電網(wǎng)及電能質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)。

2016－07－22）