云計算IDC機房電能質量治理探究

葉惠斌

（中國移動襄陽云計算中心，湖北 襄陽441418）

隨著移動互聯網類業務需求不斷擴大，國內大型數據機房建設如火如荼。IDC數據中心電能特點是能耗密集，用電需求巨大，且用電負荷多樣化，大量具有非線性特征的負荷勢必造成電能質量的惡化，而服務器、空調系統、計算機、微電子控制等設備對電能質量的要求又極為嚴格，電能質量存在的問題日益突出。

如何提高供電質量，滿足數據中心安全、穩定、高效的運行，本文論述了IDC對供電質量的要求，提出了相關治理方案，分析了混合濾波補償裝置在投入前后的數據對比，取得了良好的治理效果。

1 IDC對供電質量的要求

1.1 相關國家標準

電能質量的法規和標準是保障電能質量的基本依據，對實施電能質量監管，維護供用電合法權益具有重要的意義。20世紀80年代初，國家技術監督局先后組織制定并頒發了六項電能質量國家標準。IDC機房終端設備主要是IT設備，對供電系統的要求更高，其供電系統必須符合六項國家電能質量標準，具體標準如表1。

表1 六項國家電能質量標準

雖然有標準規范，但接入變頻空調、UPS、HVDC、開關電源、熒光燈等負載后，會產生諧波，高頻化、輕載率和HVDC呈現的容性，反送系統將造成電能質量的降低。針對這種情況，在低壓母線集中側對諧波進行綜合治理是一種高效解決電能質量降低的方案。

1.2 IDC存在的電能質量問題

機房的IT設備UPS、HVDC、開關電源等大規模的使用，以及IT輔助設備（如：冷凍機組、空調末端采用變頻裝置，熒光燈、辦公設備等）的應用，均會產生諧波，不僅污染電源網絡，自身也會受到污染；另外高頻UPS輕載率和HVDC系統無功呈現為容性，當備用電源啟用，會與發電機的內部電抗產生電壓諧振潛在風險，降低了發電機勵磁電勢，使發電機運行不穩定，導致并機系統崩潰，也會引起系統過電壓。

（1）冷水機組空調

冷水機組采用變頻驅動，大多數以6脈整流電路為主，產生諧波為6 N±1次諧波，主要諧波為5次、7次、11次、13次等，各次諧波畸變率理論值為各次倒數，如5次諧波，5THDi＝1／5＝20%，總諧波畸變率約在25%，實測數據為30.2%～42.5%，負荷率越低畸變率越高；水泵初始功率因數在0.85左右，冷凍主機初始功率因數一般在0.92以上。如機房1 600 kVA的變壓器，其負載主要為變頻空調、變頻水泵、變頻空調末端等，總的諧波電流在200 A～400 A之間。

（2）高頻 UPS

高頻UPS電能質量特點：

a.在輕載時，電流畸變率為27%～33%，呈現為容性，容性占比為額定功率的3%～10%。諧波頻譜如圖1所示。

b.負荷率在10%～30%時，電流畸變率為15%～20%，諧波主要以5次、7次、11次、13次為主，此時無功處于感性容性臨界點。

c.負荷率在30%及以上時，電流畸變率為5%～8%，無功為感性。

通過對測試數據的分析，該數據客觀真實反映了機房存在電能質量問題。

圖1 高頻UPS輕截時諧波頻譜

2 諧波治理方案

諧波和容性無功是影響現代機房供電質量的主要因素之一，認識現狀，并找到行之有效的解決方案，是研究的核心方向，只有這樣才能確保機房供用電系統的穩定性、安全性、可靠性。

配電系統一般考慮無功補償，主要是為感性負載提供容性補償，現階段感性負載電能質量也發生了很大的變化，主要特點是功率因數很高，基本不需容性補償，另外它的諧波量變大了，有些甚至很高。結合現狀，在數據中心采用了以下兩種治理方案。

（1）純APF諧波治理

實時檢測電網中負載電流，快速分離出諧波電流分量，實時產生大小相等、方向相反的補償電流注入到電網中，實現瞬時抵消濾除諧波電流。該方案適用于數據中心動力系統諧波治理。

（2）混合濾波補償

混合濾波補償融合有源與無源技術，智能混合一體化控制，兼容性高，可以實時動態補償系統所需的容性、感性無功及諧波治理，核心控制系統采用模糊控制策略預判諧振，并能自動調整輸出，實現容性到感性的雙向調節，濾除2～50次諧波，濾除率高達95%，且性價比較高。

比較上述兩種方式，本文采用了混合濾波補償方案進行諧波治理。

3 諧波治理效果

以襄陽云計算IDC機房低壓0.4 kV母線配電系統為例，該系統主要有4種負荷類型，包括高頻UPS、變頻空調、節能燈、開關電源、空調末端等設備，這些負載均不同程度地惡化了供用電系統電能質量，亟待治理。

襄陽云計算中心IDC機房一期共有2臺1 600 kVA動力變壓器，10 kV／0.4 kV，動力變壓器負載均為變頻空調、空調末端，其余變壓器負載均為高頻UPS。

系統存在的問題如下：

（1）諧波嚴重場合，發電機組與市電切換時，控制系統受諧波影響出現故障報警。

（2）IT變壓器配置的補償裝置均未投入運行。

（3）容性無功倒送，影響油機出力。

（4）變壓器發熱嚴重并有噪聲。

數據機房的需求如下：

（1）降低諧波電流；

（2）消除系統出現的容性無功。

混合濾波補償安裝一次系統圖如圖2所示。

混合濾波補償裝置采樣點區別于傳統補償，本次升級在濾波補償裝置與負載中間增加了3只CT，目的是實現開閉環混合控制，有效地顯示投切前后相關參數。

圖2 混合濾波補償安裝一次系統圖

按照標準進行檢驗，測試地點如圖2測試點，混合濾波補償裝置在投入前后的數據對比可以判斷效果。

（1）動力變壓器主要負載是變頻空調，特征以諧波為主，治理對象是諧波，混合濾波補償裝置投入前后頻譜圖如圖3所示。

通過投入設備前后數據對比可得知，總諧波電流畸變率從原來的44%降低到4.8%，視在功率因數從0.92提高到0.99；改造前總電流為514 A，改造后總電流為482 A，波形基本回歸于正弦波，諧波的能耗也降低顯著，提高了電能純凈度。

（2）IT變壓器主要負載是高頻UPS，特征以諧波為主，容性無功為輔，混合濾波補償裝置投入前后頻譜圖如圖4所示。

圖3 變頻空調中混合濾波補償裝置投入前后頻譜圖

圖4 高頻UPS中混合濾波補償裝置投入前后頻譜圖

通過投入設備前后數據對比可知，總諧波電流畸變率從原來的36.5%降低到4.6%，容性無功36 kvar變為感性無功4.6 kvar；改造前總電流為413 A，改造后總電流為392 A，波形基本回歸為正弦波，能耗也大大降低，有效排除了諧波和容性無功對系統的危害，提高了系統穩定性。

通過對投入設備前后數據對比可得知，容性無功從原來的89.85 kvar變為感性無功3.53 kvar，總諧波電流畸變率從原來的7.9%降低到1.4%。

4 結束語

數據中心不同的負載類型，普遍存在著諧波特性，高頻化UPS、HVDC呈現的容性，不同程度地影響著電能質量。本文通過分析發現系統設備產生諧波的現狀，針對性地提出更科學、合理的改進電能質量的技術方案，取得顯著效果。