濾波補償裝置在數據處理行業的應用

鄒佳鷗

（哈爾濱同為電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090）

0 引 言

數據處理中心具有負荷集中和諧波含量復雜的特點，為了數據交換機等設備的正常工作，通常需要安裝大量的換氣和空調設備，這些設備均屬于非線性負載類型，具備能耗高、功率因數低以及諧波含量復雜的典型特征。一方面這些交流異步電機自身功率因數普遍在0.8～0.85，功率因數較低，需要大量的無功功率才能正常運行，另一方面交流異步電機的非線性特性使之成為高次諧波的主要來源[1]。

近些年，空調電源更新換代較快，新的空調電源多采用帶變頻設備調速的異步電機作為動力來源，隨著變頻器的大量使用，導致諧波含量急劇增加，引發的問題逐漸顯現出來，各次諧波含量占比日益復雜，從3次、5次以及7次諧波占主導，逐漸變成11次和13次諧波變成主要諧波，這些諧波可能導致繼電保護系統失靈、設備損壞或運行異常，甚至會造成設備燒毀或絕緣擊穿[2]。此外，異步電動機所需的無功功率如果不能就地供給，只能來源于公用電網，那么無功功率的長距離流動將嚴重占用線路資源，增加不必要的功率消耗，因此必須采取技術手段，提高行業的能源利用效率，契合節能減排的國家戰略，提高數據處理行業的用電安全和用電效率。

1 濾波補償裝置的應用方案設計

1.1 背景分析

為了能夠對數據處理行業的配電系統進行精確的無功補償和諧波治理，本文詳細調查和研究了該行業中各種典型的負荷，同時統計和分析了該行業無功電源配置和運行狀況數據。從統計的結果來看，數據處理行業普遍存在功率因數較低的問題，其根本原因是無功補償裝置容量不夠，也存在部分裝置電容器衰減嚴重的現實情況，這就造成了數據處理行業的企業的電費中，繳納力調電費的比重較高，造成企業負擔加重。另外公用電網中的高次諧波直接影響數據處理設備的運行安全，可能造成設備過熱、數據處理異常甚至停機等事故，也直接影響通信處理的連續性，因此必須考慮高次諧波對數據處理行業的重大影響，安裝諧波濾除裝置，以降低事故率，提高整個行業的設備運行安全水平。

1.2 諧波分析

根據GB/T 14549—1993的要求，在不同電壓水平下，各次諧波允許閾值被嚴格限值，這就要求各個企業接入點的各次諧波含量必須滿足國標的要求。數據處理行業使用的空調和風機等非線性設備普遍采用6脈沖整流逆變設備供電，3次、5次以及7次諧波含量明顯高于國家標準。近些年，隨著國家能源政策的收緊，新建數據處理中心普遍采用12脈沖整流逆變電源供電。這兩種不同脈沖數的供電方案中，諧波次數占比不同，6脈沖供電系統中5次和7次諧波占主導，而12脈沖供電系統中11次和13次諧波占主導地位。數據處理中心主要次數諧波含量統計平均值如表1所示（0.38 kV，折算短路容量10 MVA）。

表1 數據處理中心主要次數諧波含量統計平均值表

1.3 無功功率補償分析

統計分析數據通信行業普遍使用的變壓器可以看出，數據通信行業普遍采購節能型變壓器，變壓器自身對功率因數的影響很小。通信行業的低功率因數，究其原因是風機和空調等負載正常運行所需的大量無功功率來源于供電電網，因此就地或就近為這些負載提供部分或全部無功功率能降低供電系統的無功功率供給量，以提高功率因數。

目前，數據通信等行業的就地補償方案中，采用電容器補償是最常用的方案，該方案具有投資適中、技術成熟、運行可靠以及易維護的優點。電容器根據投切方式不同大致可分為以下兩種類型，一是機械開關式，如采用接觸器控制電容器投入或切斷，缺點是產生暫態過渡過程，可能引起電容器的過電壓和接觸器觸點的燒蝕。二是觸點開關投切方式，采用電力電子器件（以可控硅為例）對電容器組投切，優點是不存在觸點燒蝕的問題，同時無沖擊且無過渡過程，因此采用可控硅等電力電子器件投切電容技術具有補償精度高，產生諧波量低的優點。綜上所述，建議數據通信行業采用可控硅等電力電子器件投切的無功補償方案，從而取得精確補償與降低諧波含量的雙贏。

1.4 方案設計

如果用戶側能夠自行建設無功功率電源，解決大部分的無功功率自給自足，則供電電網需要提供的無功功率將大幅降低，從而必將極大提高供電電網的供電效率，降低無功功率在網間流動帶來的網絡能量損耗，同時也將減小導線截面，大幅降低線路的工程造價。

為了解決無功功率基本自給自足的問題，需要用戶自備無功補償裝置。目前，無功功率補償裝置普遍采用電容器，電容器的投入雖能提高供電電網的功率因數，但存在與感性負荷諧振的致命風險，一旦容性參數與感性參數達到一個量級，將會發生諧振或接近諧振，可能導致設備燒壞，繼電保護誤動或拒動的嚴重后果，因此電容器分組時，應充分考慮分組容量和投切容量必須避開諧振容量[3]。

為了抑制非線性負載產生的諧波進入公用電網或在機房與設備之間流動，應安裝針對該類負載產生的主要諧波次數設計的濾波裝置。該濾波裝置應遵循盡量靠近諧波源負載側安裝的原則，以達到抑制諧波在設備之間和機房內流動的效果，達到諧波的最優化治理效果[3]。

總結分析數據通信行業的負荷所需無功補償和諧波治理，解決方案可按以下原則進行設計。濾波治理方案應結合無功補償同時進行，無功補償方案主要考慮集中設置在為數據通信機房供電的變電站出線母線上，采用無觸點的電力電子器件（可控硅）投切電容器方式，電容器的分組應避開諧振容量，諧波治理設備應考慮數據通信行業負荷的諧波情況，隨負載安裝，盡量靠近負載，并濾除主要諧波次數[4]。

2 濾波補償裝置的選用

2.1 選擇思路

無功補償與濾波裝置應滿足兩個基本功能，一是能夠消除指定次數諧波，使得為數據通信設備供電變電站母線上的電壓或電流波形更接近正弦波形，二是能夠在滿足諧波濾除要求的基礎上，提高供電系統的功率因數。基于以上兩點要求并結合上述的分析，在采用6脈沖整流變頻供電供電的數據通信中心，濾波裝置應至少能夠消除5次和7次諧波，對于采用12脈沖整流逆變裝置供電的數據通信中心，應至少能夠消除11和13次諧波，對于無功補償裝置，因其投切電容的開關形式很多，因此各數據通信中心可根據具體情況選用不同的投切方案，但補償容量及投切方式需要與諧波濾除裝置協同考慮。

2.2 裝置選擇

諧波濾除裝置應根據數據通信企業自身的數據安全級別選擇，若數據中心的重要性一般，僅僅濾除指定次數諧波即可滿足要求，此時可考慮使用無源濾波裝置，即代用不同的低阻抗通道分別濾除指定次數諧波的濾除形式。若對供電要求較高，數據重要程度很高的數據處理或交換中心，應盡量考慮采用有源濾波方案，使得供電系統中的各次諧波被反向沖掉，供電母線上的電壓和電流波形更接近正弦波形。有源濾波裝置造價雖遠高于無源濾波裝置，但濾波效果非常好。

無功補償裝置應主要選擇無觸點投切方式，一次性投入，后期投入較小。無功補償裝置應考慮與諧波濾除設備協同使用，以期達到最好的電能治理效果，另外裝置中所選元件的質量、不同元件之間的參數匹配是否合理以及裝配工藝都是影響濾波補償裝置效果的重要因素。在設計時應考慮瞬時過電壓和過電流對電容器的影響，并在選擇電容器時可以適當地提高電容器的耐壓水平和溫度極限。

3 濾波補償裝置的校驗

3.1 系統諧振校驗

本文通過實際調查采用6脈沖和12脈沖的不同供電系統的數據處理中心，以及采用不同無功補償和濾波方案的數據通信中心，結果顯示，采用無觸點的補償方案與有源濾波方案協同運行，對于降低供電系統的諧波含量，提高供電系統功率因數效果明顯，并且在補償回路根據主導諧波次數不同串入小電抗器，使得補償回路呈現感性特性，即可避免諧振的發生，無需校驗諧振。

3.2 濾波效果校驗

記錄本文建議采用的無觸點補償與有源濾波方案的運行數據，結果顯示，按照本文提供的方案，供電母線的波形良好，功率因數高于國家標準，沒有出現過補償問題。從諧波濾除率來看，采用有源濾波方案的系統，諧波濾除率在98%以上，濾除效果很好，采用無源濾波方案的系統，3次諧波濾除率為87%，5次諧波濾除率為84%，7次諧波濾除率為91%，其他次數諧波因占比很小，基本不影響設備運行，因此未設計濾除通道。

4 結 論

數據處理中心的供電和運行安全以及電能傳輸效率取決于諧波含量與功率因數這兩個重要參數，因此在數據中心裝設濾波裝置與無功補償裝置是提高供電效率和減少事故率的有效手段。從企業長遠角度看，一次性投入無功補償和濾波設備，將節約因功率因數低造成的罰款電費，同時大大降低因諧波造成的設備停運和繼電保護系統誤動與拒動事故。若數據處理等各相關行業企業能夠普遍采用無觸點投切無功補償與有源濾波技術相結合的方案，那么對提高公用電網的供電質量和數據中心的安全運行將發揮重要作用。