數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量隱患整治

顧建青，吳 捷

（中國(guó)電信股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

供電系統(tǒng)作為整個(gè)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施重要組成部分，是保證數(shù)據(jù)中心設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的基石，目前數(shù)據(jù)中心不間斷電源主要有以下供電方式：

（1）UPS雙級(jí)變換供電制式；

（2）HVDC高壓直流供電制式。

上述供電方式保障了數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的正常運(yùn)行，但同時(shí)也帶來(lái)了新的電能質(zhì)量相關(guān)問(wèn)題，例如容性無(wú)功、諧波、中性線電流過(guò)大等。為進(jìn)一步了解數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)存在的問(wèn)題，蘇州電信分公司對(duì)某兩個(gè)數(shù)據(jù)中心（下述1號(hào)數(shù)據(jù)中心、2號(hào)數(shù)據(jù)中心）采用的不同供電方式的配電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試分析，并成功使用多功能電能治理終端進(jìn)行電能質(zhì)量問(wèn)題治理[1]。

1 數(shù)據(jù)中心供電方式介紹

1.1 UPS雙變換供電

UPS雙變換供電制式是目前數(shù)據(jù)中心行業(yè)應(yīng)用最久、最廣的供電模式。其在市電供電正常時(shí)，UPS經(jīng)過(guò)AC/DC和DC/AC的兩級(jí)變換給IT設(shè)備提供交流電源。在市電供電中斷時(shí)，蓄電池經(jīng)UPS的DC/AC逆變器給數(shù)據(jù)設(shè)備負(fù)載供電，雙變換UPS需要進(jìn)行兩次電力交換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的供電，雙變換效率損耗通常高達(dá)4%～12%。

數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)一般采用2N系統(tǒng)配置，如圖1所示。2N系統(tǒng)配置中每套不間斷電源正常運(yùn)行時(shí)承擔(dān)總負(fù)載的50%，實(shí)際運(yùn)行中UPS帶載率約為30%～45%。

圖1 UPS雙變換供電系統(tǒng)

UPS都帶有功率因數(shù)校正電路，負(fù)載率較大的情況下可以實(shí)現(xiàn)很高的功率因數(shù)和很小的諧波，但是實(shí)際上因?yàn)?N的配置或者冗余的需求，加之在負(fù)載率不高情況下也會(huì)呈現(xiàn)一定的容性阻抗特性，并且在整流和逆變過(guò)程中還有諧波產(chǎn)生[2]。

1.2 HVDC高壓直流供電

HVDC高壓直流供電制式相對(duì)于UPS雙變換供電制式，設(shè)備電路結(jié)構(gòu)中省去了逆變電路，將成熟的高頻開(kāi)關(guān)電源電壓等級(jí)提高至240 V或336 V，相對(duì)于24 V、48 V通信電源,由于其電壓較高,因此被定義為HVDC。HVDC高壓直流供電制式在市電供電正常時(shí)，HVDC經(jīng)過(guò)AC/DC變換輸出直流電給IT設(shè)備負(fù)載供電；在市電供電中斷時(shí),蓄電池經(jīng)直接給IT設(shè)備負(fù)載供電[3]。

HVDC高壓直流供電系統(tǒng)也采用2N系統(tǒng)配置，如圖2所示，HVDC系統(tǒng)實(shí)際帶載率與UPS系統(tǒng)類似。這些高頻開(kāi)關(guān)電源類設(shè)備的功率因數(shù)校正電路，同UPS一樣在負(fù)載率不高的情況下也會(huì)呈現(xiàn)一定的容性阻抗特性，存在諧波。

圖2 HVDC高壓直流供電系統(tǒng)

2 電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

選擇UPS供電系統(tǒng)和HVDC供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行配電系統(tǒng)末端電能質(zhì)量測(cè)試，采用Fluke 434-II專業(yè)的電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行測(cè)試。其中：1號(hào)數(shù)據(jù)中心采用UPS雙變換供電，2號(hào)數(shù)據(jù)中心采用HVDC高壓直流供電，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 電能質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)

1號(hào)數(shù)據(jù)中心UPS容量為500 kVA，實(shí)際帶載率約15%，電流諧波高達(dá)31.6%，主要以5、7、11、13次諧波電流為主，輸入負(fù)載特性為容性，功率因數(shù)為0.95，中性電流20 A。

2號(hào)數(shù)據(jù)中心HVDC容量為800 A，實(shí)際帶載率約26%，電流諧波高達(dá)23.8%，以5、7次諧波為主，輸入負(fù)載特性為容性，功率因數(shù)為0.99。

3 數(shù)據(jù)中心供電方式存在的問(wèn)題及危害

從第1節(jié)介紹可知，不論是UPS雙變換供電制式，或是HVDC高壓直流供電，其系統(tǒng)中越來(lái)越多的高頻模塊化UPS、高壓直流、48V通信電源等開(kāi)關(guān)電源類負(fù)載通常帶有功率因數(shù)校正電路，50%以上負(fù)載率情況下可以實(shí)現(xiàn)很高的功率因數(shù)和很小的諧波。實(shí)際上因?yàn)?N的配置或者冗余的需求，在負(fù)載率不高情況下也會(huì)呈現(xiàn)一定的容性阻抗特性（比如典型服務(wù)器電源實(shí)測(cè)工作時(shí)PF值為-0.92）。并且在工作過(guò)程中還有諧波產(chǎn)生，主要是5、7、11、13次。這些在供配電末端產(chǎn)生的問(wèn)題也尤為重要，給配電系統(tǒng)帶來(lái)了不可靠性，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)安全。

3.1 容性無(wú)功對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓。發(fā)電機(jī)帶載時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)定子繞組時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互疊加，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)被定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)加強(qiáng)或減弱。

當(dāng)負(fù)載呈容性時(shí)，負(fù)載電流超前電壓，定子繞組產(chǎn)生了與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，加強(qiáng)了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)器將減少勵(lì)磁電流，達(dá)到磁場(chǎng)強(qiáng)度的平穩(wěn)，保證輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載超前電流值不斷增加，自動(dòng)調(diào)節(jié)器將減少勵(lì)磁電流直至不輸出勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度依然上升，磁場(chǎng)強(qiáng)度失去控制，造成輸出電壓上升，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出過(guò)電壓而停機(jī)[4]。

如圖4所示，在容性負(fù)載特性下，發(fā)電機(jī)組實(shí)際帶載能力趨于陡線性下跌。在數(shù)據(jù)中心日常運(yùn)維中，由于容性負(fù)載特性，直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組應(yīng)急供電期間的安全可靠性，從而影響數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖4 發(fā)電機(jī)組帶載特性

3.2 諧波的危害

（1）諧波電流使發(fā)電機(jī)組發(fā)熱嚴(yán)重、噪音大，振動(dòng)大，降低發(fā)電機(jī)組的輸出容量；

（2）諧波電流使通信線路產(chǎn)生噪聲，甚至造成故障；

（3）諧波電流使變壓器發(fā)熱、降低效率；

（4）諧波電流使電容器損壞，產(chǎn)生鼓包、漏液等，嚴(yán)重可能炸毀產(chǎn)生火災(zāi)；

（5）諧波電流使斷路器、繼電器等設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作；

（6）諧波電流使電線發(fā)熱、老化，縮短壽命，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生火災(zāi)；

（7）諧波電流使計(jì)量表計(jì)產(chǎn)生誤差，計(jì)量混亂。

4 電能質(zhì)量治理

4.1 電能質(zhì)量治理終端應(yīng)用數(shù)據(jù)測(cè)試

筆者分別在1號(hào)、2號(hào)數(shù)據(jù)中心末端用電設(shè)備前端加裝了多功能電能治理終端，并采用Fluke 434-II專業(yè)的電能質(zhì)量分析儀對(duì)電能質(zhì)量治理終端投后數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試。圖5所示為測(cè)試點(diǎn)位置及多功能電能治理終端接入位置。

圖5 電能質(zhì)量治理終端安裝位置及測(cè)試點(diǎn)圖示

如圖6所示，在電能質(zhì)量治理終端接入投運(yùn)后，末端電能質(zhì)量數(shù)據(jù)得到有效改善，電流波形均趨于正弦波；1號(hào)數(shù)據(jù)中心中線電流基本將至3A；配電系統(tǒng)呈現(xiàn)感性，并且功率因數(shù)達(dá)到0.99以上。

圖6 電能質(zhì)量治理后測(cè)試數(shù)據(jù)

1號(hào)數(shù)據(jù)中心測(cè)試數(shù)據(jù)在治理設(shè)備投運(yùn)后電流有效值下降，A/B各相下降5%左右，中線電流治理效果明顯，下降85%，降低了整個(gè)系統(tǒng)的線損，并且功率因數(shù)從0.95提高至0.99。2號(hào)數(shù)據(jù)中心測(cè)試數(shù)據(jù)在治理設(shè)備投運(yùn)后電流有效值下降，A/B/C各相下降3%左右，降低了整個(gè)系統(tǒng)的線損。上述數(shù)據(jù)說(shuō)明電能質(zhì)量治理終端幫助用戶節(jié)約了電能，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心綠色用電、高效用電的宗旨。

4.2 電能質(zhì)量治理終端

電能質(zhì)量治理終端是以使用先進(jìn)的電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，采用全新的電能控制理念及技術(shù)，以并接方式接入配電系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的電壓、電流分量，并通過(guò)瞬時(shí)無(wú)功算法，使裝置通過(guò)換流電路產(chǎn)生一種配網(wǎng)系統(tǒng)所需要的動(dòng)態(tài)、連續(xù)的電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)的補(bǔ)償，達(dá)到濾除系統(tǒng)諧波電流、補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功（容性、感性）以提高功率因數(shù)、消除系統(tǒng)中線電流的目的[5]。

電能質(zhì)量治理終端系統(tǒng)框圖如圖7所示。圖中eS表示交流電源，負(fù)載（UPS及開(kāi)關(guān)電源類）產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。電能質(zhì)量治理終端系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的無(wú)功電流分量、諧波分量、中線電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路3個(gè)部分構(gòu)成。主電路目前均采用PWM變流器。

圖7 電能質(zhì)量治理終端系統(tǒng)框圖

電能質(zhì)量治理終端系統(tǒng)原理如圖8所示。圖中ea、eb、ec為交流電源，負(fù)載為開(kāi)關(guān)電源等非線性負(fù)載，Lsa、Lsb、Lsc分別代表三相的電網(wǎng)阻抗。電能質(zhì)量治理終端主要由以下幾部分組成：指令運(yùn)算電路，電流跟蹤控制電路，驅(qū)動(dòng)電路以及主電路。其中指令運(yùn)算電路的主要任務(wù)是按照要求檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波、無(wú)功、中線電流以及負(fù)序分量等。電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及主電路合在一起可以稱為補(bǔ)償電流發(fā)生電路，它的主要作用是根據(jù)指令運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償指令，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路主要由IGBT構(gòu)成的電壓型PWM變流器，以及與其相連的電感和直流側(cè)電容組成。電能質(zhì)量治理終端現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖8 電能質(zhì)量治理終端系統(tǒng)原理

圖9 電能質(zhì)量治理終端現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心在不同供電方式下，用電末端均存在同樣的電能質(zhì)量問(wèn)題：容性無(wú)功、諧波、中線電流大等，如何確保最后一步供電可靠性也非常重要。多功能電能治理終端對(duì)于數(shù)據(jù)中心存在的末端電能質(zhì)量治理問(wèn)題治理效果良好，并且有綠色節(jié)能的作用，可在數(shù)據(jù)中心行業(yè)進(jìn)行推廣。