鐵路數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量模擬案例設(shè)計(jì)研究

關(guān) 磊

0 引言

信息化技術(shù)在鐵路領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，為推進(jìn)鐵路現(xiàn)代化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鐵路信息化建設(shè)更加注重互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的應(yīng)用。鐵路數(shù)據(jù)中心主要用于鐵路行業(yè)相關(guān)核心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換，承載全路集中應(yīng)用系統(tǒng)的部署及數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)，是鐵路信息化建設(shè)的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性工程，具有重要的作用及地位。

電力系統(tǒng)是鐵路數(shù)據(jù)中心安全、穩(wěn)定、流暢運(yùn)行的基本保證。本研究模擬了一個(gè)鐵路數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，從電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題的預(yù)計(jì)、電能質(zhì)量控制方法研究角度，探討大型數(shù)據(jù)中心電力設(shè)計(jì)，特別是電能質(zhì)量設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)的前期研究提出一套數(shù)據(jù)中心投運(yùn)后能夠保障電能質(zhì)量水平的措施和方法。

1 設(shè)定工程條件

數(shù)據(jù)中心采用2回10 kV進(jìn)線，經(jīng)變電后饋出三相0.4 kV低壓電源提供給用電負(fù)荷。基本負(fù)荷包含辦公用電負(fù)荷和生產(chǎn)用電負(fù)荷，辦公用電負(fù)荷主要包括變頻空調(diào)、照明、供排水、電梯、辦公、消防等用電負(fù)載；生產(chǎn)用電負(fù)荷主要包括UPS、機(jī)房空調(diào)機(jī)組、水泵、暖通、風(fēng)機(jī)、照明、插座等混合負(fù)載。

2 電能質(zhì)量基本概念及要求

電能質(zhì)量是指通過(guò)公用電網(wǎng)供給用戶(hù)端的交流電能品質(zhì)。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形、120°相位差和標(biāo)準(zhǔn)電壓為用戶(hù)供電。但由于電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、整流逆變等設(shè)備的非線性、不對(duì)稱(chēng)性，以及用電負(fù)荷的性質(zhì)、動(dòng)作等原因，加之系統(tǒng)內(nèi)部故障、外來(lái)擾動(dòng)等因素，理想狀態(tài)并不存在。因此在電網(wǎng)運(yùn)行、供用電各環(huán)節(jié)、用電設(shè)備中出現(xiàn)了各種問(wèn)題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。IEC從電磁干擾現(xiàn)象角度對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分類(lèi)[1，2]，如表1所示。

表1 IEC對(duì)電能質(zhì)量的分類(lèi)

IEEE根據(jù)電壓擾動(dòng)的頻譜特征、持續(xù)時(shí)間、幅值變化對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)分，并提出了量化的標(biāo)準(zhǔn)，更具操作性。

我國(guó)針對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，主要包括GB/T 12325—2008《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》、GB/T 14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》、GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》等。假定本工程所有設(shè)備均能夠在IEC、IEEE及國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)確定的電能質(zhì)量環(huán)境下正常運(yùn)行，這些電能質(zhì)量指標(biāo)如表2所示。

表2 本工程電能質(zhì)量指標(biāo)

本文從諧波、功率因數(shù)著手，研究工程電能質(zhì)量指標(biāo)。電壓偏差、電壓波動(dòng)、閃變主要取決于外部電網(wǎng)，本文不作討論。對(duì)于負(fù)序問(wèn)題，主要通過(guò)對(duì)單相負(fù)載的平衡配置解決，本文不作論述。

3 電能質(zhì)量指標(biāo)預(yù)計(jì)

3.1 供電方式及主要電力負(fù)荷

根據(jù)用電負(fù)荷以及電力公司的相關(guān)要求，由110 kV變電站的10 kV高壓饋出柜開(kāi)關(guān)下口至主數(shù)據(jù)中心10 kV配電所的10 kV高壓引入柜開(kāi)關(guān)下口建設(shè)共計(jì)6回路的10 kV電源，在6回路電源中，每3回由規(guī)劃變電站的2段10 kV母線段分別接引。數(shù)據(jù)中心室內(nèi)每座10 kV配電所分別接引2回10 kV電源，構(gòu)成雙重電源條件。10 kV主接線采用單母線斷路器分段，不設(shè)母聯(lián)。正常運(yùn)行時(shí)，2路電源分別運(yùn)行。假設(shè)公共連接點(diǎn)短路容量為100 MV·A[1]。

通過(guò)10/0.4 kV動(dòng)力變壓器向主要負(fù)載供電。變壓器短路阻抗6%，采用DYn11接線，其負(fù)荷包括UPS、空調(diào)、水泵、冷水機(jī)組、暖通設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、照明、辦公設(shè)施設(shè)備、生活用電等。表3列出了電力負(fù)荷類(lèi)型及功率。

表3 本工程電力負(fù)荷類(lèi)型及容量

3.2 電能質(zhì)量目標(biāo)預(yù)計(jì)

3.2.1 諧波電流限值的確定

GB/T 14549—93規(guī)定，公共連接點(diǎn)處THDu不超過(guò)5%，特指在變壓器負(fù)荷為理想線性負(fù)載或空載時(shí)變壓出口處的諧波含量指標(biāo)，是電網(wǎng)所供給電壓的本底諧波含量最大限值，電壓諧波含量低于該指標(biāo)時(shí)，能夠確保用電設(shè)備功能的正常發(fā)揮。

然而，數(shù)據(jù)中心在運(yùn)行時(shí)，各種負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流在饋電回路及變壓器上流動(dòng)，由于存在變壓器短路阻抗及供電回路電阻，諧波電流必然在這些阻抗上產(chǎn)生電壓降，致使供電回路諧波含量升高。GB/T 14549—93給出了公共連接點(diǎn)允許的電流諧波允許值。

按照動(dòng)力變壓器最大短路容量和GB/T 14549—93提供的方法，將10 kV接入點(diǎn)允許諧波電流值折算到0.4 kV側(cè)，得到低壓側(cè)允許電流限值：

式中：Sk1為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MV·A；Sk2為基準(zhǔn)短路容量，MV·A；Ihp為第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值。

按式（1）及變壓器變比對(duì)允許諧波電流進(jìn)行計(jì)算，設(shè)Sk1、Sk2均為100 MV·A，按照變壓器變比將其折算到低壓側(cè)，結(jié)果如表4所示。

表4 某工程公共連接點(diǎn)諧波電流限值 A

由于各用電負(fù)荷的單次諧波電流無(wú)法準(zhǔn)確確定，但可以按照負(fù)載類(lèi)型估算其總的諧波電流。根據(jù)表4及式（2），可以計(jì)算公共連接點(diǎn)總諧波電流限值及折算到變壓器二次側(cè)的諧波電流限值[3]。

式中：IH為總諧波電流；Ih為第h次諧波電流。

考慮諧波最高計(jì)算到25次，按照式（2），公共連接點(diǎn)諧波電流限值為48.98 A，折算到變壓器二次側(cè)的諧波電流限值為1 224.4 A。

3.2.2 負(fù)載諧波電流預(yù)計(jì)

在本工程中所使用的UPS為高頻型（輸入側(cè)PWM整流），不同于傳統(tǒng)的6脈沖或12脈沖整流，PWM整流器具有低諧波電流和高功率因數(shù)的特點(diǎn)，其輸入功率因數(shù)大于0.99，輸入電流諧波含量小于3%?？紤]一定的裕量，輸入諧波電流按5%計(jì)算。

空調(diào)、水泵、冷水機(jī)組采用變頻調(diào)速方式，其輸入側(cè)為6脈沖整流器（三相全橋整流器），即以6個(gè)半導(dǎo)體（二級(jí)管或可控硅）組成全橋整流器，每個(gè)工作周期有6個(gè)脈沖（二極管整流無(wú)需觸發(fā)脈沖，相對(duì)更為簡(jiǎn)單，其交流側(cè)電流波形類(lèi)似于觸發(fā)角最大時(shí)的可控硅整流器）控制半導(dǎo)體開(kāi)通[4]。三相全橋整流器及其輸入電流波形如圖1、圖2所示。

圖1 三相全橋整流器

圖2 三相橋式整流電路輸入側(cè)電流波形

忽略整流電路換相過(guò)程，假設(shè)交流側(cè)電感為零，直流側(cè)電感為無(wú)窮大，則交流側(cè)電流的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式為[5]

式中：Id為總基波電流；ω為角頻率；t為時(shí)間。

依據(jù)式（3），輸入側(cè)電流中含有6k±1（k為正整數(shù)）次諧波，各次電流諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且為基波有效值的諧波次數(shù)分之一。各次諧波含量見(jiàn)表5。

表5 三相全橋整流電路各次諧波含量

將表5數(shù)值代入式（4），可計(jì)算出三相全橋整流電路典型總電流諧波含量約為30%。

式中：In為n次基波電流（n= 1,2,3,…），A。

本工程所使用的照明（LED燈具或熒光燈）、插座、辦公設(shè)施設(shè)備等大多為單相整流性負(fù)載，如圖3所示。

圖3 單相全橋整流器

下文將對(duì)其交流側(cè)諧波電流進(jìn)行分析。由于網(wǎng)側(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)和諧波含量只與整流電路中直流側(cè)電容和電感有關(guān)[5]，為簡(jiǎn)化分析，以直流側(cè)為純電阻性進(jìn)行分析，則交流側(cè)電流i1可以表示為[6]

式中：k= 0,1,2,…；I1為總諧波電流；α為導(dǎo)通角。

式（5）為周期函數(shù)，其傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為

其中：

由式（6）可知，純電阻負(fù)載單相全橋整流電路交流側(cè)電流成分包括基波及3，5，7，9…次諧波。當(dāng)直流側(cè)負(fù)載為輕載時(shí)，其輸入電流中以諧波成分為主，THDI可超過(guò)100%；當(dāng)直流側(cè)負(fù)載為重載時(shí)，諧波電流成分降低。

在本工程中，由于單相負(fù)載種類(lèi)繁多，運(yùn)行方式多變，難以對(duì)諧波電流情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。為便于工程計(jì)算并有合理的裕量，對(duì)這些設(shè)備的諧波電流含量按照100%計(jì)算。

3.2.3 功率因數(shù)預(yù)計(jì)

線性正弦電路的功率定義為[7]

式中：P為有功功率，W；U為電壓，V；I為電流，A；φ為電壓與電流的相位角；Q為無(wú)功功率，var；S為視在功率，V·A。

有功功率P越接近視在功率S，電氣設(shè)備的容量越能得到充分利用。功率因數(shù)反映了有功功率P接近視在功率的程度。在正弦電路中，功率因數(shù)由電壓和電流的相位差決定，用cosφ表示。S、P、Q有如下關(guān)系：

在非正弦電路中，功率的物理意義與正弦電路相同，但由于諧波的存在，有必要區(qū)分基波電壓電流產(chǎn)生的無(wú)功功率、同頻率諧波電壓電流產(chǎn)生的無(wú)功功率、不同頻率電壓電流產(chǎn)生的無(wú)功功率。對(duì)于含有諧波的非正弦電路，仿照式（10）可以定義無(wú)功功率Qf為

式中：Qf為基波和諧波產(chǎn)生的總無(wú)功功率，var；Un為基波或諧波電壓，V；In為基波或諧波電流，A；φn為基波或諧波電壓與電流相位角。

Qf反映了同頻率電壓電流產(chǎn)生的無(wú)功功率，由于不同頻率諧波不能相互抵消，式（12）的計(jì)算結(jié)果會(huì)引起抵消的結(jié)果，這是不合理的，因此

為解決這一問(wèn)題，引入畸變功率D[7]，使得

結(jié)合式（11）和式（14）可得

D為由不同頻率的諧波電壓電流產(chǎn)生的無(wú)功。假定電壓為純正弦（在電網(wǎng)中電壓波形非常接近純正弦），電壓有效值為U，總電流有效值為I，基波電流有效值為I1，其與電壓的相位為φ1，n次諧波有效值為In，則可以得到[7]

可以看出，Qf為基波無(wú)功功率，D為諧波無(wú)功功率。如此，在非正弦情況下，功率因數(shù)為

式中：ν為基波電流有效值與總電流有效值之比。

基于以上分析，在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)估算各用電設(shè)備的諧波電流，根據(jù)式（17）對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行修正，以確定電力系統(tǒng)的總功率因數(shù)，并計(jì)算需要的補(bǔ)償量。

對(duì)于本工程，根據(jù)負(fù)載類(lèi)型、標(biāo)稱(chēng)功率、諧波含量、標(biāo)稱(chēng)功率因數(shù)，按照式（17）修正后的功率因數(shù)見(jiàn)表6。

表6 本工程負(fù)載諧波電流及功率因數(shù)計(jì)算

4 電能質(zhì)量治理方法

表6列出了電源各回路中的諧波含量和功率因數(shù)，可以看出，功率因數(shù)均低于目標(biāo)功率因數(shù)，總諧波電流大于目標(biāo)諧波電流，需要進(jìn)行諧波治理。

表3列出了本工程兩路電源的負(fù)載，兩路負(fù)載相同，僅分析其中一路的諧波及無(wú)功治理方法即可。依據(jù)負(fù)載重要等級(jí)的劃分，對(duì)照表3，通風(fēng)空調(diào)設(shè)備為二級(jí)負(fù)荷，混合類(lèi)負(fù)載為一級(jí)負(fù)荷，其他為特別重要一級(jí)負(fù)荷。對(duì)于一級(jí)及特別重要一級(jí)負(fù)荷，應(yīng)建立良好的電力環(huán)境，二級(jí)負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求即可。

按照上述原則，對(duì)于一級(jí)負(fù)荷及特別重要一級(jí)負(fù)荷，根據(jù)計(jì)算諧波電流和目標(biāo)功率因數(shù)配置濾波補(bǔ)償設(shè)備；對(duì)于二級(jí)負(fù)荷，控制諧波電流不超過(guò)計(jì)算值的10%（按照實(shí)際工程二級(jí)負(fù)荷容量占總?cè)萘康谋壤≈?，以按照式?）計(jì)算后諧波電流不超過(guò)限值為準(zhǔn)，本工程取10%作為示例），按照目標(biāo)功率因數(shù)配置補(bǔ)償裝置。

按照下式計(jì)算需要配置的補(bǔ)償裝置容量：

式中：cosφ1為補(bǔ)償前功率因數(shù)；cosφ2為目標(biāo)功率因數(shù)；Q為裝置容量，var；S為系統(tǒng)視在功率，V·A。諧波抑制的方法主要包括：合理選擇低壓電氣設(shè)備；合理選擇變壓器接線方式；將非線性負(fù)荷與敏感負(fù)荷分開(kāi)供電；變電所低壓母線側(cè)集中設(shè)置濾波裝置（無(wú)源和有源濾波裝置）；對(duì)于諧波含量較大的設(shè)備或設(shè)備組采用專(zhuān)用回路供電，并就地設(shè)置有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。

在本工程中，對(duì)于一級(jí)負(fù)荷及特別重要一級(jí)負(fù)荷，采用就地補(bǔ)償?shù)姆绞?，就近設(shè)置補(bǔ)償濾波設(shè)備，以確保良好的用電條件；對(duì)于二級(jí)負(fù)荷，采用在變電所低壓母線側(cè)集中設(shè)置有源電力濾波器的諧波抑制方法[8]。關(guān)于有源濾波器可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9，10]。

根據(jù)式（18）計(jì)算結(jié)果設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后（具體容量從略），接入點(diǎn)功率因數(shù)指標(biāo)符合電網(wǎng)要求（不低于0.9），計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 諧波及功率因數(shù)補(bǔ)償容量計(jì)算

按照行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，濾波設(shè)備的諧波濾除率一般為90%，在本工程中按照表7配置濾波器，并考慮諧波濾除率后，按照式（19）計(jì)算總諧波電流為245 A，滿(mǎn)足變壓器二次側(cè)的諧波電流限值為1 224.4 A的要求。

根據(jù)式（1）折算到10 kV公共電網(wǎng)接入點(diǎn)側(cè)，總諧波電流為9.8 A，符合GB/T 14549—93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對(duì)于諧波電流的限值要求。根據(jù)表7配置無(wú)功補(bǔ)償裝置后，接入點(diǎn)功率因數(shù)達(dá)到0.9以上，符合要求。從注入公用電網(wǎng)的諧波電流和接入點(diǎn)功率因數(shù)兩個(gè)維度，本工程用電負(fù)荷不會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)造成污染。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本工程案例中諧波電流和功率因數(shù)的分析計(jì)算，特別是對(duì)于諧波及諧波功率因數(shù)的討論分析，非正弦電路中諧波電流將導(dǎo)致額外的無(wú)功功率，有必要對(duì)工程中所有用電設(shè)備經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得出的無(wú)功功率進(jìn)行修正，以得出比較準(zhǔn)確的數(shù)值，為工程中濾波補(bǔ)償設(shè)備的選型提供指導(dǎo)。