淺析算力樞紐的冷凍水系統中變頻器諧波的影響

周 平，趙宇衡，迮天怡

（1.中國移動江蘇公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215028；2.中國移動江蘇公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

常規冷凍水系統中的冷凍水泵、冷卻水泵所使用的變頻器電氣一次系統如圖1所示。

圖1 冷凍水機組水泵用變頻器系統

水泵供電的變頻器常規采用交流-直流-交流系統結構，將普通電網中的50 Hz/400 V的交流電變換成各種頻率的交流電源，以最終實現冷凍水系統中一/二次水泵電機的變速運行。變頻器主要分為兩個部分：一是變頻器的神經系統即本體的二次控制電路，通過控制回路完成對變頻器輸出的調節；二是交流變頻主體的調速裝置則用于實現交流異步冷凍水水泵的電動機調速，經過變頻調速后，頻率可變范圍變廣、冷凍水供回水節能效果顯著提高、水泵的運行也穩定可靠。但整體供電系統由于變頻器的諧波危害，為冷凍水系統的供冷泵的正常運行帶來威脅[1]。

1 變頻器諧波原理

電機運行中的轉速和電源頻率是一種線性關系，變頻器利用的就是諧波原理。將普通電網中的50 Hz/400 V的交流電通過整流和逆變的過程轉換為在一定范圍內可調節頻率的交流供電冷凍一/二次水泵電源。在負載進行開斷的過程中，變頻器的整流輸入和逆變輸出部分從原理上將會對應激發出高次諧波。此外，冷凍水泵用變頻器的輸入端激發的諧波還將會從輸入的交流電源線對整體市電外網的供電產生奇次諧波效應。傳統6脈沖整流控制簡單、成本低，但產生的諧波大，對電源的供電質量影響大[2]。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）整流廣泛采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）控制，可以有效將電流波形最大程度正弦化，從而針對性地降低電流諧波。變頻器一次主供電電路前端整流輸入部分為50 Hz/400 V交流變頻的市電電源，選用與一次回路對應的電容濾波及預制型號的功率相對較大晶體管的元件開關，從而逆變形成了頻率可以調整的交流電信號。

對于變頻器本身而言，只要是冷凍水系統水泵工頻交流供電的電源輸入側設計有整流的一次電路的，一般情況下都會產生因非線性器件自身特點引起的諧波。以最常用的三相橋整流電路為例，國家電網電壓為標準的正弦波，而交流工頻的輸入側電流示波器可以觀察到方波的波形記錄。對于這個輸入方形波形，可以按照電工學中傅氏級數的原理將其分解。該方波是由基波及各次諧波等共同形成，通常應該含有6m±1（m為正整數）次諧波。其中，分解產生的所謂高次諧波會對外市電公共電網產生干擾，而單個基波將會與幾個分解的高次諧波產生重疊，疊加后一般稱為畸波。對于傳統的整流輸入部分為降低造價一般采用6脈沖相控整流，雖然控制簡單，但是會在電網中產生大量的5次、7次諧波，嚴重影響交流供電電源的質量[3]。

在冷凍水水泵變頻器的逆變后端輸出供電回路中，對水泵的輸出部分電壓和相伴而生的輸出電流均可能都存在諧波。由于在水泵使用的變頻器主要是利用不停變換來產生合計6組脈寬波形，這6組波形可以調節。變頻器的后端輸出電壓及對應輸出的電流是由三角載波及正弦脈寬調制（Sinusoidl Pulse Wdth Modulation，SPWM）波在輸出波形的交點形成，不是類似外市電純凈標準的正弦輸出波。從以上變頻器的電壓輸出波形看，其后端輸出的電壓波形從測試中發現為方形波，用前述傅氏級數的原理將其分解為2類波形，即輸出端電壓方波與輸出端一次回路電流正弦鋸齒波。后端輸出中包含不是太強的高次諧波常見成分，而這種存在的高次諧波對冷凍水水泵設備會激發很強的諧波干擾，甚至造成冷凍水水泵不能使用，周圍冷凍水系統使用的儀器檢測信號也會失真。當后端輸出電流經過后端存在的非線性負載時，與該負載兩端回路中的電壓不呈線性關系，在一次回路中形成所謂的非正弦失真電流，從而在冷凍水機組水泵供電電路中產生對整個網絡危害非常大的諧波。

2 諧波的危害

從變頻器至水泵在冷凍水系統中一般超過100 m，根據電子集膚效應以及明確的會集中于各類導體（電纜）的鄰近側流動鄰近效應，冷凍水系統的水泵變頻器的外市電供電線路的電阻會隨交流頻率增加而提高，造成供電一次回路電能能量的損失。在日常交流電的三相四線中，中性線流過的電流非常小，其供電線徑較細。當冷凍水供電變頻器產生的大量3次諧波電流流過三相四線的中性線時，會使導線產生過熱，從而導致線纜損壞[4]。

諧振會將諧波放大，這將會造成冷凍水系統中污染電網能量大大增加，情況嚴重的甚至會誘發不可預計大型事故。通過案例分析，冷凍水系統中的冷凍水泵（Uninterruptible Power Supply，UPS）供電系統特別需要關注。UPS和變頻器均存在整流和逆變電路，產生串聯諧振的風險很大，特別是某些變頻器在工程選型時未采用諧波治理的選配件時易發生諧振。

諧波將使冷凍水系統二次回路中的保護功能-繼電保護和關鍵功能自動裝置在關鍵時刻出現誤動作，影響使用。諧波會使冷凍水系統中的計量儀表和計量電能呈現出較大偏差，一次回路中的諧波對靠近的其他電力系統及用電設備也會產生不可控制的污染。例如，對二次回路中的監控系統產生電氣干擾，輕者出現系統噪聲，降低監控系統傳輸質量，重者會使監控系統無法正常工作，使BA控制系統出現誤報警、誤動作等問題[5]。

3 數據中心實際案例

3.1 案例情況

2022年6月12日，中國移動江蘇公司蘇州分公司某數據中心在冷凍水系統2切機過程中，現場通過監控發現被切的系統2冷機突然停機，于是對機房進行檢查，發現冷凍水泵變頻器前級開關跳開。檢查變頻器前級，觀察到變頻器前級自動轉換開關（Automatic Transfer Switch，ATS）主路顯示電壓在 320 ～ 450 V波動，于是聯系UPS廠家工程師檢查UPS的輸出電壓波形，發現UPS的A相、B相電壓為230 V，波形平滑，其中C相波形存在較多毛刺，電壓約為248 V。

表1 冷凍水系統2的UPS故障時內部歷史記錄

輸出短路故障時刻波形如圖2所示。

圖2 故障時刻波形

故障前逆變電壓正常，穩定無震蕩；故障時刻由于輸出短路，電壓突然降低；逆變器短路保護切換到旁路供電。三相電流在故障前較小，處在輕載狀態。故障時刻三相電流驟升，明顯是短路現象，并且逆變電感電流和輸出電流同相位。

綜上所述，故障前系統處于輕載狀態，UPS輸出電壓正常，電壓無振蕩，電壓幅值和頻率正常。故障時刻系統負載電流突增，UPS輸出電壓被負載拉低，說明負載短路。

3.2 案例分析

3.2.1 針對UPS測試對比

在連續故障的情況下，為排查問題原因，測量正常運行的其他系統的供電電壓狀態。

測試條件一：系統負載率約50%，主要負載為變頻器，其他負載設備為綜合保護系統，設備電源等。

測試結果：UPS輸出波形在波峰波谷處的毛刺較多，通過電能質量分析儀看到輸出線電壓達480 V左右，相電壓約為240 V。冷凍水系統UPS帶變頻器負載50%時輸出電壓波形如圖3所示。

圖3 冷凍水系統UPS帶變頻器負載50%時輸出電壓波形

測試條件二：系統負載率約10%，除變頻器外，其他負載設備為綜合保護系統、設備電源等，UPS逆變狀態下輸出測試數據（非變頻器負載較小）如表2所示。

表2 UPS輸出狀態下諧波數據（單位：%）

UPS帶變頻器時會出現較大的紋波，切掉變頻器負載后，在輸出電流諧波近30%狀態下，系統輸出電壓穩定無振蕩，其中電壓諧波畸變率大約1%，運行良好。

3.2.2 針對變頻器的測試

市電供電狀態下，冷凍泵變頻器工作時輸入電壓、電流諧波測試數據如表3所示。

表3 市電狀態下諧波數據（單位：%）

通過對比以上測試，在市電狀態或UPS供電狀態下，該款變頻器均產生較大的電流諧波，電流諧波畸變率達到30%以上。UPS和變頻器存在適配性問題，變頻器產生的電流諧波影響了UPS的檢測及控制，從而影響輸出電壓波形質量，進而影響了后端負載，包括變頻器自身。UPS和變頻器之間的線纜長度約200 m，在電流諧波較大的情況下存在不可忽視的線路阻抗，也會加劇振蕩過程。系統適配問題的產生如圖4所示。

圖4 系統適配問題產生示意圖

4 諧波的抑制

由以上實例分析可以發現，變頻器在東數西算算力樞紐中的冷凍水系統中降低了啟動電流，給算力樞紐中心帶來了極大的便利和較好的經濟效益。冷凍水系統的樓宇自控（Building Automation，BA）控制系統使用了大量敏感控制設備，諧波產生的次生影響還有待進一步深入研究。市場上常見的變頻器已經給用戶提供了相關消諧附件供選擇，以限制400 V/50 Hz電網供電系統及一次回路中正常用電的設備產生的諧波危害。通過諧波對電網危害的分析，算力樞紐的冷凍水系統中常規抑制諧波的思路有3個。一是在變頻器的一次回路結構上增加對應的物理器件來消除諧波對整體電網的危險點，如一次回路進線端并聯電感電容或串聯電感來降低奇次諧波，提高配電回路功率因數。但增設的物理器件濾波器因一次回路中有電感和電容的存在，容易引起整個變頻器供電一次回路產生一定的震蕩。二是通過增加主動有源可控的方式有效降低諧波、提高功率因數，例如將有源濾波器并聯在變頻器的一次回路輸入端，但是一次性投入較高。三是在一次冷凍水水泵供電回路中應用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）降低諧波及提高功率因數，IGBT的使用對算力樞紐中400 V/50 Hz的配電電網的正常能耗供電影響較小，是當前相對較優的方案。

4.1 在一次回路中選用與冷凍水泵變頻器相匹配的對應電抗器

4.1.1 在水泵變頻器一次回路輸入側增設電抗器

在UPS供電電源與變頻器輸入側的一次回路中增設交流電抗器，可以使變頻器回路的整流阻抗增大，從而實現高次諧波電流的有效抑制，減少前端UPS電網各類浪涌、瞬變對水泵變頻器的沖擊，改善供給水泵UPS的三相電源不平衡性，提高變頻器輸入電源的功率因數。但冷凍水系統中同時考慮到交流電抗器本身體積大、成本高，當水泵變頻器功率大于30 kW時才考慮是否增加交流電抗器來實現功率因數提高。

4.1.2 在一次回路的直流環節中串聯直流電抗器

在供電一次回路整流器后端的正級和負級的母線排中將直流的電抗器進行串聯，有效減少高次諧波成分，提高功率因數。考慮系統造價及運行成本，變頻器功率大于30 kW時才能認真考慮是否增加直流器件。

4.1.3 常規的輸出電抗器

常規算力樞紐中位于一樓的冷凍冷卻水泵和位于配電房中的變頻器之間電纜距離非常長，且電纜在選用時線徑較粗，會在變頻器的輸出電路上引起一定量的過電壓，使冷凍冷卻水泵電機無法像其他系統的器件一樣正常工作。基于此，可以通過在水泵變頻器和水泵電機之間連接一個輸出電抗器來實現降低電容和限制諧波的目的。

4.2 選用適當變頻濾波器

在水泵變頻器輸入、輸出一次供電電路中，根據冷凍水系統中使用位置的不同，通常采用一定容量的輸入濾波器和輸出濾波器。當前抑制冷凍水系統變頻器諧波的重要發展方向是采用有源電力濾波器，但同時存在有源系統體積大且價格高的問題，特別對于冷凍水系統中工作電流較大（基本運行在額定容量下）的冷凍、冷卻水泵的電動機。為了減少冷凍、冷卻水泵電機的發熱量，降低一次回路運行電流，應單獨在冷凍水系統一次供電回路中串聯加裝經過計算選擇的電抗器和濾波器。

4.3 采用多相脈沖整流

在冷凍水系統條件允許或要求諧波限制在較小的情況下，采用18相脈沖完全滿足目前冷凍水系統所遵循的供電國際標準。該解決方案的缺點是需要特定類型的移相變壓器，不利于冷凍水供電系統設備的改造，成本費用較高。

5 結 論

綜上所述，選用變頻器對冷凍水系統整體起到了節能作用，但是數據中心中通常也會選用UPS給變頻器供電，UPS和變頻器存在適配性問題，變頻器產生的電流諧波將會影響UPS的輸出電壓，進而影響后端負載，包括變頻器自身。此外，UPS和變頻器之間的線纜過長，在電流諧波較大的情況下存在不可忽視的線路阻抗，也會加劇振蕩過程。基于此，實際應用中建議變頻器選用自帶滿足標準的濾波器，降低對不同UPS的影響。