河北移動(dòng)大型數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量研究與治理

孫 楊，張 偉

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司，石家莊 050021）

1 數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量現(xiàn)狀

1.1 數(shù)據(jù)中心對(duì)供電質(zhì)量的要求

一般情況下，要想最大程度的保證電能質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，就必須要健全法律法規(guī)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，完善對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)督和管理工作。自從20世紀(jì)80年代初開始，我國(guó)相關(guān)部門就陸續(xù)制定和下發(fā)了有關(guān)電能質(zhì)量的六項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；在機(jī)房中，其主要的終端設(shè)備一般為IT設(shè)備，因此這就對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)提出了更加嚴(yán)格且高水平的標(biāo)準(zhǔn)和要求，即供電系統(tǒng)必須要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

雖然目前已經(jīng)有了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但是接入變頻空調(diào)、UPS、HVDC、開關(guān)電源、熒光燈等設(shè)備以后，難免會(huì)產(chǎn)生一定的諧波、高頻化輕載率以及呈現(xiàn)出容性的HVDC，反而會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成一定的麻煩和問(wèn)題。在此情況下，要想最大程度的解決這一問(wèn)題，最有效的方案就是在低壓母線集中側(cè)進(jìn)行綜合治理，機(jī)房電網(wǎng)環(huán)境才能符合以上標(biāo)準(zhǔn)，并向負(fù)載輸送高質(zhì)量的電源。

1.2 數(shù)據(jù)中心存在的電能質(zhì)量問(wèn)題

從目前的情況來(lái)看，現(xiàn)代大型數(shù)據(jù)機(jī)房的IT設(shè)備UPS、HVDC、開關(guān)電源等設(shè)備得到了極大范圍的普及和應(yīng)用，在加上冷凍機(jī)組、熒光燈、辦公設(shè)備等IT輔助設(shè)備的大范圍使用，使得這些設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)和工作的過(guò)程中產(chǎn)生大量的諧波，這不僅會(huì)對(duì)整個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)造成污染，同時(shí)也會(huì)污染到自身；除此之外，高頻UPS輕載率和HVDC系統(tǒng)無(wú)功具有容性的特征，當(dāng)啟動(dòng)備用電源時(shí)，不僅會(huì)導(dǎo)致電壓諧振風(fēng)險(xiǎn)的存在，同時(shí)還會(huì)造成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì)的降低，危害到發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐烧麄€(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓或崩潰的現(xiàn)象。針對(duì)大型數(shù)據(jù)機(jī)房IT設(shè)備及IT輔助設(shè)備存在的電能質(zhì)量研究數(shù)據(jù)：

（1）變頻空調(diào)

對(duì)于機(jī)房空調(diào)來(lái)說(shuō)，其一般都屬于變頻的驅(qū)動(dòng)方式，基本上均為6脈整流電路，其產(chǎn)生的諧波大多為6N±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(shù)，如5次諧波，5THDi=1/5=20%，其總諧波的畸變率大約在25%作用，總諧波電流一般在200A～400A的范圍內(nèi)。

（2）高頻UPS

高頻UPS電能質(zhì)量特點(diǎn)，在三個(gè)負(fù)載率時(shí)，均處于不同狀態(tài)；①在低負(fù)載時(shí)，電流畸變率很大，系統(tǒng)容性無(wú)功倒送。②當(dāng)其負(fù)荷率為10%時(shí)，其電流的電流畸變率處于15%～20%左右，此時(shí)的諧波大多為5次、7次、11次、13次；其無(wú)功正位于感性容性的臨界點(diǎn)。③負(fù)荷率在30%及以上時(shí)，電流畸變率為5%～8%，無(wú)功為感性。

（3）高壓直流HVDC

一般來(lái)說(shuō)，大型數(shù)據(jù)機(jī)房的供電模塊一般為240V的直流模塊，它通過(guò)高頻軟開關(guān)整流的方式，將市電供給相關(guān)的IT設(shè)備，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，其功率因數(shù)約等于0.98，電流畸變率處于5%～8%的范圍中，此時(shí)其系統(tǒng)的無(wú)功具有容性特征，且其占比約為相關(guān)設(shè)備額定功率20%～25%左右。

2 治理方案

2.1 PQIC混合濾波補(bǔ)償

混合濾波補(bǔ)償實(shí)際上就是通過(guò)將有源技術(shù)和無(wú)源技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，利用智能混合一體化技術(shù)加以控制之后形成的鄂一中基礎(chǔ)，這種技不僅具備較高的兼容性，同時(shí)還可以對(duì)系統(tǒng)所需要的容性、感性無(wú)功進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。該項(xiàng)技術(shù)的核心控制系統(tǒng)可以充分利用模糊控制策略來(lái)對(duì)諧振的產(chǎn)生進(jìn)行一定的預(yù)判，同時(shí)對(duì)其輸出進(jìn)行一定的自動(dòng)化調(diào)整，最終可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行容性到感性的雙向調(diào)節(jié)，其可以有效過(guò)濾和消除諧波2-60，過(guò)濾和消除比率達(dá)到了95%之高。

3 工程概述

3.1 系統(tǒng)概述

該數(shù)據(jù)機(jī)房共有12臺(tái)2500kVA IT變壓器，4臺(tái)1600kVA的動(dòng)力變壓器

3.2 方案選配

針對(duì)該新建數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)載特性，經(jīng)過(guò)和設(shè)計(jì)院技術(shù)人員全面的技術(shù)討論研究，最終確定采用新型智能混合濾波補(bǔ)償技術(shù)（PQIC）來(lái)提高機(jī)房的供電質(zhì)量。

變頻空調(diào)主要以諧波為主，治理對(duì)象是諧波；高頻UPS主要以諧波為主，還有少量的容性無(wú)功，治理對(duì)象是諧波為主，容性無(wú)功為輔；

3.3 裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)基準(zhǔn)參數(shù)計(jì)算與系統(tǒng)仿真驗(yàn)算，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)混合濾波補(bǔ)償裝置型號(hào)為PQIC-150-120/400，IT系統(tǒng)采用PQIC-200-180/400先進(jìn)的模糊控制策略技術(shù)，確保設(shè)備投運(yùn)后，容性、感性無(wú)功及諧波達(dá)目標(biāo)要求值，且維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)單。

3.4 PQIC安裝一次系統(tǒng)圖

與傳統(tǒng)的補(bǔ)償技術(shù)相比，PQIC混合濾波補(bǔ)償裝置的采樣點(diǎn)是不同的。為了最大程度的實(shí)現(xiàn)開閉環(huán)混合控制，并可以對(duì)投切前后的參數(shù)進(jìn)行有效的展示。在本次工程設(shè)計(jì)中，將3只CT添加到了濾波補(bǔ)償裝置和負(fù)載的中間位置。

3.5 治理效果

（1）其動(dòng)力變壓器為變頻空調(diào)，具備諧波的特征，整治對(duì)象為諧波。通過(guò)對(duì)PQIC設(shè)備投入前后的所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后我們可以得知，總諧波電流畸變率有44%大幅下降到了4.8%，波形也變回了原先的正弦波，諧波的能耗也有所下降，最大程度的避免了諧波對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響，同時(shí)也在一定程度上提高了電源的純凈度。

（2）IT變壓器主要是高頻UPS，特征以諧波為主，容性無(wú)功為輔，通過(guò)對(duì)PQIC設(shè)備投入前后的所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后我們可以得知，總諧波電流畸變率由36.5%下降為4.6%，容性無(wú)功36kvar變?yōu)楦行詿o(wú)功4.6kvar；投入使用前的總電流是413A，投入使用后的總電流是392A，波形也變回了原先的正弦波，能耗大幅下降，最大程度的避免甚至是消除了諧波或容性無(wú)功對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)面影響，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性大大增強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心不同的負(fù)載類型，存在諧波特性，以及高頻化UPS、HVDC呈現(xiàn)容性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的問(wèn)題，并提出相對(duì)較為科學(xué)合理的有效解決方案，可以在很大程度上提高數(shù)據(jù)中心的電能質(zhì)量，值得大力推廣和應(yīng)用。