濾波補(bǔ)償裝置在數(shù)據(jù)處理行業(yè)的應(yīng)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(shù)據(jù)處理中心具有負(fù)荷集中和諧波含量復(fù)雜的特點(diǎn)，為了數(shù)據(jù)交換機(jī)等設(shè)備的正常工作，通常需要安裝大量的換氣和空調(diào)設(shè)備，這些設(shè)備均屬于非線性負(fù)載類型，具備能耗高、功率因數(shù)低以及諧波含量復(fù)雜的典型特征。一方面這些交流異步電機(jī)自身功率因數(shù)普遍在0.8～0.85，功率因數(shù)較低，需要大量的無功功率才能正常運(yùn)行，另一方面交流異步電機(jī)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(diào)電源更新?lián)Q代較快，新的空調(diào)電源多采用帶變頻設(shè)備調(diào)速的異步電機(jī)作為動力來源，隨著變頻器的大量使用，導(dǎo)致諧波含量急劇增加，引發(fā)的問題逐漸顯現(xiàn)出來，各次諧波含量占比日益復(fù)雜，從3次、5次以及7次諧波占主導(dǎo)，逐漸變成11次和13次諧波變成主要諧波，這些諧波可能導(dǎo)致繼電保護(hù)系統(tǒng)失靈、設(shè)備損壞或運(yùn)行異常，甚至?xí)斐稍O(shè)備燒毀或絕緣擊穿[2]。此外，異步電動機(jī)所需的無功功率如果不能就地供給，只能來源于公用電網(wǎng)，那么無功功率的長距離流動將嚴(yán)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(shù)手段，提高行業(yè)的能源利用效率，契合節(jié)能減排的國家戰(zhàn)略，提高數(shù)據(jù)處理行業(yè)的用電安全和用電效率。

1 濾波補(bǔ)償裝置的應(yīng)用方案設(shè)計

1.1 背景分析

為了能夠?qū)?shù)據(jù)處理行業(yè)的配電系統(tǒng)進(jìn)行精確的無功補(bǔ)償和諧波治理，本文詳細(xì)調(diào)查和研究了該行業(yè)中各種典型的負(fù)荷，同時統(tǒng)計和分析了該行業(yè)無功電源配置和運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)。從統(tǒng)計的結(jié)果來看，數(shù)據(jù)處理行業(yè)普遍存在功率因數(shù)較低的問題，其根本原因是無功補(bǔ)償裝置容量不夠，也存在部分裝置電容器衰減嚴(yán)重的現(xiàn)實情況，這就造成了數(shù)據(jù)處理行業(yè)的企業(yè)的電費(fèi)中，繳納力調(diào)電費(fèi)的比重較高，造成企業(yè)負(fù)擔(dān)加重。另外公用電網(wǎng)中的高次諧波直接影響數(shù)據(jù)處理設(shè)備的運(yùn)行安全，可能造成設(shè)備過熱、數(shù)據(jù)處理異常甚至停機(jī)等事故，也直接影響通信處理的連續(xù)性，因此必須考慮高次諧波對數(shù)據(jù)處理行業(yè)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(yè)的設(shè)備運(yùn)行安全水平。

1.2 諧波分析

根據(jù)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(yán)格限值，這就要求各個企業(yè)接入點(diǎn)的各次諧波含量必須滿足國標(biāo)的要求。數(shù)據(jù)處理行業(yè)使用的空調(diào)和風(fēng)機(jī)等非線性設(shè)備普遍采用6脈沖整流逆變設(shè)備供電，3次、5次以及7次諧波含量明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)。近些年，隨著國家能源政策的收緊，新建數(shù)據(jù)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(shù)的供電方案中，諧波次數(shù)占比不同，6脈沖供電系統(tǒng)中5次和7次諧波占主導(dǎo)，而12脈沖供電系統(tǒng)中11次和13次諧波占主導(dǎo)地位。數(shù)據(jù)處理中心主要次數(shù)諧波含量統(tǒng)計平均值如表1所示（0.38 kV，折算短路容量10 MVA）。

表1 數(shù)據(jù)處理中心主要次數(shù)諧波含量統(tǒng)計平均值表

1.3 無功功率補(bǔ)償分析

統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)通信行業(yè)普遍使用的變壓器可以看出，數(shù)據(jù)通信行業(yè)普遍采購節(jié)能型變壓器，變壓器自身對功率因數(shù)的影響很小。通信行業(yè)的低功率因數(shù)，究其原因是風(fēng)機(jī)和空調(diào)等負(fù)載正常運(yùn)行所需的大量無功功率來源于供電電網(wǎng)，因此就地或就近為這些負(fù)載提供部分或全部無功功率能降低供電系統(tǒng)的無功功率供給量，以提高功率因數(shù)。

目前，數(shù)據(jù)通信等行業(yè)的就地補(bǔ)償方案中，采用電容器補(bǔ)償是最常用的方案，該方案具有投資適中、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠以及易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。電容器根據(jù)投切方式不同大致可分為以下兩種類型，一是機(jī)械開關(guān)式，如采用接觸器控制電容器投入或切斷，缺點(diǎn)是產(chǎn)生暫態(tài)過渡過程，可能引起電容器的過電壓和接觸器觸點(diǎn)的燒蝕。二是觸點(diǎn)開關(guān)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(yōu)點(diǎn)是不存在觸點(diǎn)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(shù)具有補(bǔ)償精度高，產(chǎn)生諧波量低的優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，建議數(shù)據(jù)通信行業(yè)采用可控硅等電力電子器件投切的無功補(bǔ)償方案，從而取得精確補(bǔ)償與降低諧波含量的雙贏。

1.4 方案設(shè)計

如果用戶側(cè)能夠自行建設(shè)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(wǎng)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(wǎng)的供電效率，降低無功功率在網(wǎng)間流動帶來的網(wǎng)絡(luò)能量損耗，同時也將減小導(dǎo)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(bǔ)償裝置。目前，無功功率補(bǔ)償裝置普遍采用電容器，電容器的投入雖能提高供電電網(wǎng)的功率因數(shù)，但存在與感性負(fù)荷諧振的致命風(fēng)險，一旦容性參數(shù)與感性參數(shù)達(dá)到一個量級，將會發(fā)生諧振或接近諧振，可能導(dǎo)致設(shè)備燒壞，繼電保護(hù)誤動或拒動的嚴(yán)重后果，因此電容器分組時，應(yīng)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(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)入公用電網(wǎng)或在機(jī)房與設(shè)備之間流動，應(yīng)安裝針對該類負(fù)載產(chǎn)生的主要諧波次數(shù)設(shè)計的濾波裝置。該濾波裝置應(yīng)遵循盡量靠近諧波源負(fù)載側(cè)安裝的原則，以達(dá)到抑制諧波在設(shè)備之間和機(jī)房內(nèi)流動的效果，達(dá)到諧波的最優(yōu)化治理效果[3]。

總結(jié)分析數(shù)據(jù)通信行業(yè)的負(fù)荷所需無功補(bǔ)償和諧波治理，解決方案可按以下原則進(jìn)行設(shè)計。濾波治理方案應(yīng)結(jié)合無功補(bǔ)償同時進(jìn)行，無功補(bǔ)償方案主要考慮集中設(shè)置在為數(shù)據(jù)通信機(jī)房供電的變電站出線母線上，采用無觸點(diǎn)的電力電子器件（可控硅）投切電容器方式，電容器的分組應(yīng)避開諧振容量，諧波治理設(shè)備應(yīng)考慮數(shù)據(jù)通信行業(yè)負(fù)荷的諧波情況，隨負(fù)載安裝，盡量靠近負(fù)載，并濾除主要諧波次數(shù)[4]。

2 濾波補(bǔ)償裝置的選用

2.1 選擇思路

無功補(bǔ)償與濾波裝置應(yīng)滿足兩個基本功能，一是能夠消除指定次數(shù)諧波，使得為數(shù)據(jù)通信設(shè)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(chǔ)上，提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)?；谝陨蟽牲c(diǎn)要求并結(jié)合上述的分析，在采用6脈沖整流變頻供電供電的數(shù)據(jù)通信中心，濾波裝置應(yīng)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(shù)據(jù)通信中心，應(yīng)至少能夠消除11和13次諧波，對于無功補(bǔ)償裝置，因其投切電容的開關(guān)形式很多，因此各數(shù)據(jù)通信中心可根據(jù)具體情況選用不同的投切方案，但補(bǔ)償容量及投切方式需要與諧波濾除裝置協(xié)同考慮。

2.2 裝置選擇

諧波濾除裝置應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)通信企業(yè)自身的數(shù)據(jù)安全級別選擇，若數(shù)據(jù)中心的重要性一般，僅僅濾除指定次數(shù)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(shù)諧波的濾除形式。若對供電要求較高，數(shù)據(jù)重要程度很高的數(shù)據(jù)處理或交換中心，應(yīng)盡量考慮采用有源濾波方案，使得供電系統(tǒng)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(yuǎn)高于無源濾波裝置，但濾波效果非常好。

無功補(bǔ)償裝置應(yīng)主要選擇無觸點(diǎn)投切方式，一次性投入，后期投入較小。無功補(bǔ)償裝置應(yīng)考慮與諧波濾除設(shè)備協(xié)同使用，以期達(dá)到最好的電能治理效果，另外裝置中所選元件的質(zhì)量、不同元件之間的參數(shù)匹配是否合理以及裝配工藝都是影響濾波補(bǔ)償裝置效果的重要因素。在設(shè)計時應(yīng)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(dāng)?shù)靥岣唠娙萜鞯哪蛪核胶蜏囟葮O限。

3 濾波補(bǔ)償裝置的校驗

3.1 系統(tǒng)諧振校驗

本文通過實際調(diào)查采用6脈沖和12脈沖的不同供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，以及采用不同無功補(bǔ)償和濾波方案的數(shù)據(jù)通信中心，結(jié)果顯示，采用無觸點(diǎn)的補(bǔ)償方案與有源濾波方案協(xié)同運(yùn)行，對于降低供電系統(tǒng)的諧波含量，提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)效果明顯，并且在補(bǔ)償回路根據(jù)主導(dǎo)諧波次數(shù)不同串入小電抗器，使得補(bǔ)償回路呈現(xiàn)感性特性，即可避免諧振的發(fā)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(diǎn)補(bǔ)償與有源濾波方案的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)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(shù)高于國家標(biāo)準(zhǔn)，沒有出現(xiàn)過補(bǔ)償問題。從諧波濾除率來看，采用有源濾波方案的系統(tǒng)，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(tǒng)，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(shù)諧波因占比很小，基本不影響設(shè)備運(yùn)行，因此未設(shè)計濾除通道。

4 結(jié) 論

數(shù)據(jù)處理中心的供電和運(yùn)行安全以及電能傳輸效率取決于諧波含量與功率因數(shù)這兩個重要參數(shù)，因此在數(shù)據(jù)中心裝設(shè)濾波裝置與無功補(bǔ)償裝置是提高供電效率和減少事故率的有效手段。從企業(yè)長遠(yuǎn)角度看，一次性投入無功補(bǔ)償和濾波設(shè)備，將節(jié)約因功率因數(shù)低造成的罰款電費(fèi)，同時大大降低因諧波造成的設(shè)備停運(yùn)和繼電保護(hù)系統(tǒng)誤動與拒動事故。若數(shù)據(jù)處理等各相關(guān)行業(yè)企業(yè)能夠普遍采用無觸點(diǎn)投切無功補(bǔ)償與有源濾波技術(shù)相結(jié)合的方案，那么對提高公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量和數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行將發(fā)揮重要作用。