鐵路數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量模擬案例設(shè)計研究

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，為推進鐵路現(xiàn)代化奠定了堅實基礎(chǔ)，隨著技術(shù)的不斷進步，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，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、流暢運行的基本保證。本研究模擬了一個鐵路數(shù)據(jù)中心項目，從電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的預計、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，特別是電能質(zhì)量設(shè)計計算的方法，為實際工程設(shè)計的前期研究提出一套數(shù)據(jù)中心投運后能夠保障電能質(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進線，經(jīng)變電后饋出三相0.4 kV低壓電源提供給用電負荷。基本負荷包含辦公用電負荷和生產(chǎn)用電負荷，辦公用電負荷主要包括變頻空調(diào)、照明、供排水、電梯、辦公、消防等用電負載；生產(chǎn)用電負荷主要包括UPS、機房空調(diào)機組、水泵、暖通、風機、照明、插座等混合負載。

2 電能質(zhì)量基本概念及要求

電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能品質(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°相位差和標準電壓為用戶供電。但由于電力系統(tǒng)中的發(fā)電機、變壓器、輸電線路、整流逆變等設(shè)備的非線性、不對稱性，以及用電負荷的性質(zhì)、動作等原因，加之系統(tǒng)內(nèi)部故障、外來擾動等因素，理想狀態(tài)并不存在。因此在電網(wǎng)運行、供用電各環(huán)節(jié)、用電設(shè)備中出現(xiàn)了各種問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量的概念。IEC從電磁干擾現(xiàn)象角度對電能質(zhì)量問題進行了分類[1，2]，如表1所示。

表1 IEC對電能質(zhì)量的分類

IEEE根據(jù)電壓擾動的頻譜特征、持續(xù)時間、幅值變化對電能質(zhì)量問題進行了細分，并提出了量化的標準，更具操作性。

我國針對電能質(zhì)量問題制定了一系列標準，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及國內(nèi)標準確定的電能質(zhì)量環(huán)境下正常運行，這些電能質(zhì)量指標如表2所示。

表2 本工程電能質(zhì)量指標

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

3 電能質(zhì)量指標預計

3.1 供電方式及主要電力負荷

根據(jù)用電負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高壓引入柜開關(guān)下口建設(shè)共計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)。正常運行時，2路電源分別運行。假設(shè)公共連接點短路容量為100 MV·A[1]。

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

表3 本工程電力負荷類型及容量

3.2 電能質(zhì)量目標預計

3.2.1 諧波電流限值的確定

GB/T 14549—93規(guī)定，公共連接點處THDu不超過5%，特指在變壓器負荷為理想線性負載或空載時變壓出口處的諧波含量指標，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時，能夠確保用電設(shè)備功能的正常發(fā)揮。

然而，數(shù)據(jù)中心在運行時，各種負載所產(chǎn)生的諧波電流在饋電回路及變壓器上流動，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給出了公共連接點允許的電流諧波允許值。

按照動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為公共連接點的最小短路容量，MV·A；Sk2為基準短路容量，MV·A；Ihp為第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值。

按式（1）及變壓器變比對允許諧波電流進行計算，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 某工程公共連接點諧波電流限值 A

由于各用電負荷的單次諧波電流無法準確確定，但可以按照負載類型估算其總的諧波電流。根據(jù)表4及式（2），可以計算公共連接點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。

考慮諧波最高計算到25次，按照式（2），公共連接點諧波電流限值為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 負載諧波電流預計

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，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%計算。

空調(diào)、水泵、冷水機組采用變頻調(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個半導體（二級管或可控硅）組成全橋整流器，每個工作周期有6個脈沖（二極管整流無需觸發(fā)脈沖，相對更為簡單，其交流側(cè)電流波形類似于觸發(fā)角最大時的可控硅整流器）控制半導體開通[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程，假設(shè)交流側(cè)電感為零，直流側(cè)電感為無窮大，則交流側(cè)電流的傅里葉級數(shù)展開式為[5]

式中：Id為總基波電流；ω為角頻率；t為時間。

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載，如圖3所示。

圖3 單相全橋整流器

下文將對其交流側(cè)諧波電流進行分析。由于網(wǎng)側(cè)各項性能指標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]，為簡化分析，以直流側(cè)為純電阻性進行分析，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為導通角。

式（5）為周期函數(shù)，其傅里葉級數(shù)表達式為

其中：

由式（6）可知，純電阻負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。當直流側(cè)負載為輕載時，其輸入電流中以諧波成分為主，THDI可超過100%；當直流側(cè)負載為重載時，諧波電流成分降低。

在本工程中，由于單相負載種類繁多，運行方式多變，難以對諧波電流情況進行準確計算。為便于工程計算并有合理的裕量，對這些設(shè)備的諧波電流含量按照100%計算。

3.2.3 功率因數(shù)預計

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)生的無功功率、同頻率諧波電壓電流產(chǎn)生的無功功率、不同頻率電壓電流產(chǎn)生的無功功率。對于含有諧波的非正弦電路，仿照式（10）可以定義無功功率Qf為

式中：Qf為基波和諧波產(chǎn)生的總無功功率，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)生的無功功率，由于不同頻率諧波不能相互抵消，式（12）的計算結(jié)果會引起抵消的結(jié)果，這是不合理的，因此

為解決這一問題，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為基波無功功率，D為諧波無功功率。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)計時，應(yīng)估算各用電設(shè)備的諧波電流，根據(jù)式（17）對其功率因數(shù)進行修正，以確定電力系統(tǒng)的總功率因數(shù)，并計算需要的補償量。

對于本工程，根據(jù)負載類型、標稱功率、諧波含量、標稱功率因數(shù)，按照式（17）修正后的功率因數(shù)見表6。

表6 本工程負載諧波電流及功率因數(shù)計算

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)均低于目標功率因數(shù)，總諧波電流大于目標諧波電流，需要進行諧波治理。

表3列出了本工程兩路電源的負載，兩路負載相同，僅分析其中一路的諧波及無功治理方法即可。依據(jù)負載重要等級的劃分，對照表3，通風空調(diào)設(shè)備為二級負荷，混合類負載為一級負荷，其他為特別重要一級負荷。對于一級及特別重要一級負荷，應(yīng)建立良好的電力環(huán)境，二級負荷達到設(shè)計指標要求即可。

按照上述原則，對于一級負荷及特別重要一級負荷，根據(jù)計算諧波電流和目標功率因數(shù)配置濾波補償設(shè)備；對于二級負荷，控制諧波電流不超過計算值的10%（按照實際工程二級負荷容量占總?cè)萘康谋壤≈?，以按照式?）計算后諧波電流不超過限值為準，本工程取10%作為示例），按照目標功率因數(shù)配置補償裝置。

按照下式計算需要配置的補償裝置容量：

式中：cosφ1為補償前功率因數(shù)；cosφ2為目標功率因數(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；將非線性負荷與敏感負荷分開供電；變電所低壓母線側(cè)集中設(shè)置濾波裝置（無源和有源濾波裝置）；對于諧波含量較大的設(shè)備或設(shè)備組采用專用回路供電，并就地設(shè)置有源濾波器進行補償。

在本工程中，對于一級負荷及特別重要一級負荷，采用就地補償?shù)姆绞?，就近設(shè)置補償濾波設(shè)備，以確保良好的用電條件；對于二級負荷，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文獻[9，10]。

根據(jù)式（18）計算結(jié)果設(shè)置無功補償設(shè)備后（具體容量從略），接入點功率因數(shù)指標符合電網(wǎng)要求（不低于0.9），計算結(jié)果如表7所示。

表7 諧波及功率因數(shù)補償容量計算

按照行業(yè)經(jīng)驗，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）計算總諧波電流為245 A，滿足變壓器二次側(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》對于諧波電流的限值要求。根據(jù)表7配置無功補償裝置后，接入點功率因數(shù)達到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功率因數(shù)兩個維度，本工程用電負荷不會對公用電網(wǎng)造成污染。

5 結(jié)語

通過對本工程案例中諧波電流和功率因數(shù)的分析計算，特別是對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致額外的無功功率，有必要對工程中所有用電設(shè)備經(jīng)統(tǒng)計后得出的無功功率進行修正，以得出比較準確的數(shù)值，為工程中濾波補償設(shè)備的選型提供指導。