UPS對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電能質(zhì)量影響研究

董鶴楠，苑 舜，韓子?jì)桑瑥埩柱i，張 弘

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)家能源局，北京 100824；4.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100085）

UPS對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器電能質(zhì)量影響研究

董鶴楠1，2，苑 舜1，3，韓子?jì)?，張林鵬4，張 弘1

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3.國(guó)家能源局，北京 100824；4.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100085）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，重要負(fù)荷供電電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越多地引起人們的關(guān)注。UPS不間斷電源大規(guī)模使用在數(shù)據(jù)中心機(jī)房中，在保障供電可靠性的同時(shí)，UPS中整流逆變?cè)O(shè)備也會(huì)給電網(wǎng)及負(fù)荷帶來(lái)電能質(zhì)量問(wèn)題，以東北某氣象部門(mén)數(shù)據(jù)中心機(jī)房服務(wù)器不定期損壞問(wèn)題為研究對(duì)象，開(kāi)展UPS不間斷電源對(duì)服務(wù)器電能質(zhì)量影響研究，并結(jié)合新型測(cè)試方法，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)開(kāi)展全面分析，為解決UPS供電帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題提供新思路。

服務(wù)器；氣象中心；電能質(zhì)量；閃變

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平不斷提高，電力已成為人們不可缺少的重要能源形式之一。在滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)和人民生活對(duì)電能要求的同時(shí)，提高電能質(zhì)量已成為社會(huì)文明進(jìn)步的表現(xiàn)。新技術(shù)、新方法的研究為快節(jié)奏的“電氣化生活”注入活力，但同時(shí)也給傳統(tǒng)的供電形式帶來(lái)電能質(zhì)量新問(wèn)題。非線性負(fù)荷的投入，可能會(huì)給周?chē)用竦纳钣秒妿?lái)“污染”；風(fēng)電的大規(guī)模接入，可能會(huì)給周邊變電站注入特征諧波及閃變；電力電子整流逆變?cè)O(shè)備（如UPS）的使用會(huì)給重要負(fù)荷造成不可逆損壞等［1－8］。

本文以東北區(qū)域某氣象部門(mén)數(shù)據(jù)中心機(jī)房服務(wù)器不定期損壞為例，開(kāi)展電能質(zhì)量研究，機(jī)房UPS是保證供電可靠性必不可少的電源設(shè)備，同時(shí)作為敏感器件，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量要求很?chē)?yán)格，然而UPS本身作為非線性負(fù)荷，也會(huì)給電網(wǎng)及供電負(fù)載帶來(lái)影響。本文通過(guò)試驗(yàn)，探討UPS對(duì)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的影響。

1 UPS供電特性

1.1 基本結(jié)構(gòu)

UPS不間斷電源根據(jù)其供電方式，主要分為在線式UPS、備用式UPS以及混合式UPS三種［9］。在線式UPS的供電方案中，負(fù)荷主要是由UPS饋供。在線式UPS供電框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 在線式UPS供電框圖

在線式UPS將電網(wǎng)輸入的電整流為直流電源，1條路徑為電池組供電，另外1條路徑將直流電源逆變成交流電供給負(fù)荷［10］。當(dāng)電網(wǎng)輸入的交流電中斷或故障時(shí)，逆變器電源由電池組供給，繼續(xù)為負(fù)荷提供短時(shí)電源；故障結(jié)束后，電網(wǎng)繼續(xù)提供整流后的直流源，并繼續(xù)給電池組充電。備用式UPS不同于在線式UPS，備用式UPS由電網(wǎng)直接供電，故障時(shí)，開(kāi)關(guān)把負(fù)荷切換到電池組供電的逆變器上，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換需要時(shí)間。備用式UPS一般不會(huì)像在線式UPS，能提供任何瞬時(shí)保護(hù)及電壓調(diào)節(jié)。

2 測(cè)試背景及方法

2.1 測(cè)試背景

東北區(qū)域某氣象中心機(jī)房服務(wù)器不定期損壞，嚴(yán)重影響機(jī)房的正常運(yùn)行，給汛期數(shù)據(jù)記錄帶來(lái)嚴(yán)重的影響。針對(duì)該問(wèn)題，開(kāi)展電網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心機(jī)房電能質(zhì)量測(cè)試。氣象中心有2臺(tái)主變壓器，1號(hào)、2號(hào)主變型號(hào)為SCB10－1250／10。其中系統(tǒng)通過(guò)2號(hào)主變?yōu)閿?shù)據(jù)中心機(jī)房直供電能，一次系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2 氣象中心一次系統(tǒng)圖

2.2 測(cè)試方法

測(cè)試依據(jù)國(guó)標(biāo)電能質(zhì)量五大標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試儀器采用HIOKI 3196電能質(zhì)量分析儀及HIOKI 3198電能質(zhì)量分析儀。

由圖2可見(jiàn)測(cè)試點(diǎn)位置，測(cè)試點(diǎn)1選擇2號(hào)主變低壓側(cè)配電柜，接線方式采用三表法，測(cè)試系統(tǒng)背景諧波情況。如系統(tǒng)供電諧波或閃變超標(biāo)，會(huì)給設(shè)備帶來(lái)直接的損害，如系統(tǒng)無(wú)超標(biāo)情況，可作為后續(xù)試驗(yàn)的對(duì)比試驗(yàn)。

機(jī)房服務(wù)器主要有兩種供電方式，一是直接市電供電，二是電池供電。兩種供電方式都通過(guò)UPS輸出。測(cè)試點(diǎn)2選擇UPS輸入柜（A區(qū)），測(cè)試點(diǎn)3選擇UPS輸出柜（A區(qū)）。測(cè)試工況分兩種：電池供電和市電供電。

3 UPS對(duì)服務(wù)器電能質(zhì)量影響

3.1 測(cè)試點(diǎn)1背景諧波情況

從測(cè)試結(jié)果看，本次測(cè)試周期內(nèi)，2號(hào)主變低壓側(cè)配電柜諧波電壓總畸變率的95%概率大值為2.45%（A相）、2.47%（B相）、2.61%（C相），滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標(biāo)的情況。母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。A相電壓變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 2號(hào)主變低壓側(cè)配電柜測(cè)試點(diǎn)A相電壓變化曲線

背景諧波測(cè)試結(jié)果電能質(zhì)量指標(biāo)都在合理的范圍內(nèi)，排除系統(tǒng)供電質(zhì)量給服務(wù)器帶來(lái)的影響。

3.2 測(cè)試點(diǎn)2背景諧波情況

在電池供電工況下，從測(cè)試結(jié)果看，本次測(cè)試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為1.97%（A相）、2.17%（B相）、2.25%（C相），滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標(biāo)的情況，A相電壓變化曲線見(jiàn)圖4。母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，A相閃變變化曲線見(jiàn)圖5。

圖4 UPS輸入柜測(cè)試點(diǎn)（電池供電）380 V母線A相電壓變化曲線

圖5 UPS輸入柜測(cè)試點(diǎn)（電池供電）380 V母線A相電壓閃變變化曲線

在市電供電工況下，從測(cè)試結(jié)果看，本次測(cè)試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為3.25%（A相）、3.17%（B相）、3.45%（C相），滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標(biāo)的情況。A相電壓變化曲線見(jiàn)圖6。母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，A相閃變變化曲線見(jiàn)圖7。

圖6 UPS輸入柜測(cè)試點(diǎn)（市電供電）380 V母線A相電壓變化曲線

圖7 UPS輸入柜測(cè)試點(diǎn)（市電供電）380 V母線A相電壓閃變變化曲線

UPS輸入柜無(wú)論在市電供電工況下還是電池供電工況，電能質(zhì)量指標(biāo)都滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，進(jìn)一步排除系統(tǒng)側(cè)供電質(zhì)量差?？蔀閁PS后端對(duì)比測(cè)試提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 測(cè)試點(diǎn)3背景諧波情況

在電池供電工況下，從測(cè)試結(jié)果看，本次測(cè)試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為1.11%（A相）、1.09%（B相）、1.11%（C相），滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標(biāo)的情況。A相電壓變化曲線見(jiàn)圖8。母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，A相閃變變化曲線見(jiàn)圖9。

圖8 UPS輸出柜測(cè)試點(diǎn)（電池供電）380 V母線A相電壓變化曲線

圖9 UPS輸出柜測(cè)試點(diǎn)（電池供電）380 V母線A相電壓閃變變化曲線

在市電供電工況下，從測(cè)試結(jié)果看，本次測(cè)試周期內(nèi)，UPS輸入柜（A區(qū)）諧波電壓總畸變率的95%概率大值為1.47%（A相）、1.34%（B相）、1.32%（C相），滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制值。各次諧波電壓含有率均未發(fā)生超標(biāo)的情況。A相電壓變化曲線見(jiàn)圖10，從圖10中可以看出，電壓變化幅值很小，但變化頻率非?？欤f(shuō)明UPS控制策略只考慮對(duì)市電電壓幅值的限制，忽略了對(duì)變化頻率的考慮，局部放大圖見(jiàn)圖11，從而導(dǎo)致母線閃變時(shí)而發(fā)生超標(biāo)，母線電壓長(zhǎng)時(shí)閃變最大值為1.024，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制值，閃變變化曲線見(jiàn)圖12。過(guò)快的電壓波動(dòng)及長(zhǎng)期閃變超標(biāo)導(dǎo)致服務(wù)器的不定期損壞。

圖10 UPS輸出柜測(cè)試點(diǎn)（市電供電）測(cè)試點(diǎn)380 V母線A相電壓變化曲線

圖11 UPS輸出柜測(cè)試點(diǎn)（市電供電）測(cè)試點(diǎn)380 V母線A相電壓變化曲線（局部放大）

圖12 UPS輸出柜測(cè)試點(diǎn)（市電供電）測(cè)試點(diǎn)380 V母線A相電壓閃變變化曲線

3.4 閃變治理措施

閃變的治理措施有很多，包括常用的靜止電容器、電力電子開(kāi)關(guān)裝置以及增加系統(tǒng)容量，特殊方法的選定基于很多因素［11］。本文發(fā)現(xiàn)UPS控制策略有明顯的不足，根據(jù)圖11可以看出，UPS過(guò)細(xì)的對(duì)幅值進(jìn)行限值，而忽略其變化頻率，從而造成閃變超標(biāo)現(xiàn)象。后期可調(diào)整UPS控制策略，在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)放寬對(duì)幅值的限定，減小電壓波動(dòng)頻率，降低閃變值［12］。

4 結(jié)束語(yǔ)

電能質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)及重要負(fù)荷供電至關(guān)重要，本文對(duì)東北地區(qū)某氣象中心數(shù)據(jù)中心機(jī)房服務(wù)器損壞問(wèn)題進(jìn)行原因分析，通過(guò)背景諧波及UPS前端測(cè)試，確定系統(tǒng)供電質(zhì)量在合格的范圍內(nèi)，不是導(dǎo)致服務(wù)器損壞的直接原因，通過(guò)UPS后端測(cè)試，發(fā)現(xiàn)UPS控制策略有明顯的不足，頻繁的電壓控制導(dǎo)致波動(dòng)劇烈，閃變超標(biāo)，并給出解決辦法，為后續(xù)解決UPS供電帶來(lái)電能質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)新思路。

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Study on Effects of UPS on Power Quality of Data Center Server

DONG Henan1，2，YUAN Shun1，3，HAN Zijiao2，ZHANG Linpeng4，ZHANG Hong1
（1.School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.National Energy Administration，Beijing 100824，China；4.China Electric Power Research Institute，Beijing 100085，China）

With the rapid development of the national economy，people's material living standards continue to improve，more and more people begin to pay close attention to the power quality of the important load power.The use of UPS on a large scale in the data center room.UPS can guarantee the reliability of power supply，but the inverter equipment of UPS gives the load to bring problems for power quality.The research object of this paper is the data center computer room server of meteorological department in Northeast China.The problem is that the server is often damaged.To carry out the research on power quality of UPS.Combined with the new test method，a comprehensive analysis of the test data is carried out.This paper provides a new way to solve power quality problems caused by UPS power supply.

server；meteorological center；power quality；flicker

TP308

A

1004－7913（2016）10－0005－04

董鶴楠（1986），男，在讀博士，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)及電能質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)。

2016－07－22）