云計(jì)算IDC機(jī)房電能質(zhì)量治理探究

葉惠斌

（中國(guó)移動(dòng)襄陽云計(jì)算中心，湖北 襄陽441418）

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)類業(yè)務(wù)需求不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)大型數(shù)據(jù)機(jī)房建設(shè)如火如荼。IDC數(shù)據(jù)中心電能特點(diǎn)是能耗密集，用電需求巨大，且用電負(fù)荷多樣化，大量具有非線性特征的負(fù)荷勢(shì)必造成電能質(zhì)量的惡化，而服務(wù)器、空調(diào)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、微電子控制等設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求又極為嚴(yán)格，電能質(zhì)量存在的問題日益突出。

如何提高供電質(zhì)量，滿足數(shù)據(jù)中心安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，本文論述了IDC對(duì)供電質(zhì)量的要求，提出了相關(guān)治理方案，分析了混合濾波補(bǔ)償裝置在投入前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，取得了良好的治理效果。

1 IDC對(duì)供電質(zhì)量的要求

1.1 相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)是保障電能質(zhì)量的基本依據(jù)，對(duì)實(shí)施電能質(zhì)量監(jiān)管，維護(hù)供用電合法權(quán)益具有重要的意義。20世紀(jì)80年代初，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局先后組織制定并頒發(fā)了六項(xiàng)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。IDC機(jī)房終端設(shè)備主要是IT設(shè)備，對(duì)供電系統(tǒng)的要求更高，其供電系統(tǒng)必須符合六項(xiàng)國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，具體標(biāo)準(zhǔn)如表1。

表1 六項(xiàng)國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

雖然有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但接入變頻空調(diào)、UPS、HVDC、開關(guān)電源、熒光燈等負(fù)載后，會(huì)產(chǎn)生諧波，高頻化、輕載率和HVDC呈現(xiàn)的容性，反送系統(tǒng)將造成電能質(zhì)量的降低。針對(duì)這種情況，在低壓母線集中側(cè)對(duì)諧波進(jìn)行綜合治理是一種高效解決電能質(zhì)量降低的方案。

1.2 IDC存在的電能質(zhì)量問題

機(jī)房的IT設(shè)備UPS、HVDC、開關(guān)電源等大規(guī)模的使用，以及IT輔助設(shè)備（如：冷凍機(jī)組、空調(diào)末端采用變頻裝置，熒光燈、辦公設(shè)備等）的應(yīng)用，均會(huì)產(chǎn)生諧波，不僅污染電源網(wǎng)絡(luò)，自身也會(huì)受到污染；另外高頻UPS輕載率和HVDC系統(tǒng)無功呈現(xiàn)為容性，當(dāng)備用電源啟用，會(huì)與發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電抗產(chǎn)生電壓諧振潛在風(fēng)險(xiǎn)，降低了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì)，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)崩潰，也會(huì)引起系統(tǒng)過電壓。

（1）冷水機(jī)組空調(diào)

冷水機(jī)組采用變頻驅(qū)動(dòng)，大多數(shù)以6脈整流電路為主，產(chǎn)生諧波為6 N±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%，總諧波畸變率約在25%，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為30.2%～42.5%，負(fù)荷率越低畸變率越高；水泵初始功率因數(shù)在0.85左右，冷凍主機(jī)初始功率因數(shù)一般在0.92以上。如機(jī)房1 600 kVA的變壓器，其負(fù)載主要為變頻空調(diào)、變頻水泵、變頻空調(diào)末端等，總的諧波電流在200 A～400 A之間。

（2）高頻 UPS

高頻UPS電能質(zhì)量特點(diǎn)：

a.在輕載時(shí)，電流畸變率為27%～33%，呈現(xiàn)為容性，容性占比為額定功率的3%～10%。諧波頻譜如圖1所示。

b.負(fù)荷率在10%～30%時(shí)，電流畸變率為15%～20%，諧波主要以5次、7次、11次、13次為主，此時(shí)無功處于感性容性臨界點(diǎn)。

c.負(fù)荷率在30%及以上時(shí)，電流畸變率為5%～8%，無功為感性。

通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，該數(shù)據(jù)客觀真實(shí)反映了機(jī)房存在電能質(zhì)量問題。

圖1 高頻UPS輕截時(shí)諧波頻譜

2 諧波治理方案

諧波和容性無功是影響現(xiàn)代機(jī)房供電質(zhì)量的主要因素之一，認(rèn)識(shí)現(xiàn)狀，并找到行之有效的解決方案，是研究的核心方向，只有這樣才能確保機(jī)房供用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性。

配電系統(tǒng)一般考慮無功補(bǔ)償，主要是為感性負(fù)載提供容性補(bǔ)償，現(xiàn)階段感性負(fù)載電能質(zhì)量也發(fā)生了很大的變化，主要特點(diǎn)是功率因數(shù)很高，基本不需容性補(bǔ)償，另外它的諧波量變大了，有些甚至很高。結(jié)合現(xiàn)狀，在數(shù)據(jù)中心采用了以下兩種治理方案。

（1）純APF諧波治理

實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載電流，快速分離出諧波電流分量，實(shí)時(shí)產(chǎn)生大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)抵消濾除諧波電流。該方案適用于數(shù)據(jù)中心動(dòng)力系統(tǒng)諧波治理。

（2）混合濾波補(bǔ)償

混合濾波補(bǔ)償融合有源與無源技術(shù)，智能混合一體化控制，兼容性高，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)所需的容性、感性無功及諧波治理，核心控制系統(tǒng)采用模糊控制策略預(yù)判諧振，并能自動(dòng)調(diào)整輸出，實(shí)現(xiàn)容性到感性的雙向調(diào)節(jié)，濾除2～50次諧波，濾除率高達(dá)95%，且性價(jià)比較高。

比較上述兩種方式，本文采用了混合濾波補(bǔ)償方案進(jìn)行諧波治理。

3 諧波治理效果

以襄陽云計(jì)算IDC機(jī)房低壓0.4 kV母線配電系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要有4種負(fù)荷類型，包括高頻UPS、變頻空調(diào)、節(jié)能燈、開關(guān)電源、空調(diào)末端等設(shè)備，這些負(fù)載均不同程度地惡化了供用電系統(tǒng)電能質(zhì)量，亟待治理。

襄陽云計(jì)算中心IDC機(jī)房一期共有2臺(tái)1 600 kVA動(dòng)力變壓器，10 kV／0.4 kV，動(dòng)力變壓器負(fù)載均為變頻空調(diào)、空調(diào)末端，其余變壓器負(fù)載均為高頻UPS。

系統(tǒng)存在的問題如下：

（1）諧波嚴(yán)重場(chǎng)合，發(fā)電機(jī)組與市電切換時(shí)，控制系統(tǒng)受諧波影響出現(xiàn)故障報(bào)警。

（2）IT變壓器配置的補(bǔ)償裝置均未投入運(yùn)行。

（3）容性無功倒送，影響油機(jī)出力。

（4）變壓器發(fā)熱嚴(yán)重并有噪聲。

數(shù)據(jù)機(jī)房的需求如下：

（1）降低諧波電流；

（2）消除系統(tǒng)出現(xiàn)的容性無功。

混合濾波補(bǔ)償安裝一次系統(tǒng)圖如圖2所示。

混合濾波補(bǔ)償裝置采樣點(diǎn)區(qū)別于傳統(tǒng)補(bǔ)償，本次升級(jí)在濾波補(bǔ)償裝置與負(fù)載中間增加了3只CT，目的是實(shí)現(xiàn)開閉環(huán)混合控制，有效地顯示投切前后相關(guān)參數(shù)。

圖2 混合濾波補(bǔ)償安裝一次系統(tǒng)圖

按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，測(cè)試地點(diǎn)如圖2測(cè)試點(diǎn)，混合濾波補(bǔ)償裝置在投入前后的數(shù)據(jù)對(duì)比可以判斷效果。

（1）動(dòng)力變壓器主要負(fù)載是變頻空調(diào)，特征以諧波為主，治理對(duì)象是諧波，混合濾波補(bǔ)償裝置投入前后頻譜圖如圖3所示。

通過投入設(shè)備前后數(shù)據(jù)對(duì)比可得知，總諧波電流畸變率從原來的44%降低到4.8%，視在功率因數(shù)從0.92提高到0.99；改造前總電流為514 A，改造后總電流為482 A，波形基本回歸于正弦波，諧波的能耗也降低顯著，提高了電能純凈度。

（2）IT變壓器主要負(fù)載是高頻UPS，特征以諧波為主，容性無功為輔，混合濾波補(bǔ)償裝置投入前后頻譜圖如圖4所示。

圖3 變頻空調(diào)中混合濾波補(bǔ)償裝置投入前后頻譜圖

圖4 高頻UPS中混合濾波補(bǔ)償裝置投入前后頻譜圖

通過投入設(shè)備前后數(shù)據(jù)對(duì)比可知，總諧波電流畸變率從原來的36.5%降低到4.6%，容性無功36 kvar變?yōu)楦行詿o功4.6 kvar；改造前總電流為413 A，改造后總電流為392 A，波形基本回歸為正弦波，能耗也大大降低，有效排除了諧波和容性無功對(duì)系統(tǒng)的危害，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

通過對(duì)投入設(shè)備前后數(shù)據(jù)對(duì)比可得知，容性無功從原來的89.85 kvar變?yōu)楦行詿o功3.53 kvar，總諧波電流畸變率從原來的7.9%降低到1.4%。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心不同的負(fù)載類型，普遍存在著諧波特性，高頻化UPS、HVDC呈現(xiàn)的容性，不同程度地影響著電能質(zhì)量。本文通過分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生諧波的現(xiàn)狀，針對(duì)性地提出更科學(xué)、合理的改進(jìn)電能質(zhì)量的技術(shù)方案，取得顯著效果。