河北移動大型數據中心電能質量研究與治理

孫 楊，張 偉

（中國移動通信集團河北有限公司，石家莊 050021）

1 數據中心電能質量現狀

1.1 數據中心對供電質量的要求

一般情況下，要想最大程度的保證電能質量符合標準，就必須要健全法律法規以及相關標準，完善對電能質量的監督和管理工作。自從20世紀80年代初開始，我國相關部門就陸續制定和下發了有關電能質量的六項國家標準；在機房中，其主要的終端設備一般為IT設備，因此這就對整個供電系統提出了更加嚴格且高水平的標準和要求，即供電系統必須要符合相關標準。

雖然目前已經有了相關的標準和規范，但是接入變頻空調、UPS、HVDC、開關電源、熒光燈等設備以后，難免會產生一定的諧波、高頻化輕載率以及呈現出容性的HVDC，反而會對整個系統造成一定的麻煩和問題。在此情況下，要想最大程度的解決這一問題，最有效的方案就是在低壓母線集中側進行綜合治理，機房電網環境才能符合以上標準，并向負載輸送高質量的電源。

1.2 數據中心存在的電能質量問題

從目前的情況來看，現代大型數據機房的IT設備UPS、HVDC、開關電源等設備得到了極大范圍的普及和應用，在加上冷凍機組、熒光燈、辦公設備等IT輔助設備的大范圍使用，使得這些設備在運轉和工作的過程中產生大量的諧波，這不僅會對整個電源網絡造成污染，同時也會污染到自身；除此之外，高頻UPS輕載率和HVDC系統無功具有容性的特征，當啟動備用電源時，不僅會導致電壓諧振風險的存在，同時還會造成發電機勵磁電勢的降低，危害到發電機的穩定運行，嚴重時甚至會造成整個系統出現過電壓或崩潰的現象。針對大型數據機房IT設備及IT輔助設備存在的電能質量研究數據：

（1）變頻空調

對于機房空調來說，其一般都屬于變頻的驅動方式，基本上均為6脈整流電路，其產生的諧波大多為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，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。

（2）高頻UPS

高頻UPS電能質量特點，在三個負載率時，均處于不同狀態；①在低負載時，電流畸變率很大，系統容性無功倒送。②當其負荷率為10%時，其電流的電流畸變率處于15%～20%左右，此時的諧波大多為5次、7次、11次、13次；其無功正位于感性容性的臨界點。③負荷率在30%及以上時，電流畸變率為5%～8%，無功為感性。

（3）高壓直流HVDC

一般來說，大型數據機房的供電模塊一般為240V的直流模塊，它通過高頻軟開關整流的方式，將市電供給相關的IT設備，相關數據表明，其功率因數約等于0.98，電流畸變率處于5%～8%的范圍中，此時其系統的無功具有容性特征，且其占比約為相關設備額定功率20%～25%左右。

2 治理方案

2.1 PQIC混合濾波補償

混合濾波補償實際上就是通過將有源技術和無源技術的有機結合，利用智能混合一體化技術加以控制之后形成的鄂一中基礎，這種技不僅具備較高的兼容性，同時還可以對系統所需要的容性、感性無功進行實時的動態補償。該項技術的核心控制系統可以充分利用模糊控制策略來對諧振的產生進行一定的預判，同時對其輸出進行一定的自動化調整，最終可以實現進行容性到感性的雙向調節，其可以有效過濾和消除諧波2-60，過濾和消除比率達到了95%之高。

3 工程概述

3.1 系統概述

該數據機房共有12臺2500kVA IT變壓器，4臺1600kVA的動力變壓器

3.2 方案選配

針對該新建數據機房負載特性，經過和設計院技術人員全面的技術討論研究，最終確定采用新型智能混合濾波補償技術（PQIC）來提高機房的供電質量。

變頻空調主要以諧波為主，治理對象是諧波；高頻UPS主要以諧波為主，還有少量的容性無功，治理對象是諧波為主，容性無功為輔；

3.3 裝置設計

通過基準參數計算與系統仿真驗算，對動力系統混合濾波補償裝置型號為PQIC-150-120/400，IT系統采用PQIC-200-180/400先進的模糊控制策略技術，確保設備投運后，容性、感性無功及諧波達目標要求值，且維護方便、操作簡單。

3.4 PQIC安裝一次系統圖

與傳統的補償技術相比，PQIC混合濾波補償裝置的采樣點是不同的。為了最大程度的實現開閉環混合控制，并可以對投切前后的參數進行有效的展示。在本次工程設計中，將3只CT添加到了濾波補償裝置和負載的中間位置。

3.5 治理效果

（1）其動力變壓器為變頻空調，具備諧波的特征，整治對象為諧波。通過對PQIC設備投入前后的所得數據進行對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系統的負面影響，同時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，容性無功為輔，通過對PQIC設備投入前后的所得數據進行對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%，容性無功36kvar變為感性無功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功對整個系統的負面影響，使得系統的穩定性和可靠性大大增強。

5 結束語

數據中心不同的負載類型，存在諧波特性，以及高頻化UPS、HVDC呈現容性，及時發現設備和系統的問題，并提出相對較為科學合理的有效解決方案，可以在很大程度上提高數據中心的電能質量，值得大力推廣和應用。