抑制数据中心谐波放大及分布式治理策略

摘要：解决能源问题的一条途径是建立“智慧能源”系统。当前我国正处于经济快速发展的阶段，公用电网影响用户用电的因素有很多，不可能在短时间内完全解决。不间断电源系统的引入可以提高局部电网的电能质量，但是不间断电源系统自身的谐波对其他设备的干扰，可以通过合理选择不间断电源系统拓扑结构、采用分布式补偿方法，有效抑制谐波放大，优化电网电能质量。本文主要以某大型数据中心谐波治理为例，阐述数据中心谐波产生的原因和相应的有源电力滤波器谐波治理策略。

1 引言

能源问题和环境问题日益突出，威胁到人与自然的和谐相处，威胁到人类的可持续发展，能源与经济之间的矛盾尤为尖锐。当前国家提出“智慧能源”——解决能源问题的途径之一，“智慧能源”是一个包含各种形式的能源资源，既有电力、水、石油，也包括低碳的天然气和可再生能源。其实换个角度思考，我们也可以认为智慧能源也是一种特定意义的新能源。智能电网的建设是智慧能源网建设的核心，因此我国发展智慧能源网建设必须以智能电网为主要网架建设，智能电网的核心技术包含了通信技术、量测技术、设备技术、控制技术和决策支持技术，优化电网电能质量是智能电网建设的最终目的。

在实际工程应用中不难发现，由于电力输配电设施老化、设计不良和供电不足等原因造成末端电压过低，前端电压过高，这对电压要求较高的精密设备造成了很大的威胁。据统计当前公用电网影响用户用电设备的问题主要有电压闪变、谐波干扰、电网噪音、频率漂移、过电压、欠电压、断电及间断等现象。以上问题不可能在短时间内做出解决，比较现实的解决途径是在电网和用电设备之间插入一个二次供电设备，实现局部高品质的供电环境。一般常用的设备为不间断电源系统 UPS，它在我国的应用已经非常普遍，广泛应用于互联网、数据中心、银行清算中心、证券交易中心、民航和铁路的控制中心、监控系统等等核心用电部门。但是由于 UPS 属于电力电子设备，正常工作的时候也会产生谐波电流，由于 UPS 拓扑结构的不同产生的谐波电流频次和谐波有效值有很大的差异，本文就以大型数据中心的UPS为例，合理分析谐波电流频次，采用分布式治理的方法，有效抑制谐波电流放大，优化电能质量，提高设备用电效率。

2 UPS 谐波产生的原因

2.1-UPS 拓扑结构

市场上 UPS 的分类有很多种，从技术上分离线式（OFF LINE）、在线式（ON LINE）和在线互动式（ON LINE INTERACTIVE）；从工作原理上分后备式和在线式；从备用时间上分标准机和长效机；按照结构分为直流型（DC-UPS）和交流型（AC-UPS）；从中组成原理上分旋转型和静止型；从容量大小方面分为大容量（大于 100KVA）、中容量（10-100KVA）和小容量（小于 10KVA）；从整流拓扑上分为 6 脉冲整流型和12 脉冲整流型。微信图片_tu1.png

图2-1丨6 脉冲整流型UPS输入端拓扑

6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。

图2-2丨12 脉冲整流型UPS输入端拓扑

12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端、增加移相变压器后在增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。

2.2主要谐波频次

6脉冲整流电路（如图2-1）中，假定交流侧电抗L的感值为0，直流电感为无穷大，调相角度为 0，则交流侧电流傅里叶级数展开为：

公式（1）

由以上公式（1）可以看出，6脉冲整流电路电流谐波主要是6N±1（N=1、2、3…）次谐波。

同理，12脉冲整流电路电流（如图2-2）中，上桥的网侧电流傅里叶级数展开和6脉冲整流一样为：

公式（2）

下桥网侧线电压比上桥超前30°，所以它的网侧电流傅里叶级数展开后为：

公式（3）

式（2）+（3）就是总的12 脉冲整流器的网侧电流，即为：

公式（4）

由以上公式（4）可以看出，12脉冲整流电路电流谐波主要是12N±1（N=1、2、3…）次谐波。

2.3UPS 内部无源滤波器

根据式（1）和式（4）不难看出，6 脉冲整流谐波电流以 5、7、11、13 次谐波为主，12脉冲整流谐波电流以11、13次谐波为主。一般根据无源 LC 滤波器的设计原理，针对6脉冲整流电路使用 5 次谐波滤波器滤波（如图 2-3），针对12脉冲整流电路使用11次谐波滤波器滤波（如图 2-4）。

图2-3丨含有5次滤波器的6脉冲整流电路

图2-4丨含有11次滤波器的12脉冲整流电路

由于 5 次谐波滤波器的电容容值较大，在 UPS 负载较轻时，整流输入电流会超前电压，整个 UPS 系统呈容性，因此 5 次谐波滤波器一般在 UPS 负载低于 15%以下时，主动退出补偿状态。如果是 11 次滤波器就不存在这方面的问题。

输入谐波总含量	空载（<15%）	25%负载	50%负载	>75 负载
6脉冲	86%	65%	50%	>30%
6脉冲5次滤波	>50%	30%	15-20%	10-12%
12脉冲	20%	15%	12%	9.5%
12脉冲11次滤波	12-15%	8-12%	5-8%	4.5%

表1丨负载率不同时谐波电流含量的变化

由表 1 不难看出，随着负载率的减小，谐波电流畸变率逐渐变大，从测试实际谐波电流有效值部分看，一旦 UPS 开机工作，实际电流谐波有效值是基本不变的，UPS 的带载率决定了基波电流有效值的大小，电流谐波含量是电流谐波有效值与基波电流有效值的比值，所以电流谐波有效值不变，基波有效值减小，电流谐波含量明显增大。

3 谐波电压对电网的影响

3.1谐波电压对配电系统的影响

一般来说理想的交流电源是纯正弦波形，纯正弦的交流电压加在线性负载两端，会产生纯正弦的交流电流。但是纯正弦的交流电压加在非线性负载两端，会产生失真的交流电流，同时导致纯正弦交流电压失真。失真的交流电压无论加在线性负载或非线性负载两端，都会产生失真的交流电流。

图3-1丨某数据中心配电系统测量示意图（无功柜未投入）

如图 3-1 所示，1#主变和 2#主变共用一段 10KV 母线，1#主变下 UPS1 没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下 UPS2 投入运行，主要负载全是非线性负载，两边电容柜没有投入运行，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行 1#主变时，测量点 M1 处没有谐波电流和谐波电压；单独运行 2#主变时，测量点 M2 处有谐波电流和谐波电压；同时运行 1#主变和 2#主变时，测量点 M1 和 M2 处都有谐波电流和谐波电压存在。

3.2谐波电压对滤波装置的影响

有源电力滤波器从拓扑结构上分为串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器。目前市场上的有源电力滤波器几乎都属于并联型，并联型有源电力滤波器主要原理是通过互感器采集被补偿负载的电流，通过计算分析提取出负载电流的谐波成分，有源电力滤波器被动输出反向的谐波电流来抵消系统中的谐波电流，达到谐波补偿目的。

图3-2丨某数据中心配电系统测量示意图（增加APF）

如图 3-2 所示，1#主变和 2#主变共用一段 10KV 母线，1#主变下 UPS1 没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下UPS2投入运行，主要负载全是非线性负载，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行 1#主变时，测量点 M1 处没有谐波电流和谐波电压；单独运行 2#主变时，测量点 M2 处有谐波电流和谐波电压，开启 APF2 补偿后，测量点M2处谐波电压和谐波电流有效值减小；同时运行 1#主变和 2#主变时，测量点 M1 和 M2 处都有谐波电流和谐波电压存在，单独开启 APF1，测量点 M1 和 M2 处谐波电流和谐波电压有效值没有变化，单独开启 APF2，测量点 M1 和 M2 处谐波电流和谐波电压有效值同时减小。

上述测试中有一种情况比较特殊，在同时运行1#主变和2#主变，单独开启APF1 进行补偿时，虽然滤波器有谐波电流输出，但是测试点 M1 和 M2 处谐波电流和谐波电压有效值并没有减小，测量1#主变下线性负载上的电流谐波有效值，有明显的放大现象。这说明 2#主变下非线性负载引起谐波电流失真，导致 10KV 段电压失真，失真的电压加在 1#主变的线性负载两端，使 M1 点出现了谐波电流和谐波电压。虽然 APF1 对线性负载的谐波电流进行了补偿，但M1点的谐波电流和谐波电压不会改变，相对于APF1 并线点的网侧谐波电流和谐波电压有效值不变，负载侧谐波电流有效值增大。因此，并联型有源电力滤波器并不能有效滤除电压谐波引起的电流谐波，相反，会使负载侧谐波电流变的更大。

4 谐波分布式治理

工程中往往谐波的产生是多方面的，非线性负荷引起的谐波、背景谐波、补偿装置谐波放大等等现象，都是引起谐波产生的重要因素。

图4-1丨中国银行某数据中心配电系统图

如图4-1所示，是中国银行某数据中心的配电一次图，正常运行时联络柜中母联断路器始终保持断开状态，T1变压器和T2变压器下负载全是12脉冲整流的UPS（T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2；T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2）,两台变压器所带负载基本一致，前期 APF1 和 APF2 没有投入运行，测量T1变压器和 T2 变压器进线柜谐波电压电流，如图 4-2 和图 4-3 所示：

图4-2丨补偿前谐波电压波形及畸变率

图4-3丨补偿前谐波电流波形及有效值

从上图中可以看出，12 脉冲整流型 UPS 输入侧谐波电流应该是以 11 次和 13 次为主，但实际侧量发现明显 5 次、7 次谐波非常大。通过对 UPS 故障排查发现由于 12 脉冲整流器使用可控整流方式，上下整流桥调相角度不一致或上下桥直流输出带载不对称等原因造成了UPS 输入端 5 次、7 次谐波并没有完全抵消，这些没有抵消的 5 次、7 次谐波经过 11 次滤波器时谐波被放大，这就出现了我们看到的图 4-2 和图 4-3 的情况。

为了滤除现场谐波电流，主动断开所有 UPS 的 11 次谐波滤波器滤波支路，增大 APF滤波容量，考虑使用 APF 补偿 UPS 产生的所有谐波频次。UPS 谐波滤波器改造完成后，同时运行 APF1 和 APF2，测量 T1 变压器和 T2 变压器进线柜谐波电压电流，如图 4-4 和图 4-5所示：

图4-4丨补偿后谐波电压电流波形

图 4-5丨补偿后谐波电压电流有效值

以上数据满足 GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》的相关限值。通过对现场系统和负荷特性的了解，分析负荷故障原因，避免了 UPS 自带无源滤波器与 UPS 间的并联谐振，抑制电流谐波放大；采用分布式补偿方案，避免变压器间电压畸变引起的电流畸变，从而有效的滤除 UPS 产生的谐波电流，解决了现场谐波对公用电网的污染问题。

5 结束语

本文分析了数据中心主要负荷 UPS 谐波产生的主要原因、UPS 内部无源滤波原理、谐波电压和谐波电流间的互相关系以及在工程项目中如何判断谐波引起的故障，并提出解决方案，抑制谐波电流的放大，采用合理的补偿策略，最终达到滤除谐波污染的目的。得出结论：

（1）UPS 的谐波主要是由相控整流功率器件引起的；

（2）12 脉冲整流型 UPS 上下桥调相角或带载不对称时，输入端 11 次谐波滤波器会与 UPS未抵消的5 次、7次谐波电流产生谐振，放大5 次、7次谐波电流；

（3）有源电力滤波器 APF 并不适用于谐波电压（背景谐波）引起的谐波电流滤波场合；

（4）电能质量优化工程项目中，了解现场负荷特性、分析故障根本原因，是解决工程项目谐波治理的必要条件。

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