数据中心行业电能质量监测与治理方案
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摘要：数据中心行业在国民经济中起到了不可替代的作用,但其繁多的非线性电力负载,如通讯系统、大型计算机、网络控制设备、变频空调、各种数码办公设备、灯光调控系统、UPS、监控系统等给其供电系统带来了严重的谐波干扰,对大型数据中心的运行安全造成了较大的威胁,为此我们分析研究了其谐波产生的根源及谐波的类型和数值,结合实例采用了系统的谐波监测与治理整体设计方案,取得了良好的效果,解决了数据中心行业的谐波污染问题。
关键词：数据中心行业；电能质量；谐波干扰；谐波治理；系统解决方案
0.引言
??数据中心行业中使用了大量的现代化用电设备和装置，如信用卡终端设备、通讯系统、计算机、网络控制设备、各种数码办公设备、灯光调控系统、消防系统、监控系统等。繁多的非线性电力负载，给其供电系统带来了严重的谐波干扰。恶劣的谐波环境对保证系统和设备的安全正常运行造成了很大的威胁，诸如：程序运行错误、数据错误、时间错误、死机、无故重新启动，甚至造成用电设备的损坏，给大型的工作造成了难以挽回的巨大损失。因此，大型数据中心的谐波治理已越来越引起人们的关注。
1.数据中心行业的谐波危害
大型数据中心的设备是通过电网阻抗对其他设备形成干扰的，这个过程如下：
（1）各类电力电子设备产生谐波电流；
??（2）谐波电流流过电网阻抗时，产生了谐波电压；
??（3）谐波电压对其他设备产生了干扰。
2.数据中心行业的电能质量监测和治理解决方案
2.1解决方案
??数据中心行业从开始的几百平方米的建设规模到目前几万平方米的大型项目规模。UPS的设计容量也从开始的几十KVA增长到几千甚至几万KVA。当几百KVA UPS的总谐波电流含量为15%时，其谐波电流值也仅为几十A，相对于整个建筑的几千A 总用电电流，影响微不足道。但一旦UPS容量变大，就是另外一种情况。因为现在大多数大型数据中心都是独立建筑，整个建筑的主要用电负荷就是UPS。相比UPS 容量，其余动力照明的负荷连一半也不到。比如 2010 年苏州的一个数据中心项目UPS的设计容量就达到2万KVA。假设总谐波电流含量按照15%来计算，则满载时总谐波电流达到1825A。这是非常糟糕的数值，如不对其治理，对电网侧的干扰会非常明显，且加大配电容量以及导致线缆发热、零线带电等一系列严重后果。
??传统的谐波保护解决方案只是从单一的设备入手，针对狭窄的谐波频率，无法从根本上解决问题。为解决这一问题，安科瑞结合数据中心的实际情况，提出电能质量监测和治理的系统解决方案，该方案为数据中心提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。
2.2方案特点
??（1）电能质量监测与治理系统即可通过本地设备为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能，亦可通过接入AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理平台，为用户提供远程在线服务；
??（2）符合GB/T17626.30-2012中A级准确度测量方法，适用于要求准确测量电能质量指标参数的场合；
??（3）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；
??（4）电能质量监测与治理装置信息互联，通过统一平台管理，方便用户同时监测电网电能质量以及治理数据；
??（5）采用三电平电力电子驱动器件，通过更多的电平输出更高品质的治理波形。
3.安科瑞电能质量监测与治理产品选型
3.1集中治理
??采用配电房集中治理的方式，可针对数据中心行业配电系统中涉及到众多数据机房中计算机、空调等电器设备产生的谐波问题对电网侧的危害和影响，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表2。
表4电能质量监测及集中治理产品选型表
3.2就地治理
??数据中心行业由于UPS下端的设备较多，变频设备大量使用等原因，运行过程中不可避免的在配电末端产生电流畸变率40%-50%的谐波污染。同时数据中心行业在数据机房大量安装节能灯电子镇流器，一般来说，节能灯主要产生3次谐波，3次谐波由于各相的相位一致，因此会在中性线上叠加，导致正常情况下没有电流流过的N线电流过大，引起火灾。
??针对以上负载情况，建议在各重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备。
表5 就地治理的产品选型
4.上海某银行数据中心项目电能质量治理项目案例
4.1项目背景
??上海某银行数据中心包括大型数据机房，对电能质量要求非常高;为了提高供电可靠度，采用大量 UPS作为设备电源，机房内还包含空调设备、照明设备等。此类电力电子设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中，主要以5次、7次为主;如果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响机房中其他敏感设备，比如导致通信数据传输错误，甚至瘫痪、中断，降低了配电系统的安全性、可靠性。表4、5展示了该数据中心主要负载参数以及谐波估算值。
4.2治理方案
??根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由UPS和一些非线性负载产生，供电系统由2台800kVA变压器及其一台800kW发电机组成，采用集中治理+就地治理的方案。
??集中治理：该银行数据中心的大型数据机房较多，计算机类设备的分布很广，因此在每台变压器下加装300A有源谐波治理系统装置，由两台150A模块并机实现，型号为AnSin-300-M Ⅰ型，自动跟踪补偿负载产生的谐波电流，保证供电系统安全可靠运行。
??就地治理：因为UPS是该中心恶性的负载，因此需要在配电末端对其产生的谐波电流进行治理，避免干扰其他用电设备，因此在使用UPS的配电间安装壁挂式的AnSin-300-B Ⅰ型有源滤波治理系统，就地治理UPS产生的谐波污染。
图1 数据中心
4.3治理效果
??选取该中心UPS出线端对前后波形数据进行对比，通过装设AnSin-300-B Ⅰ型有源滤波治理系统后，电压畸变率从6.32%降值2.05%，电流畸变率从28.94%降值5.67%，提升了电网波形质量，具体效果及参数如下表所示。
表6 治理前后波形数据对比
5.结论
??就目前市场而言，谐波治理产品种类繁多，但更多的为单一产品，这些产品无法满足数据中心所需要的治理效果。因此，安科瑞为数据中心行业提供了一套完整的电能治理监测与治理的系统解决方案，使数据中心的电能质量问题得到了有效的治理。从成本、性能、可靠性等角度综合考虑，该方法具有较高的性价比。
