數據中心電能質量隱患整治

顧建青，吳 捷

（中國電信股份有限公司 蘇州分公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

供電系統作為整個數據中心基礎設施重要組成部分，是保證數據中心設備安全、可靠運行的基石，目前數據中心不間斷電源主要有以下供電方式：

（1）UPS雙級變換供電制式；

（2）HVDC高壓直流供電制式。

上述供電方式保障了數據中心IT設備的正常運行，但同時也帶來了新的電能質量相關問題，例如容性無功、諧波、中性線電流過大等。為進一步了解數據中心供配電系統存在的問題，蘇州電信分公司對某兩個數據中心（下述1號數據中心、2號數據中心）采用的不同供電方式的配電系統進行了詳細測試分析，并成功使用多功能電能治理終端進行電能質量問題治理[1]。

1 數據中心供電方式介紹

1.1 UPS雙變換供電

UPS雙變換供電制式是目前數據中心行業應用最久、最廣的供電模式。其在市電供電正常時，UPS經過AC/DC和DC/AC的兩級變換給IT設備提供交流電源。在市電供電中斷時，蓄電池經UPS的DC/AC逆變器給數據設備負載供電，雙變換UPS需要進行兩次電力交換來實現對負載的供電，雙變換效率損耗通常高達4%～12%。

數據中心不間斷電源系統一般采用2N系統配置，如圖1所示。2N系統配置中每套不間斷電源正常運行時承擔總負載的50%，實際運行中UPS帶載率約為30%～45%。

圖1 UPS雙變換供電系統

UPS都帶有功率因數校正電路，負載率較大的情況下可以實現很高的功率因數和很小的諧波，但是實際上因為2N的配置或者冗余的需求，加之在負載率不高情況下也會呈現一定的容性阻抗特性，并且在整流和逆變過程中還有諧波產生[2]。

1.2 HVDC高壓直流供電

HVDC高壓直流供電制式相對于UPS雙變換供電制式，設備電路結構中省去了逆變電路，將成熟的高頻開關電源電壓等級提高至240 V或336 V，相對于24 V、48 V通信電源,由于其電壓較高,因此被定義為HVDC。HVDC高壓直流供電制式在市電供電正常時，HVDC經過AC/DC變換輸出直流電給IT設備負載供電；在市電供電中斷時,蓄電池經直接給IT設備負載供電[3]。

HVDC高壓直流供電系統也采用2N系統配置，如圖2所示，HVDC系統實際帶載率與UPS系統類似。這些高頻開關電源類設備的功率因數校正電路，同UPS一樣在負載率不高的情況下也會呈現一定的容性阻抗特性，存在諧波。

圖2 HVDC高壓直流供電系統

2 電能質量測試數據及分析

選擇UPS供電系統和HVDC供電系統的數據中心進行配電系統末端電能質量測試，采用Fluke 434-II專業的電能質量分析儀進行測試。其中：1號數據中心采用UPS雙變換供電，2號數據中心采用HVDC高壓直流供電，測試數據如圖3所示。

圖3 電能質量測試數據

1號數據中心UPS容量為500 kVA，實際帶載率約15%，電流諧波高達31.6%，主要以5、7、11、13次諧波電流為主，輸入負載特性為容性，功率因數為0.95，中性電流20 A。

2號數據中心HVDC容量為800 A，實際帶載率約26%，電流諧波高達23.8%，以5、7次諧波為主，輸入負載特性為容性，功率因數為0.99。

3 數據中心供電方式存在的問題及危害

從第1節介紹可知，不論是UPS雙變換供電制式，或是HVDC高壓直流供電，其系統中越來越多的高頻模塊化UPS、高壓直流、48V通信電源等開關電源類負載通常帶有功率因數校正電路，50%以上負載率情況下可以實現很高的功率因數和很小的諧波。實際上因為2N的配置或者冗余的需求，在負載率不高情況下也會呈現一定的容性阻抗特性（比如典型服務器電源實測工作時PF值為-0.92）。并且在工作過程中還有諧波產生，主要是5、7、11、13次。這些在供配電末端產生的問題也尤為重要，給配電系統帶來了不可靠性，嚴重影響供電系統安全。

3.1 容性無功對發電機組的影響

發電機組運行時，通過調節轉子繞組的勵磁電流來調節發電機輸出電壓。發電機帶載時，負載電流通過定子繞組時產生旋轉磁場，定子繞組產生旋轉磁場與轉子繞組將產生旋轉磁場相互疊加，轉子磁場強度會被定子產生的磁場加強或減弱。

當負載呈容性時，負載電流超前電壓，定子繞組產生了與轉子磁場相同的旋轉磁場，加強了轉子磁場強度，自動調節器將減少勵磁電流，達到磁場強度的平穩，保證輸出電壓穩定。當負載超前電流值不斷增加，自動調節器將減少勵磁電流直至不輸出勵磁電流，轉子磁場強度依然上升，磁場強度失去控制，造成輸出電壓上升，最終導致發電機輸出過電壓而停機[4]。

如圖4所示，在容性負載特性下，發電機組實際帶載能力趨于陡線性下跌。在數據中心日常運維中，由于容性負載特性，直接導致發電機組應急供電期間的安全可靠性，從而影響數據中心IT設備的正常運行。

圖4 發電機組帶載特性

3.2 諧波的危害

（1）諧波電流使發電機組發熱嚴重、噪音大，振動大，降低發電機組的輸出容量；

（2）諧波電流使通信線路產生噪聲，甚至造成故障；

（3）諧波電流使變壓器發熱、降低效率；

（4）諧波電流使電容器損壞，產生鼓包、漏液等，嚴重可能炸毀產生火災；

（5）諧波電流使斷路器、繼電器等設備產生誤動作；

（6）諧波電流使電線發熱、老化，縮短壽命，嚴重時發生火災；

（7）諧波電流使計量表計產生誤差，計量混亂。

4 電能質量治理

4.1 電能質量治理終端應用數據測試

筆者分別在1號、2號數據中心末端用電設備前端加裝了多功能電能治理終端，并采用Fluke 434-II專業的電能質量分析儀對電能質量治理終端投后數據進行了測試。圖5所示為測試點位置及多功能電能治理終端接入位置。

圖5 電能質量治理終端安裝位置及測試點圖示

如圖6所示，在電能質量治理終端接入投運后，末端電能質量數據得到有效改善，電流波形均趨于正弦波；1號數據中心中線電流基本將至3A；配電系統呈現感性，并且功率因數達到0.99以上。

圖6 電能質量治理后測試數據

1號數據中心測試數據在治理設備投運后電流有效值下降，A/B各相下降5%左右，中線電流治理效果明顯，下降85%，降低了整個系統的線損，并且功率因數從0.95提高至0.99。2號數據中心測試數據在治理設備投運后電流有效值下降，A/B/C各相下降3%左右，降低了整個系統的線損。上述數據說明電能質量治理終端幫助用戶節約了電能，實現了數據中心綠色用電、高效用電的宗旨。

4.2 電能質量治理終端

電能質量治理終端是以使用先進的電力電子技術為基礎，采用全新的電能控制理念及技術，以并接方式接入配電系統，實時檢測系統的電壓、電流分量，并通過瞬時無功算法，使裝置通過換流電路產生一種配網系統所需要的動態、連續的電流，從而實現動態連續的補償，達到濾除系統諧波電流、補償系統無功（容性、感性）以提高功率因數、消除系統中線電流的目的[5]。

電能質量治理終端系統框圖如圖7所示。圖中eS表示交流電源，負載（UPS及開關電源類）產生諧波并消耗無功。電能質量治理終端系統由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的無功電流分量、諧波分量、中線電流分量。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產生實際的補償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路3個部分構成。主電路目前均采用PWM變流器。

圖7 電能質量治理終端系統框圖

電能質量治理終端系統原理如圖8所示。圖中ea、eb、ec為交流電源，負載為開關電源等非線性負載，Lsa、Lsb、Lsc分別代表三相的電網阻抗。電能質量治理終端主要由以下幾部分組成：指令運算電路，電流跟蹤控制電路，驅動電路以及主電路。其中指令運算電路的主要任務是按照要求檢測出負載電流中的諧波、無功、中線電流以及負序分量等。電流跟蹤控制電路、驅動電路以及主電路合在一起可以稱為補償電流發生電路，它的主要作用是根據指令運算電路得出的補償指令，產生實際的補償電流。主電路主要由IGBT構成的電壓型PWM變流器，以及與其相連的電感和直流側電容組成。電能質量治理終端現場如圖9所示。

圖8 電能質量治理終端系統原理

圖9 電能質量治理終端現場

5 結 論

數據中心在不同供電方式下，用電末端均存在同樣的電能質量問題：容性無功、諧波、中線電流大等，如何確保最后一步供電可靠性也非常重要。多功能電能治理終端對于數據中心存在的末端電能質量治理問題治理效果良好，并且有綠色節能的作用，可在數據中心行業進行推廣。