鐵路數據中心電能質量模擬案例設計研究

關 磊

0 引言

信息化技術在鐵路領域已經得到廣泛應用，為推進鐵路現代化奠定了堅實基礎，隨著技術的不斷進步，鐵路信息化建設更加注重互聯網、大數據、云計算、人工智能、物聯網等新技術的應用。鐵路數據中心主要用于鐵路行業相關核心數據存儲與交換，承載全路集中應用系統的部署及數據資源存儲，是鐵路信息化建設的基礎性、關鍵性工程，具有重要的作用及地位。

電力系統是鐵路數據中心安全、穩定、流暢運行的基本保證。本研究模擬了一個鐵路數據中心項目，從電力系統電能質量問題的預計、電能質量控制方法研究角度，探討大型數據中心電力設計，特別是電能質量設計計算的方法，為實際工程設計的前期研究提出一套數據中心投運后能夠保障電能質量水平的措施和方法。

1 設定工程條件

數據中心采用2回10 kV進線，經變電后饋出三相0.4 kV低壓電源提供給用電負荷。基本負荷包含辦公用電負荷和生產用電負荷，辦公用電負荷主要包括變頻空調、照明、供排水、電梯、辦公、消防等用電負載；生產用電負荷主要包括UPS、機房空調機組、水泵、暖通、風機、照明、插座等混合負載。

2 電能質量基本概念及要求

電能質量是指通過公用電網供給用戶端的交流電能品質。理想狀態的公用電網應以恒定的頻率、正弦波形、120°相位差和標準電壓為用戶供電。但由于電力系統中的發電機、變壓器、輸電線路、整流逆變等設備的非線性、不對稱性，以及用電負荷的性質、動作等原因，加之系統內部故障、外來擾動等因素，理想狀態并不存在。因此在電網運行、供用電各環節、用電設備中出現了各種問題，也就產生了電能質量的概念。IEC從電磁干擾現象角度對電能質量問題進行了分類[1，2]，如表1所示。

表1 IEC對電能質量的分類

IEEE根據電壓擾動的頻譜特征、持續時間、幅值變化對電能質量問題進行了細分，并提出了量化的標準，更具操作性。

我國針對電能質量問題制定了一系列標準，主要包括GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》、GB/T 14549—93《電能質量 公用電網諧波》、GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》等。假定本工程所有設備均能夠在IEC、IEEE及國內標準確定的電能質量環境下正常運行，這些電能質量指標如表2所示。

表2 本工程電能質量指標

本文從諧波、功率因數著手，研究工程電能質量指標。電壓偏差、電壓波動、閃變主要取決于外部電網，本文不作討論。對于負序問題，主要通過對單相負載的平衡配置解決，本文不作論述。

3 電能質量指標預計

3.1 供電方式及主要電力負荷

根據用電負荷以及電力公司的相關要求，由110 kV變電站的10 kV高壓饋出柜開關下口至主數據中心10 kV配電所的10 kV高壓引入柜開關下口建設共計6回路的10 kV電源，在6回路電源中，每3回由規劃變電站的2段10 kV母線段分別接引。數據中心室內每座10 kV配電所分別接引2回10 kV電源，構成雙重電源條件。10 kV主接線采用單母線斷路器分段，不設母聯。正常運行時，2路電源分別運行。假設公共連接點短路容量為100 MV·A[1]。

通過10/0.4 kV動力變壓器向主要負載供電。變壓器短路阻抗6%，采用DYn11接線，其負荷包括UPS、空調、水泵、冷水機組、暖通設備、通風設備、照明、辦公設施設備、生活用電等。表3列出了電力負荷類型及功率。

表3 本工程電力負荷類型及容量

3.2 電能質量目標預計

3.2.1 諧波電流限值的確定

GB/T 14549—93規定，公共連接點處THDu不超過5%，特指在變壓器負荷為理想線性負載或空載時變壓出口處的諧波含量指標，是電網所供給電壓的本底諧波含量最大限值，電壓諧波含量低于該指標時，能夠確保用電設備功能的正常發揮。

然而，數據中心在運行時，各種負載所產生的諧波電流在饋電回路及變壓器上流動，由于存在變壓器短路阻抗及供電回路電阻，諧波電流必然在這些阻抗上產生電壓降，致使供電回路諧波含量升高。GB/T 14549—93給出了公共連接點允許的電流諧波允許值。

按照動力變壓器最大短路容量和GB/T 14549—93提供的方法，將10 kV接入點允許諧波電流值折算到0.4 kV側，得到低壓側允許電流限值：

式中：Sk1為公共連接點的最小短路容量，MV·A；Sk2為基準短路容量，MV·A；Ihp為第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值。

按式（1）及變壓器變比對允許諧波電流進行計算，設Sk1、Sk2均為100 MV·A，按照變壓器變比將其折算到低壓側，結果如表4所示。

表4 某工程公共連接點諧波電流限值 A

由于各用電負荷的單次諧波電流無法準確確定，但可以按照負載類型估算其總的諧波電流。根據表4及式（2），可以計算公共連接點總諧波電流限值及折算到變壓器二次側的諧波電流限值[3]。

式中：IH為總諧波電流；Ih為第h次諧波電流。

考慮諧波最高計算到25次，按照式（2），公共連接點諧波電流限值為48.98 A，折算到變壓器二次側的諧波電流限值為1 224.4 A。

3.2.2 負載諧波電流預計

在本工程中所使用的UPS為高頻型（輸入側PWM整流），不同于傳統的6脈沖或12脈沖整流，PWM整流器具有低諧波電流和高功率因數的特點，其輸入功率因數大于0.99，輸入電流諧波含量小于3%。考慮一定的裕量，輸入諧波電流按5%計算。

空調、水泵、冷水機組采用變頻調速方式，其輸入側為6脈沖整流器（三相全橋整流器），即以6個半導體（二級管或可控硅）組成全橋整流器，每個工作周期有6個脈沖（二極管整流無需觸發脈沖，相對更為簡單，其交流側電流波形類似于觸發角最大時的可控硅整流器）控制半導體開通[4]。三相全橋整流器及其輸入電流波形如圖1、圖2所示。

圖1 三相全橋整流器

圖2 三相橋式整流電路輸入側電流波形

忽略整流電路換相過程，假設交流側電感為零，直流側電感為無窮大，則交流側電流的傅里葉級數展開式為[5]

式中：Id為總基波電流；ω為角頻率；t為時間。

依據式（3），輸入側電流中含有6k±1（k為正整數）次諧波，各次電流諧波有效值與諧波次數成反比，且為基波有效值的諧波次數分之一。各次諧波含量見表5。

表5 三相全橋整流電路各次諧波含量

將表5數值代入式（4），可計算出三相全橋整流電路典型總電流諧波含量約為30%。

式中：In為n次基波電流（n= 1,2,3,…），A。

本工程所使用的照明（LED燈具或熒光燈）、插座、辦公設施設備等大多為單相整流性負載，如圖3所示。

圖3 單相全橋整流器

下文將對其交流側諧波電流進行分析。由于網側各項性能指標和諧波含量只與整流電路中直流側電容和電感有關[5]，為簡化分析，以直流側為純電阻性進行分析，則交流側電流i1可以表示為[6]

式中：k= 0,1,2,…；I1為總諧波電流；α為導通角。

式（5）為周期函數，其傅里葉級數表達式為

其中：

由式（6）可知，純電阻負載單相全橋整流電路交流側電流成分包括基波及3，5，7，9…次諧波。當直流側負載為輕載時，其輸入電流中以諧波成分為主，THDI可超過100%；當直流側負載為重載時，諧波電流成分降低。

在本工程中，由于單相負載種類繁多，運行方式多變，難以對諧波電流情況進行準確計算。為便于工程計算并有合理的裕量，對這些設備的諧波電流含量按照100%計算。

3.2.3 功率因數預計

線性正弦電路的功率定義為[7]

式中：P為有功功率，W；U為電壓，V；I為電流，A；φ為電壓與電流的相位角；Q為無功功率，var；S為視在功率，V·A。

有功功率P越接近視在功率S，電氣設備的容量越能得到充分利用。功率因數反映了有功功率P接近視在功率的程度。在正弦電路中，功率因數由電壓和電流的相位差決定，用cosφ表示。S、P、Q有如下關系：

在非正弦電路中，功率的物理意義與正弦電路相同，但由于諧波的存在，有必要區分基波電壓電流產生的無功功率、同頻率諧波電壓電流產生的無功功率、不同頻率電壓電流產生的無功功率。對于含有諧波的非正弦電路，仿照式（10）可以定義無功功率Qf為

式中：Qf為基波和諧波產生的總無功功率，var；Un為基波或諧波電壓，V；In為基波或諧波電流，A；φn為基波或諧波電壓與電流相位角。

Qf反映了同頻率電壓電流產生的無功功率，由于不同頻率諧波不能相互抵消，式（12）的計算結果會引起抵消的結果，這是不合理的，因此

為解決這一問題，引入畸變功率D[7]，使得

結合式（11）和式（14）可得

D為由不同頻率的諧波電壓電流產生的無功。假定電壓為純正弦（在電網中電壓波形非常接近純正弦），電壓有效值為U，總電流有效值為I，基波電流有效值為I1，其與電壓的相位為φ1，n次諧波有效值為In，則可以得到[7]

可以看出，Qf為基波無功功率，D為諧波無功功率。如此，在非正弦情況下，功率因數為

式中：ν為基波電流有效值與總電流有效值之比。

基于以上分析，在電力系統設計時，應估算各用電設備的諧波電流，根據式（17）對其功率因數進行修正，以確定電力系統的總功率因數，并計算需要的補償量。

對于本工程，根據負載類型、標稱功率、諧波含量、標稱功率因數，按照式（17）修正后的功率因數見表6。

表6 本工程負載諧波電流及功率因數計算

4 電能質量治理方法

表6列出了電源各回路中的諧波含量和功率因數，可以看出，功率因數均低于目標功率因數，總諧波電流大于目標諧波電流，需要進行諧波治理。

表3列出了本工程兩路電源的負載，兩路負載相同，僅分析其中一路的諧波及無功治理方法即可。依據負載重要等級的劃分，對照表3，通風空調設備為二級負荷，混合類負載為一級負荷，其他為特別重要一級負荷。對于一級及特別重要一級負荷，應建立良好的電力環境，二級負荷達到設計指標要求即可。

按照上述原則，對于一級負荷及特別重要一級負荷，根據計算諧波電流和目標功率因數配置濾波補償設備；對于二級負荷，控制諧波電流不超過計算值的10%（按照實際工程二級負荷容量占總容量的比例取值，以按照式（4）計算后諧波電流不超過限值為準，本工程取10%作為示例），按照目標功率因數配置補償裝置。

按照下式計算需要配置的補償裝置容量：

式中：cosφ1為補償前功率因數；cosφ2為目標功率因數；Q為裝置容量，var；S為系統視在功率，V·A。諧波抑制的方法主要包括：合理選擇低壓電氣設備；合理選擇變壓器接線方式；將非線性負荷與敏感負荷分開供電；變電所低壓母線側集中設置濾波裝置（無源和有源濾波裝置）；對于諧波含量較大的設備或設備組采用專用回路供電，并就地設置有源濾波器進行補償。

在本工程中，對于一級負荷及特別重要一級負荷，采用就地補償的方式，就近設置補償濾波設備，以確保良好的用電條件；對于二級負荷，采用在變電所低壓母線側集中設置有源電力濾波器的諧波抑制方法[8]。關于有源濾波器可參見文獻[9，10]。

根據式（18）計算結果設置無功補償設備后（具體容量從略），接入點功率因數指標符合電網要求（不低于0.9），計算結果如表7所示。

表7 諧波及功率因數補償容量計算

按照行業經驗，濾波設備的諧波濾除率一般為90%，在本工程中按照表7配置濾波器，并考慮諧波濾除率后，按照式（19）計算總諧波電流為245 A，滿足變壓器二次側的諧波電流限值為1 224.4 A的要求。

根據式（1）折算到10 kV公共電網接入點側，總諧波電流為9.8 A，符合GB/T 14549—93《電能質量 公用電網諧波》對于諧波電流的限值要求。根據表7配置無功補償裝置后，接入點功率因數達到0.9以上，符合要求。從注入公用電網的諧波電流和接入點功率因數兩個維度，本工程用電負荷不會對公用電網造成污染。

5 結語

通過對本工程案例中諧波電流和功率因數的分析計算，特別是對于諧波及諧波功率因數的討論分析，非正弦電路中諧波電流將導致額外的無功功率，有必要對工程中所有用電設備經統計后得出的無功功率進行修正，以得出比較準確的數值，為工程中濾波補償設備的選型提供指導。