数据中心建设中的谐波治理技术

 

    绿色节能是当前和未来数据中心建设的发展趋势，为了降低系统谐波含量和消除谐波对 系统的影响，采取的措施包括：

 

    (1) 增大电力系统的供电容量和传输电缆、开关等设备容量;

 

    (2) 改变变压器的配置和不同的连接方式;

 

    (3) 在系统中和设备内部配置无源滤波器;

 

    (4) 在UPS设备输入端采用输入功率因数校正电路——PFC;

 

    (5) 在系统或设备输人端配置有源滤波器。

 

    1. 増大电力系统的供电设备和传输电缆、开关等容量

 

    通过前面的阐述，我们了解到，谐波的影响可概括为两个方面：一是增大系统的无功功 率，输人功率因数降低，影响电力容量和设备的利用率;二是谐波电压对系统中的其他设备 产生干扰，影响系统的稳定性。而谐波电压是谐波电流在系统传输中与线路阻抗一起形成 的，如图4. 38所示。设想，如果系统中各种设备和电缆传输对谐波电流形成的阻抗很小， 谐波电流在传输过程中形成的谐波电压就很小，甚至不形成谐波电压，那么所谓的谐波相互 干扰也就不存在了。由此可得出这样的结论：增大电力系统的供电容量和传输电缆、开关等 设备容量，是降低系统中谐波传导电压干扰行之有效的措施。

 

    但是，用此方法会大大提高系统配置成本，除设备购置成本外，用电量(如变压器等 设备效率与其负载率有关)、占地空间、维护维修等成本也会相应提高，不符合数据中心绿 色、环保的要求。

 

    2. 改变变压器连接方式消除某些特定次数的谐波

 

    在系统中配置输入-输出不同连接方式的变压器，可消除某些特定次数的谐波。这在单 相和三相输入的UPS系统中都有成功的应用。

 

    1)使用△/丫变压器可消除3次谐波

 

    如果在系统中配置A/丫隔离变压器，则可轻易地消除数据中心内IT负载产生的3次谐?

 

    次级星形接法

 

    变压器次级是星形接法，由于其负载主要是单相整流滤波电路，所以富含 次谐波电流，且三相中的3次谐波电流(L)在零线中叠加。而变压器初级是三角形 (A)接法，3次谐波电流(4)在A绕组中形成环流，于是，在变压器的输入端就消除了 3/i次输入谐波电流。

 

    2)相移变压器与双整流器

 

    前面介绍了 12脉冲整流器对降低UPS输人电流谐波的作用，主电路如图4. 42 (a) 所示。这是对变压器采用不同接法的最典型的应用。变压器初级是三角形接法，而次级 是三角形和星形两组绕组，这里巧妙地利用了两组绕组形成的30°相差，采用两组整流桥 使5次、7次、17次、19次……谐波相互抵消，注人电网的只有12A±1 U为正整数) 次谐波，即11次、13次、23次、25次等各次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反 比，见式(4-22)0

 

    根据式(4-22),在不考虑输人滤波器的情况下，可计算12脉冲整流时的输人电流的 谐波失真度为

 

    THDI = V1 (/二) + (/mll = VHn +产 + - = ^J_)2 + (_L)2+... ? 13%

 

    3.无源谐波滤波器

 

    无源谐波滤波器也称为被动调谐式滤波器(Passive Harmonic Filer)，或简称LC滤波器, 是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。与谐波源并联，除了起到滤波 作用外，还兼顾无功补偿的需要。

 

    图4. 44所示为无源滤波器的电路结构形式，在数据中心供电系统中，这种滤波器主要 用于消除UPS输人侧的谐波电流。

 

    无源滤波器的工作原理是：由电感和电容排列组合的滤波器阻抗在某几个特定的⑴值 时，针对要消除的谐波频率，使对此频率的谐波呈低阻状态，采用并联分流原理，该频率谐 波电流将主要流过滤波器支路，而对于其他频率电流，滤波器阻抗值大于系统阻抗，滤波器 支路分流很少，这样就减小注人交流系统的谐波电流，同时大大降低相应的谐波电压，如 图4. 45所示。

 

    滤波环节的阻抗为Zp?，在设定的要滤除的谐波/;这一点，它的等效电抗 值最低，当谐频率偏离/：这一点时，阻抗迅速增大。同时还注意到，滤波环节的阻抗性质

 

    也在随着谐波次数的不同而变化，当谐波次数高于y：时为感性;低于/,时为容性。根据 lcw2 = i这一设计原则，当忽略滤波器电阻「时，则设定的滤波器的串联谐振(阻抗最低、 电流最大)频率为

 

    /r =~-——

 

    2tt -JhC

 

    所以，通常在6脉冲整流系统中，滤波器对最大幅值的5次谐波电流的阻抗为零。而在 12脉冲整流系统中是对最大幅值的11次谐波电流的阻抗为零，这样就可以将大部分谐波消 除。一般6脉冲整流的UPS配置滤波器后，谐波可降低到10%左右;12脉冲整流的UPS, 谐波可降低到5%左右。

 

    无源滤波器被广泛地应用于UPS设备和供电系统中，它的主要优点是：

 

    (1) 简单易行，可靠性高。

 

    (2) 做成模块化结构，可以根据需要配置，可安装到设备中，也可安装到系统中。

 

    (3) 对设计所调谐的谐波，有很好的滤波效果。

 

    (4) 这种滤波器可同时在某种程度上提高输入功率因数PF。

 

    但无源滤波器也存在着明显的缺点和局限性。

 

    (1) 频率特性差：滤波频谱很窄，通常只对设定的谐波频率有较理想的效果。

 

    (2) 负载适应能力差：无源滤波器是针对UPS额定负载量设计的，由于电感参数的非?

 

    线性特点，当流过的电流减小时，滤波效果会受到非常明显的影响。

 

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