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数据中心建设中的谐波治理技术

作者:机房360出处:博客2014-08-19 15:38

  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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关键词:谐波治理,数据中心,绿色节能

责任编辑:林勇

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