滤波补偿装置在数据处理行业的应用

邹佳鸥

（哈尔滨同为电气股份有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 引 言

数据处理中心具有负荷集中和谐波含量复杂的特点，为了数据交换机等设备的正常工作，通常需要安装大量的换气和空调设备，这些设备均属于非线性负载类型，具备能耗高、功率因数低以及谐波含量复杂的典型特征。一方面这些交流异步电机自身功率因数普遍在0.8～0.85，功率因数较低，需要大量的无功功率才能正常运行，另一方面交流异步电机的非线性特性使之成为高次谐波的主要来源[1]。

近些年，空调电源更新换代较快，新的空调电源多采用带变频设备调速的异步电机作为动力来源，随着变频器的大量使用，导致谐波含量急剧增加，引发的问题逐渐显现出来，各次谐波含量占比日益复杂，从3次、5次以及7次谐波占主导，逐渐变成11次和13次谐波变成主要谐波，这些谐波可能导致继电保护系统失灵、设备损坏或运行异常，甚至会造成设备烧毁或绝缘击穿[2]。此外，异步电动机所需的无功功率如果不能就地供给，只能来源于公用电网，那么无功功率的长距离流动将严重占用线路资源，增加不必要的功率消耗，因此必须采取技术手段，提高行业的能源利用效率，契合节能减排的国家战略，提高数据处理行业的用电安全和用电效率。

1 滤波补偿装置的应用方案设计

1.1 背景分析

为了能够对数据处理行业的配电系统进行精确的无功补偿和谐波治理，本文详细调查和研究了该行业中各种典型的负荷，同时统计和分析了该行业无功电源配置和运行状况数据。从统计的结果来看，数据处理行业普遍存在功率因数较低的问题，其根本原因是无功补偿装置容量不够，也存在部分装置电容器衰减严重的现实情况，这就造成了数据处理行业的企业的电费中，缴纳力调电费的比重较高，造成企业负担加重。另外公用电网中的高次谐波直接影响数据处理设备的运行安全，可能造成设备过热、数据处理异常甚至停机等事故，也直接影响通信处理的连续性，因此必须考虑高次谐波对数据处理行业的重大影响，安装谐波滤除装置，以降低事故率，提高整个行业的设备运行安全水平。

1.2 谐波分析

根据GB/T 14549—1993的要求，在不同电压水平下，各次谐波允许阈值被严格限值，这就要求各个企业接入点的各次谐波含量必须满足国标的要求。数据处理行业使用的空调和风机等非线性设备普遍采用6脉冲整流逆变设备供电，3次、5次以及7次谐波含量明显高于国家标准。近些年，随着国家能源政策的收紧，新建数据处理中心普遍采用12脉冲整流逆变电源供电。这两种不同脉冲数的供电方案中，谐波次数占比不同，6脉冲供电系统中5次和7次谐波占主导，而12脉冲供电系统中11次和13次谐波占主导地位。数据处理中心主要次数谐波含量统计平均值如表1所示（0.38 kV，折算短路容量10 MVA）。

表1 数据处理中心主要次数谐波含量统计平均值表

1.3 无功功率补偿分析

统计分析数据通信行业普遍使用的变压器可以看出，数据通信行业普遍采购节能型变压器，变压器自身对功率因数的影响很小。通信行业的低功率因数，究其原因是风机和空调等负载正常运行所需的大量无功功率来源于供电电网，因此就地或就近为这些负载提供部分或全部无功功率能降低供电系统的无功功率供给量，以提高功率因数。

目前，数据通信等行业的就地补偿方案中，采用电容器补偿是最常用的方案，该方案具有投资适中、技术成熟、运行可靠以及易维护的优点。电容器根据投切方式不同大致可分为以下两种类型，一是机械开关式，如采用接触器控制电容器投入或切断，缺点是产生暂态过渡过程，可能引起电容器的过电压和接触器触点的烧蚀。二是触点开关投切方式，采用电力电子器件（以可控硅为例）对电容器组投切，优点是不存在触点烧蚀的问题，同时无冲击且无过渡过程，因此采用可控硅等电力电子器件投切电容技术具有补偿精度高，产生谐波量低的优点。综上所述，建议数据通信行业采用可控硅等电力电子器件投切的无功补偿方案，从而取得精确补偿与降低谐波含量的双赢。

1.4 方案设计

如果用户侧能够自行建设无功功率电源，解决大部分的无功功率自给自足，则供电电网需要提供的无功功率将大幅降低，从而必将极大提高供电电网的供电效率，降低无功功率在网间流动带来的网络能量损耗，同时也将减小导线截面，大幅降低线路的工程造价。

为了解决无功功率基本自给自足的问题，需要用户自备无功补偿装置。目前，无功功率补偿装置普遍采用电容器，电容器的投入虽能提高供电电网的功率因数，但存在与感性负荷谐振的致命风险，一旦容性参数与感性参数达到一个量级，将会发生谐振或接近谐振，可能导致设备烧坏，继电保护误动或拒动的严重后果，因此电容器分组时，应充分考虑分组容量和投切容量必须避开谐振容量[3]。

为了抑制非线性负载产生的谐波进入公用电网或在机房与设备之间流动，应安装针对该类负载产生的主要谐波次数设计的滤波装置。该滤波装置应遵循尽量靠近谐波源负载侧安装的原则，以达到抑制谐波在设备之间和机房内流动的效果，达到谐波的最优化治理效果[3]。

总结分析数据通信行业的负荷所需无功补偿和谐波治理，解决方案可按以下原则进行设计。滤波治理方案应结合无功补偿同时进行，无功补偿方案主要考虑集中设置在为数据通信机房供电的变电站出线母线上，采用无触点的电力电子器件（可控硅）投切电容器方式，电容器的分组应避开谐振容量，谐波治理设备应考虑数据通信行业负荷的谐波情况，随负载安装，尽量靠近负载，并滤除主要谐波次数[4]。

2 滤波补偿装置的选用

2.1 选择思路

无功补偿与滤波装置应满足两个基本功能，一是能够消除指定次数谐波，使得为数据通信设备供电变电站母线上的电压或电流波形更接近正弦波形，二是能够在满足谐波滤除要求的基础上，提高供电系统的功率因数。基于以上两点要求并结合上述的分析，在采用6脉冲整流变频供电供电的数据通信中心，滤波装置应至少能够消除5次和7次谐波，对于采用12脉冲整流逆变装置供电的数据通信中心，应至少能够消除11和13次谐波，对于无功补偿装置，因其投切电容的开关形式很多，因此各数据通信中心可根据具体情况选用不同的投切方案，但补偿容量及投切方式需要与谐波滤除装置协同考虑。

2.2 装置选择

谐波滤除装置应根据数据通信企业自身的数据安全级别选择，若数据中心的重要性一般，仅仅滤除指定次数谐波即可满足要求，此时可考虑使用无源滤波装置，即代用不同的低阻抗通道分别滤除指定次数谐波的滤除形式。若对供电要求较高，数据重要程度很高的数据处理或交换中心，应尽量考虑采用有源滤波方案，使得供电系统中的各次谐波被反向冲掉，供电母线上的电压和电流波形更接近正弦波形。有源滤波装置造价虽远高于无源滤波装置，但滤波效果非常好。

无功补偿装置应主要选择无触点投切方式，一次性投入，后期投入较小。无功补偿装置应考虑与谐波滤除设备协同使用，以期达到最好的电能治理效果，另外装置中所选元件的质量、不同元件之间的参数匹配是否合理以及装配工艺都是影响滤波补偿装置效果的重要因素。在设计时应考虑瞬时过电压和过电流对电容器的影响，并在选择电容器时可以适当地提高电容器的耐压水平和温度极限。

3 滤波补偿装置的校验

3.1 系统谐振校验

本文通过实际调查采用6脉冲和12脉冲的不同供电系统的数据处理中心，以及采用不同无功补偿和滤波方案的数据通信中心，结果显示，采用无触点的补偿方案与有源滤波方案协同运行，对于降低供电系统的谐波含量，提高供电系统功率因数效果明显，并且在补偿回路根据主导谐波次数不同串入小电抗器，使得补偿回路呈现感性特性，即可避免谐振的发生，无需校验谐振。

3.2 滤波效果校验

记录本文建议采用的无触点补偿与有源滤波方案的运行数据，结果显示，按照本文提供的方案，供电母线的波形良好，功率因数高于国家标准，没有出现过补偿问题。从谐波滤除率来看，采用有源滤波方案的系统，谐波滤除率在98%以上，滤除效果很好，采用无源滤波方案的系统，3次谐波滤除率为87%，5次谐波滤除率为84%，7次谐波滤除率为91%，其他次数谐波因占比很小，基本不影响设备运行，因此未设计滤除通道。

4 结 论

数据处理中心的供电和运行安全以及电能传输效率取决于谐波含量与功率因数这两个重要参数，因此在数据中心装设滤波装置与无功补偿装置是提高供电效率和减少事故率的有效手段。从企业长远角度看，一次性投入无功补偿和滤波设备，将节约因功率因数低造成的罚款电费，同时大大降低因谐波造成的设备停运和继电保护系统误动与拒动事故。若数据处理等各相关行业企业能够普遍采用无触点投切无功补偿与有源滤波技术相结合的方案，那么对提高公用电网的供电质量和数据中心的安全运行将发挥重要作用。