数据中心电能质量隐患整治

顾建青，吴 捷

（中国电信股份有限公司 苏州分公司，江苏 苏州 215000）

0 引 言

供电系统作为整个数据中心基础设施重要组成部分，是保证数据中心设备安全、可靠运行的基石，目前数据中心不间断电源主要有以下供电方式：

（1）UPS双级变换供电制式；

（2）HVDC高压直流供电制式。

上述供电方式保障了数据中心IT设备的正常运行，但同时也带来了新的电能质量相关问题，例如容性无功、谐波、中性线电流过大等。为进一步了解数据中心供配电系统存在的问题，苏州电信分公司对某两个数据中心（下述1号数据中心、2号数据中心）采用的不同供电方式的配电系统进行了详细测试分析，并成功使用多功能电能治理终端进行电能质量问题治理[1]。

1 数据中心供电方式介绍

1.1 UPS双变换供电

UPS双变换供电制式是目前数据中心行业应用最久、最广的供电模式。其在市电供电正常时，UPS经过AC/DC和DC/AC的两级变换给IT设备提供交流电源。在市电供电中断时，蓄电池经UPS的DC/AC逆变器给数据设备负载供电，双变换UPS需要进行两次电力交换来实现对负载的供电，双变换效率损耗通常高达4%～12%。

数据中心不间断电源系统一般采用2N系统配置，如图1所示。2N系统配置中每套不间断电源正常运行时承担总负载的50%，实际运行中UPS带载率约为30%～45%。

图1 UPS双变换供电系统

UPS都带有功率因数校正电路，负载率较大的情况下可以实现很高的功率因数和很小的谐波，但是实际上因为2N的配置或者冗余的需求，加之在负载率不高情况下也会呈现一定的容性阻抗特性，并且在整流和逆变过程中还有谐波产生[2]。

1.2 HVDC高压直流供电

HVDC高压直流供电制式相对于UPS双变换供电制式，设备电路结构中省去了逆变电路，将成熟的高频开关电源电压等级提高至240 V或336 V，相对于24 V、48 V通信电源,由于其电压较高,因此被定义为HVDC。HVDC高压直流供电制式在市电供电正常时，HVDC经过AC/DC变换输出直流电给IT设备负载供电；在市电供电中断时,蓄电池经直接给IT设备负载供电[3]。

HVDC高压直流供电系统也采用2N系统配置，如图2所示，HVDC系统实际带载率与UPS系统类似。这些高频开关电源类设备的功率因数校正电路，同UPS一样在负载率不高的情况下也会呈现一定的容性阻抗特性，存在谐波。

图2 HVDC高压直流供电系统

2 电能质量测试数据及分析

选择UPS供电系统和HVDC供电系统的数据中心进行配电系统末端电能质量测试，采用Fluke 434-II专业的电能质量分析仪进行测试。其中：1号数据中心采用UPS双变换供电，2号数据中心采用HVDC高压直流供电，测试数据如图3所示。

图3 电能质量测试数据

1号数据中心UPS容量为500 kVA，实际带载率约15%，电流谐波高达31.6%，主要以5、7、11、13次谐波电流为主，输入负载特性为容性，功率因数为0.95，中性电流20 A。

2号数据中心HVDC容量为800 A，实际带载率约26%，电流谐波高达23.8%，以5、7次谐波为主，输入负载特性为容性，功率因数为0.99。

3 数据中心供电方式存在的问题及危害

从第1节介绍可知，不论是UPS双变换供电制式，或是HVDC高压直流供电，其系统中越来越多的高频模块化UPS、高压直流、48V通信电源等开关电源类负载通常带有功率因数校正电路，50%以上负载率情况下可以实现很高的功率因数和很小的谐波。实际上因为2N的配置或者冗余的需求，在负载率不高情况下也会呈现一定的容性阻抗特性（比如典型服务器电源实测工作时PF值为-0.92）。并且在工作过程中还有谐波产生，主要是5、7、11、13次。这些在供配电末端产生的问题也尤为重要，给配电系统带来了不可靠性，严重影响供电系统安全。

3.1 容性无功对发电机组的影响

发电机组运行时，通过调节转子绕组的励磁电流来调节发电机输出电压。发电机带载时，负载电流通过定子绕组时产生旋转磁场，定子绕组产生旋转磁场与转子绕组将产生旋转磁场相互叠加，转子磁场强度会被定子产生的磁场加强或减弱。

当负载呈容性时，负载电流超前电压，定子绕组产生了与转子磁场相同的旋转磁场，加强了转子磁场强度，自动调节器将减少励磁电流，达到磁场强度的平稳，保证输出电压稳定。当负载超前电流值不断增加，自动调节器将减少励磁电流直至不输出励磁电流，转子磁场强度依然上升，磁场强度失去控制，造成输出电压上升，最终导致发电机输出过电压而停机[4]。

如图4所示，在容性负载特性下，发电机组实际带载能力趋于陡线性下跌。在数据中心日常运维中，由于容性负载特性，直接导致发电机组应急供电期间的安全可靠性，从而影响数据中心IT设备的正常运行。

图4 发电机组带载特性

3.2 谐波的危害

（1）谐波电流使发电机组发热严重、噪音大，振动大，降低发电机组的输出容量；

（2）谐波电流使通信线路产生噪声，甚至造成故障；

（3）谐波电流使变压器发热、降低效率；

（4）谐波电流使电容器损坏，产生鼓包、漏液等，严重可能炸毁产生火灾；

（5）谐波电流使断路器、继电器等设备产生误动作；

（6）谐波电流使电线发热、老化，缩短寿命，严重时发生火灾；

（7）谐波电流使计量表计产生误差，计量混乱。

4 电能质量治理

4.1 电能质量治理终端应用数据测试

笔者分别在1号、2号数据中心末端用电设备前端加装了多功能电能治理终端，并采用Fluke 434-II专业的电能质量分析仪对电能质量治理终端投后数据进行了测试。图5所示为测试点位置及多功能电能治理终端接入位置。

图5 电能质量治理终端安装位置及测试点图示

如图6所示，在电能质量治理终端接入投运后，末端电能质量数据得到有效改善，电流波形均趋于正弦波；1号数据中心中线电流基本将至3A；配电系统呈现感性，并且功率因数达到0.99以上。

图6 电能质量治理后测试数据

1号数据中心测试数据在治理设备投运后电流有效值下降，A/B各相下降5%左右，中线电流治理效果明显，下降85%，降低了整个系统的线损，并且功率因数从0.95提高至0.99。2号数据中心测试数据在治理设备投运后电流有效值下降，A/B/C各相下降3%左右，降低了整个系统的线损。上述数据说明电能质量治理终端帮助用户节约了电能，实现了数据中心绿色用电、高效用电的宗旨。

4.2 电能质量治理终端

电能质量治理终端是以使用先进的电力电子技术为基础，采用全新的电能控制理念及技术，以并接方式接入配电系统，实时检测系统的电压、电流分量，并通过瞬时无功算法，使装置通过换流电路产生一种配网系统所需要的动态、连续的电流，从而实现动态连续的补偿，达到滤除系统谐波电流、补偿系统无功（容性、感性）以提高功率因数、消除系统中线电流的目的[5]。

电能质量治理终端系统框图如图7所示。图中eS表示交流电源，负载（UPS及开关电源类）产生谐波并消耗无功。电能质量治理终端系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的无功电流分量、谐波分量、中线电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路3个部分构成。主电路目前均采用PWM变流器。

图7 电能质量治理终端系统框图

电能质量治理终端系统原理如图8所示。图中ea、eb、ec为交流电源，负载为开关电源等非线性负载，Lsa、Lsb、Lsc分别代表三相的电网阻抗。电能质量治理终端主要由以下几部分组成：指令运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路。其中指令运算电路的主要任务是按照要求检测出负载电流中的谐波、无功、中线电流以及负序分量等。电流跟踪控制电路、驱动电路以及主电路合在一起可以称为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路得出的补偿指令，产生实际的补偿电流。主电路主要由IGBT构成的电压型PWM变流器，以及与其相连的电感和直流侧电容组成。电能质量治理终端现场如图9所示。

图8 电能质量治理终端系统原理

图9 电能质量治理终端现场

5 结 论

数据中心在不同供电方式下，用电末端均存在同样的电能质量问题：容性无功、谐波、中线电流大等，如何确保最后一步供电可靠性也非常重要。多功能电能治理终端对于数据中心存在的末端电能质量治理问题治理效果良好，并且有绿色节能的作用，可在数据中心行业进行推广。