浅析算力枢纽的冷冻水系统中变频器谐波的影响

周 平，赵宇衡，迮天怡

（1.中国移动江苏公司 苏州分公司，江苏 苏州 215028；2.中国移动江苏公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

常规冷冻水系统中的冷冻水泵、冷却水泵所使用的变频器电气一次系统如图1所示。

图1 冷冻水机组水泵用变频器系统

水泵供电的变频器常规采用交流-直流-交流系统结构，将普通电网中的50 Hz/400 V的交流电变换成各种频率的交流电源，以最终实现冷冻水系统中一/二次水泵电机的变速运行。变频器主要分为两个部分：一是变频器的神经系统即本体的二次控制电路，通过控制回路完成对变频器输出的调节；二是交流变频主体的调速装置则用于实现交流异步冷冻水水泵的电动机调速，经过变频调速后，频率可变范围变广、冷冻水供回水节能效果显著提高、水泵的运行也稳定可靠。但整体供电系统由于变频器的谐波危害，为冷冻水系统的供冷泵的正常运行带来威胁[1]。

1 变频器谐波原理

电机运行中的转速和电源频率是一种线性关系，变频器利用的就是谐波原理。将普通电网中的50 Hz/400 V的交流电通过整流和逆变的过程转换为在一定范围内可调节频率的交流供电冷冻一/二次水泵电源。在负载进行开断的过程中，变频器的整流输入和逆变输出部分从原理上将会对应激发出高次谐波。此外，冷冻水泵用变频器的输入端激发的谐波还将会从输入的交流电源线对整体市电外网的供电产生奇次谐波效应。传统6脉冲整流控制简单、成本低，但产生的谐波大，对电源的供电质量影响大[2]。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）整流广泛采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制，可以有效将电流波形最大程度正弦化，从而针对性地降低电流谐波。变频器一次主供电电路前端整流输入部分为50 Hz/400 V交流变频的市电电源，选用与一次回路对应的电容滤波及预制型号的功率相对较大晶体管的元件开关，从而逆变形成了频率可以调整的交流电信号。

对于变频器本身而言，只要是冷冻水系统水泵工频交流供电的电源输入侧设计有整流的一次电路的，一般情况下都会产生因非线性器件自身特点引起的谐波。以最常用的三相桥整流电路为例，国家电网电压为标准的正弦波，而交流工频的输入侧电流示波器可以观察到方波的波形记录。对于这个输入方形波形，可以按照电工学中傅氏级数的原理将其分解。该方波是由基波及各次谐波等共同形成，通常应该含有6m±1（m为正整数）次谐波。其中，分解产生的所谓高次谐波会对外市电公共电网产生干扰，而单个基波将会与几个分解的高次谐波产生重叠，叠加后一般称为畸波。对于传统的整流输入部分为降低造价一般采用6脉冲相控整流，虽然控制简单，但是会在电网中产生大量的5次、7次谐波，严重影响交流供电电源的质量[3]。

在冷冻水水泵变频器的逆变后端输出供电回路中，对水泵的输出部分电压和相伴而生的输出电流均可能都存在谐波。由于在水泵使用的变频器主要是利用不停变换来产生合计6组脉宽波形，这6组波形可以调节。变频器的后端输出电压及对应输出的电流是由三角载波及正弦脉宽调制（Sinusoidl Pulse Wdth Modulation，SPWM）波在输出波形的交点形成，不是类似外市电纯净标准的正弦输出波。从以上变频器的电压输出波形看，其后端输出的电压波形从测试中发现为方形波，用前述傅氏级数的原理将其分解为2类波形，即输出端电压方波与输出端一次回路电流正弦锯齿波。后端输出中包含不是太强的高次谐波常见成分，而这种存在的高次谐波对冷冻水水泵设备会激发很强的谐波干扰，甚至造成冷冻水水泵不能使用，周围冷冻水系统使用的仪器检测信号也会失真。当后端输出电流经过后端存在的非线性负载时，与该负载两端回路中的电压不呈线性关系，在一次回路中形成所谓的非正弦失真电流，从而在冷冻水机组水泵供电电路中产生对整个网络危害非常大的谐波。

2 谐波的危害

从变频器至水泵在冷冻水系统中一般超过100 m，根据电子集肤效应以及明确的会集中于各类导体（电缆）的邻近侧流动邻近效应，冷冻水系统的水泵变频器的外市电供电线路的电阻会随交流频率增加而提高，造成供电一次回路电能能量的损失。在日常交流电的三相四线中，中性线流过的电流非常小，其供电线径较细。当冷冻水供电变频器产生的大量3次谐波电流流过三相四线的中性线时，会使导线产生过热，从而导致线缆损坏[4]。

谐振会将谐波放大，这将会造成冷冻水系统中污染电网能量大大增加，情况严重的甚至会诱发不可预计大型事故。通过案例分析，冷冻水系统中的冷冻水泵（Uninterruptible Power Supply，UPS）供电系统特别需要关注。UPS和变频器均存在整流和逆变电路，产生串联谐振的风险很大，特别是某些变频器在工程选型时未采用谐波治理的选配件时易发生谐振。

谐波将使冷冻水系统二次回路中的保护功能-继电保护和关键功能自动装置在关键时刻出现误动作，影响使用。谐波会使冷冻水系统中的计量仪表和计量电能呈现出较大偏差，一次回路中的谐波对靠近的其他电力系统及用电设备也会产生不可控制的污染。例如，对二次回路中的监控系统产生电气干扰，轻者出现系统噪声，降低监控系统传输质量，重者会使监控系统无法正常工作，使BA控制系统出现误报警、误动作等问题[5]。

3 数据中心实际案例

3.1 案例情况

2022年6月12日，中国移动江苏公司苏州分公司某数据中心在冷冻水系统2切机过程中，现场通过监控发现被切的系统2冷机突然停机，于是对机房进行检查，发现冷冻水泵变频器前级开关跳开。检查变频器前级，观察到变频器前级自动转换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）主路显示电压在 320 ～ 450 V波动，于是联系UPS厂家工程师检查UPS的输出电压波形，发现UPS的A相、B相电压为230 V，波形平滑，其中C相波形存在较多毛刺，电压约为248 V。

表1 冷冻水系统2的UPS故障时内部历史记录

输出短路故障时刻波形如图2所示。

图2 故障时刻波形

故障前逆变电压正常，稳定无震荡；故障时刻由于输出短路，电压突然降低；逆变器短路保护切换到旁路供电。三相电流在故障前较小，处在轻载状态。故障时刻三相电流骤升，明显是短路现象，并且逆变电感电流和输出电流同相位。

综上所述，故障前系统处于轻载状态，UPS输出电压正常，电压无振荡，电压幅值和频率正常。故障时刻系统负载电流突增，UPS输出电压被负载拉低，说明负载短路。

3.2 案例分析

3.2.1 针对UPS测试对比

在连续故障的情况下，为排查问题原因，测量正常运行的其他系统的供电电压状态。

测试条件一：系统负载率约50%，主要负载为变频器，其他负载设备为综合保护系统，设备电源等。

测试结果：UPS输出波形在波峰波谷处的毛刺较多，通过电能质量分析仪看到输出线电压达480 V左右，相电压约为240 V。冷冻水系统UPS带变频器负载50%时输出电压波形如图3所示。

图3 冷冻水系统UPS带变频器负载50%时输出电压波形

测试条件二：系统负载率约10%，除变频器外，其他负载设备为综合保护系统、设备电源等，UPS逆变状态下输出测试数据（非变频器负载较小）如表2所示。

表2 UPS输出状态下谐波数据（单位：%）

UPS带变频器时会出现较大的纹波，切掉变频器负载后，在输出电流谐波近30%状态下，系统输出电压稳定无振荡，其中电压谐波畸变率大约1%，运行良好。

3.2.2 针对变频器的测试

市电供电状态下，冷冻泵变频器工作时输入电压、电流谐波测试数据如表3所示。

表3 市电状态下谐波数据（单位：%）

通过对比以上测试，在市电状态或UPS供电状态下，该款变频器均产生较大的电流谐波，电流谐波畸变率达到30%以上。UPS和变频器存在适配性问题，变频器产生的电流谐波影响了UPS的检测及控制，从而影响输出电压波形质量，进而影响了后端负载，包括变频器自身。UPS和变频器之间的线缆长度约200 m，在电流谐波较大的情况下存在不可忽视的线路阻抗，也会加剧振荡过程。系统适配问题的产生如图4所示。

图4 系统适配问题产生示意图

4 谐波的抑制

由以上实例分析可以发现，变频器在东数西算算力枢纽中的冷冻水系统中降低了启动电流，给算力枢纽中心带来了极大的便利和较好的经济效益。冷冻水系统的楼宇自控（Building Automation，BA）控制系统使用了大量敏感控制设备，谐波产生的次生影响还有待进一步深入研究。市场上常见的变频器已经给用户提供了相关消谐附件供选择，以限制400 V/50 Hz电网供电系统及一次回路中正常用电的设备产生的谐波危害。通过谐波对电网危害的分析，算力枢纽的冷冻水系统中常规抑制谐波的思路有3个。一是在变频器的一次回路结构上增加对应的物理器件来消除谐波对整体电网的危险点，如一次回路进线端并联电感电容或串联电感来降低奇次谐波，提高配电回路功率因数。但增设的物理器件滤波器因一次回路中有电感和电容的存在，容易引起整个变频器供电一次回路产生一定的震荡。二是通过增加主动有源可控的方式有效降低谐波、提高功率因数，例如将有源滤波器并联在变频器的一次回路输入端，但是一次性投入较高。三是在一次冷冻水水泵供电回路中应用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）降低谐波及提高功率因数，IGBT的使用对算力枢纽中400 V/50 Hz的配电电网的正常能耗供电影响较小，是当前相对较优的方案。

4.1 在一次回路中选用与冷冻水泵变频器相匹配的对应电抗器

4.1.1 在水泵变频器一次回路输入侧增设电抗器

在UPS供电电源与变频器输入侧的一次回路中增设交流电抗器，可以使变频器回路的整流阻抗增大，从而实现高次谐波电流的有效抑制，减少前端UPS电网各类浪涌、瞬变对水泵变频器的冲击，改善供给水泵UPS的三相电源不平衡性，提高变频器输入电源的功率因数。但冷冻水系统中同时考虑到交流电抗器本身体积大、成本高，当水泵变频器功率大于30 kW时才考虑是否增加交流电抗器来实现功率因数提高。

4.1.2 在一次回路的直流环节中串联直流电抗器

在供电一次回路整流器后端的正级和负级的母线排中将直流的电抗器进行串联，有效减少高次谐波成分，提高功率因数。考虑系统造价及运行成本，变频器功率大于30 kW时才能认真考虑是否增加直流器件。

4.1.3 常规的输出电抗器

常规算力枢纽中位于一楼的冷冻冷却水泵和位于配电房中的变频器之间电缆距离非常长，且电缆在选用时线径较粗，会在变频器的输出电路上引起一定量的过电压，使冷冻冷却水泵电机无法像其他系统的器件一样正常工作。基于此，可以通过在水泵变频器和水泵电机之间连接一个输出电抗器来实现降低电容和限制谐波的目的。

4.2 选用适当变频滤波器

在水泵变频器输入、输出一次供电电路中，根据冷冻水系统中使用位置的不同，通常采用一定容量的输入滤波器和输出滤波器。当前抑制冷冻水系统变频器谐波的重要发展方向是采用有源电力滤波器，但同时存在有源系统体积大且价格高的问题，特别对于冷冻水系统中工作电流较大（基本运行在额定容量下）的冷冻、冷却水泵的电动机。为了减少冷冻、冷却水泵电机的发热量，降低一次回路运行电流，应单独在冷冻水系统一次供电回路中串联加装经过计算选择的电抗器和滤波器。

4.3 采用多相脉冲整流

在冷冻水系统条件允许或要求谐波限制在较小的情况下，采用18相脉冲完全满足目前冷冻水系统所遵循的供电国际标准。该解决方案的缺点是需要特定类型的移相变压器，不利于冷冻水供电系统设备的改造，成本费用较高。

5 结 论

综上所述，选用变频器对冷冻水系统整体起到了节能作用，但是数据中心中通常也会选用UPS给变频器供电，UPS和变频器存在适配性问题，变频器产生的电流谐波将会影响UPS的输出电压，进而影响后端负载，包括变频器自身。此外，UPS和变频器之间的线缆过长，在电流谐波较大的情况下存在不可忽视的线路阻抗，也会加剧振荡过程。基于此，实际应用中建议变频器选用自带满足标准的滤波器，降低对不同UPS的影响。