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    抑制數(shù)據(jù)中心諧波放大及分布式治理策略

    2021年03月29日 08:41點擊:485來源:安科瑞電氣股份有限公司>>進入該公司展臺

    摘要本文主要以某大型數(shù)據(jù)中心諧波治理為例,闡述數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的有源電力濾波器諧波治理策略。

    關(guān)鍵詞智慧能源;UPS;電壓諧波;諧波放大;APF

    1、引言

        在實際工程應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn),由于電力輸配電設(shè)施老化、設(shè)計不良和供電不足等原因造成末端電壓過低,端電壓過高,這對電壓要求較高的精密設(shè)備造成了很大的威脅。據(jù)統(tǒng)計當(dāng)公用電網(wǎng)影響用戶用電設(shè)備的問題主要有電壓閃變、諧波干擾、電網(wǎng)噪音、頻率漂移、過電壓、欠電壓、斷電及間斷等現(xiàn)象。以上問題不可能在短時間內(nèi)做出解決,比較現(xiàn)實的解決途徑是在電網(wǎng)和用電設(shè)備之間插入一個二次供電設(shè)備,實現(xiàn)局部高品質(zhì)的供電環(huán)境。一般常用的設(shè)備為不間斷電源系統(tǒng)UPS,它在我的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍,廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心、證券交易中心、民航和鐵路的控制中心、監(jiān)控系統(tǒng)等等核心用電部門。但是由于UPS屬于電力電子設(shè)備,正常工作的時候也會產(chǎn)生諧波電流,由于UPS拓撲結(jié)構(gòu)的不同產(chǎn)生的諧波電流頻次和諧波有效值有很大的差異,本文就以大型數(shù)據(jù)中心的UPS為例,合理分析諧波電流頻次,采用分布式治理的方法,有效抑制諧波電流放大,化電能質(zhì)量,提高設(shè)備用電效率。

    2、諧波電壓對電網(wǎng)的影響

    2.1  諧波電壓對配電系統(tǒng)的影響

        一般來說理想的交流電源是純正弦波形,純正弦的交流電壓加在線性負載兩端,會產(chǎn)生純正弦的交流電流。但是純正弦的交流電壓加在非線性負載兩端,會產(chǎn)生失真的交流電流,同時導(dǎo)致純正弦交流電壓失真。失真的交流電壓無論加在線性負載或非線性負載兩端,都會產(chǎn)生失真的交流電流。

     

     1 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖(無功柜未投入)

        如圖 1所示,1#主變和2#主變共用一段10KV母線,1#主變下UPS1沒有投入運行,主要負載全是線性負載,2#主變下UPS2投入運行,主要負載全是非線性負載,兩邊電容柜沒有投入運行,聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時,測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓;單獨運行2#主變時,測量點M2處有諧波電流和諧波電壓;同時運行1#主變和2#主變時,測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在。

    2.2  諧波電壓對濾波裝置的影響

        有源電力濾波器從拓撲結(jié)構(gòu)上分為串聯(lián)型有源電力濾波器、并聯(lián)型有源電力濾波器和混合型有源電力濾波器。目市場上的有源電力濾波器幾乎都屬于并聯(lián)型,并聯(lián)型有源電力濾波器主要原理是通過互感器采集被補償負載的電流,通過計算分析提取出負載電流的諧波成分,有源電力濾波器被動輸出反向的諧波電流來抵消系統(tǒng)中的諧波電流,達到諧波補償目的。

    2 某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)測量示意圖(增加APF)

        如圖2所示,1#主變和2#主變共用一段10KV母線,1#主變下UPS1沒有投入運行,主要負載全是線性負載,2#主變下UPS2投入運行,主要負載全是非線性負載,聯(lián)絡(luò)柜中聯(lián)絡(luò)開關(guān)始終處于斷開狀態(tài)。單獨運行1#主變時,測量點M1處沒有諧波電流和諧波電壓;單獨運行2#主變時,測量點M2處有諧波電流和諧波電壓,開啟APF2補償后,測量點M2處諧波電壓和諧波電流有效值減小;同時運行1#主變和2#主變時,測量點M1和M2處都有諧波電流和諧波電壓存在,單獨開啟APF1,測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值沒有變化,單獨開啟APF2,測量點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值同時減小。

        上述測試中有一種情況比較特殊,在同時運行1#主變和2#主變,單獨開啟APF1進行補償時,雖然濾波器有諧波電流輸出,但是測試點M1和M2處諧波電流和諧波電壓有效值并沒有減小,測量1#主變下線性負載上的電流諧波有效值,有明顯的放大現(xiàn)象。這說明2#主變下非線性負載引起諧波電流失真,導(dǎo)致10KV段電壓失真,失真的電壓加在1#主變的線性負載兩端,使M1點出現(xiàn)了諧波電流和諧波電壓。雖然APF1對線性負載的諧波電流進行了補償,但M1點的諧波電流和諧波電壓不會改變,相對于APF1并線點的網(wǎng)側(cè)諧波電流和諧波電壓有效值不變,負載側(cè)諧波電流有效值增大。因此,并聯(lián)型有源電力濾波器并不能有效濾除電壓諧波引起的電流諧波,相反,會使負載側(cè)諧波電流變的更大。

    3、諧波分布式治理

        工程中往往諧波的產(chǎn)生是多方面的,非線性負荷引起的諧波、背景諧波、補償裝置諧波放大等等現(xiàn)象,都是引起諧波產(chǎn)生的重要因素。

    3 中銀行某數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)圖

        如圖3所示,是中銀行某數(shù)據(jù)中心的配電一次圖,正常運行時聯(lián)絡(luò)柜中母聯(lián)斷路器始終保持斷開狀態(tài),T1變壓器和T2變壓器下負載全是12脈沖整流的UPS(T1:SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2;T2:SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2),兩臺變壓器所帶負載基本一致,期APF1和APF2沒有投入運行,測量T1變壓器和T2變壓器進線柜諧波電壓電流,如圖4和圖5所示:

    4補償諧波電壓波形及畸變率

    5 補償諧波電流波形及有效值

        從上圖中可以看出,12脈沖整流型UPS輸入側(cè)諧波電流應(yīng)該是以11次和13次為主,但實際側(cè)量發(fā)現(xiàn)明顯5次、7次諧波非常大。通過對UPS故障排查發(fā)現(xiàn)由于12脈沖整流器使用可控整流方式,上下整流橋調(diào)相角度不一致或上下橋直流輸出帶載不對稱等原因造成了UPS輸入端5次、7次諧波并沒有*抵消,這些沒有抵消的5次、7次諧波經(jīng)過11次濾波器時諧波被放大,這就出現(xiàn)了我們看到的圖4和圖5的情況。

        為了濾除現(xiàn)場諧波電流,主動斷開所有UPS的11次諧波濾波器濾波支路,增大APF濾波容量,考慮使用APF補償UPS產(chǎn)生的所有諧波頻次。UPS諧波濾波器改造完成后,同時運行APF1和APF2,測量T1變壓器和T2變壓器進線柜諧波電壓電流,如圖6和圖7所示:

    6 補償后諧波電壓電流波形

    7 補償后諧波電壓電流有效值

        以上數(shù)據(jù)滿足GB/T 14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)限值。通過對現(xiàn)場系統(tǒng)和負荷特性的了解,分析負荷故障原因,避免了UPS自帶無源濾波器與UPS間的并聯(lián)諧振,抑制電流諧波放大;采用分布式補償方案,避免變壓器間電壓畸變引起的電流畸變,從而有效的濾除UPS產(chǎn)生的諧波電流,解決了現(xiàn)場諧波對公用電網(wǎng)的污染問題。

    4、結(jié)束語

        本文分析了數(shù)據(jù)中心主要負荷UPS諧波產(chǎn)生的主要原因、UPS內(nèi)部無源濾波原理、諧波電壓和諧波電流間的互相關(guān)系以及在工程項目中如何判斷諧波引起的故障,并提出解決方案,抑制諧波電流的放大,采用合理的補償策略,終達到濾除諧波污染的目的。得出結(jié)論:

        1.UPS的諧波主要是由相控整流功率器件引起的;

        2.12脈沖整流型UPS上下橋調(diào)相角或帶載不對稱時,輸入端11次諧波濾波器會與UPS未抵消的5次、7次諧波電流生諧振,放大5次、7次諧波電流;

        3.有源電力濾波器APF并不適用于諧波電壓(背景諧波)引起的諧波電流濾波場合;

        4.電能質(zhì)量化工程項目中,了解現(xiàn)場負荷特性、分析故障根本原因,是解決工程項目諧波治理的必要條件。

    文章來源:《電氣時代》2017年12期。

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      關(guān)鍵詞:斷路器 變壓器
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