數據中心建設中的諧波治理技術

 

    綠色節能是當前和未來數據中心建設的發展趨勢，為了降低系統諧波含量和消除諧波對 系統的影響，采取的措施包括：

 

    (1) 增大電力系統的供電容量和傳輸電纜、開關等設備容量;

 

    (2) 改變變壓器的配置和不同的連接方式;

 

    (3) 在系統中和設備內部配置無源濾波器;

 

    (4) 在UPS設備輸入端采用輸入功率因數校正電路——PFC;

 

    (5) 在系統或設備輸人端配置有源濾波器。

 

    1. 増大電力系統的供電設備和傳輸電纜、開關等容量

 

    通過前面的闡述，我們了解到，諧波的影響可概括為兩個方面：一是增大系統的無功功 率，輸人功率因數降低，影響電力容量和設備的利用率;二是諧波電壓對系統中的其他設備 產生干擾，影響系統的穩定性。而諧波電壓是諧波電流在系統傳輸中與線路阻抗一起形成 的，如圖4. 38所示。設想，如果系統中各種設備和電纜傳輸對諧波電流形成的阻抗很小， 諧波電流在傳輸過程中形成的諧波電壓就很小，甚至不形成諧波電壓，那么所謂的諧波相互 干擾也就不存在了。由此可得出這樣的結論：增大電力系統的供電容量和傳輸電纜、開關等 設備容量，是降低系統中諧波傳導電壓干擾行之有效的措施。

 

    但是，用此方法會大大提高系統配置成本，除設備購置成本外，用電量(如變壓器等 設備效率與其負載率有關)、占地空間、維護維修等成本也會相應提高，不符合數據中心綠 色、環保的要求。

 

    2. 改變變壓器連接方式消除某些特定次數的諧波

 

    在系統中配置輸入-輸出不同連接方式的變壓器，可消除某些特定次數的諧波。這在單 相和三相輸入的UPS系統中都有成功的應用。

 

    1)使用△/丫變壓器可消除3次諧波

 

    如果在系統中配置A/丫隔離變壓器，則可輕易地消除數據中心內IT負載產生的3次諧?

 

    次級星形接法

 

    變壓器次級是星形接法，由于其負載主要是單相整流濾波電路，所以富含 次諧波電流，且三相中的3次諧波電流(L)在零線中疊加。而變壓器初級是三角形 (A)接法，3次諧波電流(4)在A繞組中形成環流，于是，在變壓器的輸入端就消除了 3/i次輸入諧波電流。

 

    2)相移變壓器與雙整流器

 

    前面介紹了 12脈沖整流器對降低UPS輸人電流諧波的作用，主電路如圖4. 42 (a) 所示。這是對變壓器采用不同接法的典型的應用。變壓器初級是三角形接法，而次級 是三角形和星形兩組繞組，這里巧妙地利用了兩組繞組形成的30°相差，采用兩組整流橋 使5次、7次、17次、19次……諧波相互抵消，注人電網的只有12A±1 U為正整數) 次諧波，即11次、13次、23次、25次等各次諧波，各次諧波的有效值與諧波次數成反 比，見式(4-22)0

 

    根據式(4-22),在不考慮輸人濾波器的情況下，可計算12脈沖整流時的輸人電流的 諧波失真度為

 

    THDI = V1 (/二) + (/mll = VHn +產 + - = ^J_)2 + (_L)2+... ? 13%

 

    3.無源諧波濾波器

 

    無源諧波濾波器也稱為被動調諧式濾波器(Passive Harmonic Filer)，或簡稱LC濾波器, 是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置。與諧波源并聯，除了起到濾波 作用外，還兼顧無功補償的需要。

 

    圖4. 44所示為無源濾波器的電路結構形式，在數據中心供電系統中，這種濾波器主要 用于消除UPS輸人側的諧波電流。

 

    無源濾波器的工作原理是：由電感和電容排列組合的濾波器阻抗在某幾個特定的⑴值 時，針對要消除的諧波頻率，使對此頻率的諧波呈低阻狀態，采用并聯分流原理，該頻率諧 波電流將主要流過濾波器支路，而對于其他頻率電流，濾波器阻抗值大于系統阻抗，濾波器 支路分流很少，這樣就減小注人交流系統的諧波電流，同時大大降低相應的諧波電壓，如 圖4. 45所示。

 

    濾波環節的阻抗為Zp?，在設定的要濾除的諧波/;這一點，它的等效電抗 值低，當諧頻率偏離/：這一點時，阻抗迅速增大。同時還注意到，濾波環節的阻抗性質

 

    也在隨著諧波次數的不同而變化，當諧波次數高于y：時為感性;低于/,時為容性。根據 lcw2 = i這一設計原則，當忽略濾波器電阻「時，則設定的濾波器的串聯諧振(阻抗低、 電流大)頻率為

 

    /r =~-——

 

    2tt -JhC

 

    所以，通常在6脈沖整流系統中，濾波器對大幅值的5次諧波電流的阻抗為零。而在 12脈沖整流系統中是對大幅值的11次諧波電流的阻抗為零，這樣就可以將大部分諧波消 除。一般6脈沖整流的UPS配置濾波器后，諧波可降低到10%左右;12脈沖整流的UPS, 諧波可降低到5%左右。

 

    無源濾波器被廣泛地應用于UPS設備和供電系統中，它的主要優點是：

 

    (1) 簡單易行，可靠性高。

 

    (2) 做成模塊化結構，可以根據需要配置，可安裝到設備中，也可安裝到系統中。

 

    (3) 對設計所調諧的諧波，有很好的濾波效果。

 

    (4) 這種濾波器可同時在某種程度上提高輸入功率因數PF。

 

    但無源濾波器也存在著明顯的缺點和局限性。

 

    (1) 頻率特性差：濾波頻譜很窄，通常只對設定的諧波頻率有較理想的效果。

 

    (2) 負載適應能力差：無源濾波器是針對UPS額定負載量設計的，由于電感參數的非?

 

    線性特點，當流過的電流減小時，濾波效果會受到非常明顯的影響。

 

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