数据中心电能质量问题简析

一、电能质量背景情况

随着电力电子产业及电气自动化产业的发展，在信息时代下，数据中心的产生，为 民与社会呈现的内容更加便捷，而数据中心的特殊供电体系及极高的供电可靠性也显得尤为重要。

数据中心IT设备供电示意图

数据中心项目中大量使用UPS、开关电源及变频设备等非线性设备，这些设备在工作过程中产生大量谐波电流，会给数据中心的配电系统造成严重的谐波污染，谐波含量过高不仅影响数据中心的配电系统安全运行，而且会引起数据中心设备的不稳定，甚至造成设备故障。

数据中心典型负荷种类图

数据中心空调系统示意图

数据中心安防系统示意图

二、存在的问题

1、（非线性照明）LED灯、电子显示屏、UPS不间断电源、EPS应急照明、开关电源等均为谐波源，其产生的谐波非常大，主要谐波频次为3、5、7、11、13次等；且LED灯、UPS不间断电源等设备易产生大量容性无功，变频空调、风机等设备，易产生大量感性无功。

近年来国家相关政策的要求，要求此类产品自身产生的谐波达到一定标准要求；各厂家为抑制自身产品产生的谐波量，均在产品内部采用LC谐波抑制支路（即：电容电抗）来抑制自身产品主要产生的某次谐波，以达到相关国家行业要求；虽然如此，上述各类设备产生的谐波依然偏大。比如：UPS不间断电源、EPS电源、开关电源、变频装置的谐波畸变率在15%～30%之间；LED照明、电子显示屏等谐波畸变率在30%～60%之间。

同时还引发其他问题，如上所述，各类产品抑制自身产生的谐波采用的是LC谐波抑制支路（即：电容电抗），此类装置为固定投入（即：产品通电后，LC支路即全部接入系统），在大量使用的情况下（负荷大时），将产生大量的容性无功流入配电系统，还由于数据中心各区域供电均为电缆，电缆因敷设方式的不同及环境因素，同样会产生大量容性无功流入配电系统；二者叠加，导致配电系统容性无功非常大，使系统呈超前状态（过补偿现象），危害配电系统及供电安全、无功罚款、供配电设备发热严重等安全隐患。当负荷小时，功率因数低（欠补偿现象），则需要进行无功补偿进行提高功率因数。

2、高频UPS在负荷功率因数较低时，输入功率因数超前；常规电容补偿方案无法补偿容性无功功率，在供电系统负荷率较低时，系统功率因数低于0.9，不满足供电部门要求。

工频UPS：在200kVA以下的输入电路都采用了可控硅6脉冲整流，输入功率因数不超过0.8，谐波电流有30%。200KVA以上工频机UPS必须外加谐波滤波器（LC滤波支路）或改为12脉冲整流，再加上输出变压器。工频机整体输入功率因数偏低，LC滤波支路容易产生容性无功电流，产生谐波含量较大。

主要品牌UPS负荷分析表

三、电容柜、混合补偿与SVG装置区别

1、电容器

电力电容器的使用寿命与供电质量、运行电压、电流和环境温度、运行时间的长短及配套电器密切相关，这些因素都会直接影响电容器的寿命与容量的降低。

一般正常的情况下，每年电容器的容量下降10-12%，容量的损耗随着电容器的运行逐年增加。电容器一般运行四年，就要更换新的电容器。在环境恶劣的运行环境下，电容运行不到一年就要更换。否则，其容量过低会影响补偿效果，如果供电系统电污染严重（如含有较大谐波，造成谐波过电流），由于其容值的衰减，导致与串联电抗器不匹配，而且随着继续恶化，其可靠性大大降低，极易发生电容器鼓包、漏液，严重时会发生爆炸起火。

目前市场上电容补偿装置投切方式分接触器、可控硅两种，接触器投切速度慢、易产生投切冲击、产生波动；可控硅投切只是适当提高了投切速度，但性能是不能和SVG相提并论的。它只是用可控硅代替了接触器而已，本质上还是用的电容。

电容柜只能发出容性无功；混合补偿装置：由有源+无源组成，大部分是无源装置（即：电容补偿），电容装置仅发出容性无功。所以两种装置在上述存在大量容性无功的配电系统中是无法使用的，不能解决配电系统无功补偿要求。因为容性无功需要感性无功来补偿治理；反之。感性无功需要容性无功来补偿治理。

在无功补偿领域，电容补偿因对运行电 环境要求严苛，在重谐波污染环境中面临多种难题，如：

① 过量谐波导致电容器损耗严重；

② 补偿设备需求系数高，导致电容器长期投入，运行周期过长，寿命缩减严重；

③ 重谐波污染环境下，电容柜易造成谐波谐振，引起变压器跳闸，造成损失；

④ 传统电容补偿柜保护功能少，保护控制方式落后，当电容柜本身出现故障时，无法及时断电，易造成故障扩大化，危及生产安全；

⑤ 无功补偿电容器对运行电压、谐波、配电室温度、散热等均有较高要求，是极为脆弱的用电设备，尤其在华东、广东等高温高湿环境中，经常发生跳闸、保护、电容器击穿、爆炸、甚至电容补偿柜起火等恶性事故，进而导致配电室起火、系统跳闸、停产等严重后果。

在电容器的作用下，谐波电流可以被放大2～5倍，而在谐振时可达30倍以上。谐振引起的过电压和过电流会大大增加电容器的损耗和过热，这往往会导致电容器的损坏。

电容柜烧毁现场照片

由于电容补偿产品的诸多弊端，目前在具有大量谐波污染设备等行业中，使用纯有源型无功补偿及滤波产品替代老式电容补偿和混合补偿已成为主流。

2、混合补偿

混合补偿由有源部分和无源部分组成，无源部分也是由可控硅、电容、电抗组成，主要还是无源部分性能保证。

电力电容器的使用寿命与供电质量、运行电压、电流和环境温度、运行时间的长短及配套电器密切相关，这些因素都会直接影响电容器的寿命与容量的降低。

一般正常的情况下，每年电容器的容量下降10-12%，容量的损耗随着电容器的运行逐年增加。电容器一般运行四年，就要更换新的电容器。在环境恶劣的运行环境下，电容运行不到一年就要更换。否则，其容量过低会影响补偿效果，如果供电系统电污染严重（如含有较大谐波，造成谐波过电流），由于其容值的衰减，导致与串联电抗器不匹配，而且随着继续恶化，其可靠性大大降低，极易发生电容器鼓包、漏液，严重时会发生爆炸起火。

混合补偿无源部分是由采用可控硅控制的无功补偿装置，其价格还比SVG高一些，但性能是不能和SVG相提并论的。它只是用可控硅代替了接触器而已，本质上还是用的电容。

3、SVG装置

SVG是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换，从而实现了无功补偿技术质的飞跃。从技术上讲，SVG较传统的无功补偿装置有如下优势：

结构设计灵活：采用模块化设计，抽屉式整柜组装，后期扩容方便；

静止无功发生器SVG整柜及模块实物图

① 可靠性高：核心器件IGBT采用德国英飞凌品牌，直流电容选用江海一线品牌，运行可靠；

补偿效果理想：先进算法+美国TI品牌的DSP+ FPGA处理器，运算能力强大，运算速度快；

英飞凌IGBT

低损耗、低噪音：采用三电平拓扑电路结构，纹波电流更小，响应速度更快，损耗低，噪音小；

两电平与三电平输出波形对比

① 完善的保护措施：具有完善的电压、电流及器件级保护措施，严重故障时可靠切离电 ，不会危及电 ；

多种工作模式：具有无功补偿、谐波补偿、三相不平衡电流补偿等多种工作模式，用户可根据自己电能质量状况通过优先级设定合理分配装置容量，达到最佳治理效果；

SVG的三种运行模式：

SVG三种运行模式简介

四、补偿装置对比

电容补偿、混合补偿、SVG补偿装置对比

五、数据中心电能质量治理设备选型建议

1.对于大规模采用高频UPS的新建数据中心，其低压配电系统无需配置常规电容补偿设备，应根据高频UPS输入特性配置SVG设备。

2.不同品牌、容量的高频UPS输入参数有所不同，应根据其输入参数特性情况，按需配置适合容量的SVG设备。

3.数据中心的建设中，应充分考虑业务需求与配套电源设备建设的同步问题，尽量减少UPS设备轻载运行的时间。