摘要：数据中心行业在国民经济中起到了**的作用,但其繁多的非线性电力负载,如通讯系统、大型计算机、网络控制设备、变频空调、各种数码办公设备、灯光调控系统、UPS、监控系统等给其供电系统带来了严重的谐波干扰,对大型数据中心的运行安全造成了较大的威胁,为此我们分析研究了其谐波产生的根源及谐波的类型和数值,结合实例采用了系统的谐波监测与治理整体设计方案,取得了良好的效果,解决了数据中心行业的谐波污染问题。
关键词：数据中心行业；电能质量；谐波干扰；谐波治理；系统解决方案
1..数据中心行业的谐波特点
供电系统中谐波可分为电网侧谐波和负载侧谐波。
1.1电网侧谐波
又称低频谐波，通常是指40次以下的谐波，尤以3、5、7、9等次谐波为代表，主要对供电系统产生危害，造成电网供电效率下降，电容器发热甚至烧毁等。
1.2负载侧谐波
又称高频谐波，通常是指40次以上的谐波，频率通常在2kHz以上，主要对用电设备产生危害，造成工作质量下降、死机、损坏、寿命下降等。
大型数据中心的谐波又有其特点：
（1）存在集中的谐波源，谐波的分布较密集；
（2）UPS下端的设备较多，大型数据机房较多，计算机类设备的分布很广，需要对谐波进行治理；
（3）谐波畸变率很高，一般高达40%~50%，远远**国家标准。
表1为谐波的分类比较与治理。
表1谐波的分类
表2和表3列举了数据中心的主要负载参数以及谐波估算值。
表2数据中心主要负载参数
表3 数据中心主要负载谐波估算表
2.数据中心行业的谐波危害
大型数据中心的设备是通过电网阻抗对其他设备形成干扰的，这个过程如下：
（1）各类电力电子设备产生谐波电流；
（2）谐波电流流过电网阻抗时，产生了谐波电压；
（3）谐波电压对其他设备产生了干扰。
根据以上机理，我们可以得出以下结论：
（1）判断设备是否受到各类电力电子设备谐波电流的影响，需要看谐波电压畸变率，一般**过5%就会导致设备的误动作；
（2）设备距离各类电力电子设备越近，谐波电压越高，越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰；
（3）电源越弱，例如小容量变压器、发电机、UPS等，各类电力电子设备的谐波电流干扰越强；
（4）设备与变压器之间的电缆越长，设备越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰。
谐波电流流过电源内阻时产生的典型电压畸变是电压波形平**。这种平**电压除了对电子设备产生直接干扰外，还对电子设备有隐性的危害和影响，这包括：
（1）缩短设备寿命
大部分电子设备的输入端是开关电源，而开关电源的直流母线电压由交流电的峰值电压决定，而不是由有效值决定。每半个周期，平滑电容上的电压被充电到交流电的峰值电压，当交流电的峰值过后，由电容放电来维持电子设备的工作，因此直流母线上的电压会有小的纹波。当交流电发生平**时，直流母线的电压降低，这时开关电源为了维持同样的功率，吸取更大的电流，这会增加内部发热。
（2）降低设备抗电压跌落性能
电子设备的一项重要指标是抗电压跌落特性，也就是，当电压出现短暂跌落时，设备要能够保持正常的工作。设备是依靠内部电容存储的能量来实现这个功能的。电容所储存的能量越大，设备在外部供电缺失的情况下能够维持的时间越长。对于电容量为C的电容器，它所储存的能量是UC/2，其中U是电容上的电压，等于交流电的峰值。
平**畸变的电压意味着交流电的电压峰值降低，反映在电容上就是电容所储存的能量减少，这时，设备就不能再具有所设计的抗电压跌落特性了。
（3）影响电源切换
设备使用应急电源（其内阻较大）会产生更大的谐波电压畸变率，这时会出现下述问题。当外部供电恢复时，应急电源产生的较高的电压畸变率会影响供电从应急电源向外部电源切换。因为较高的畸变率会影响应急电源与外部电源的同步，没有同步，两个电源不能并联起来。为了实现同步，减小负载，帮助电源切换。
3.数据中心行业的电能质量监测和治理解决方案
3.1解决方案
数据中心行业从开始的几百平方米的建设规模到目前几万平方米的大型项目规模。UPS的设计容量也从开始的几十KVA增长到几千甚至几万KVA。当几百KVA UPS的总谐波电流含量为15%时，其谐波电流值也仅为几十A，相对于整个建筑的几千A 总用电电流，影响微不足道。但一旦UPS容量变大，就是另外一种情况。因为现在大多数大型数据中心都是独立建筑，整个建筑的主要用电负荷就是UPS。相比UPS 容量，其余动力照明的负荷连一半也不到。比如 2010 年苏州的一个数据中心项目UPS的设计容量就达到2万KVA。假设总谐波电流含量按照15%来计算，则满载时总谐波电流达到1825A。这是非常糟糕的数值，如不对其治理，对电网侧的干扰会非常明显，且加大配电容量以及导致线缆发热、零线带电等一系列严重后果。
传统的谐波保护解决方案只是从单一的设备入手，针对狭窄的谐波频率，无法从根本上解决问题。为解决这一问题，安科瑞结合数据中心的实际情况，提出电能质量监测和治理的系统解决方案，该方案为数据中心提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要，为用户创造价值。
4.方案特点
（1）电能质量监测与治理系统即可通过本地设备为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能，亦可通过接入AcrelEMS-IDC数据中心综合能效管理平台，为用户提供远程在线服务；
（2）符合GB/T17626.30-2012中A级准确度测量方法，适用于要求准确测量电能质量指标参数的场合；
（3）专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合IEC61000-4-30标准；
（4）电能质量监测与治理装置信息互联，通过统一平台管理，方便用户同时监测电网电能质量以及治理数据；
（5）采用三电平电力电子驱动器件，通过更多的电平输出更高品质的治理波形。
5.安科瑞电能质量监测与治理产品选型
5.1集中治理
采用配电房集中治理的方式，可针对数据中心行业配电系统中涉及到众多数据机房中计算机、空调等电器设备产生的谐波问题对电网侧的危害和影响，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表2。
表4电能质量监测及集中治理产品选型表
5.2就地治理
数据中心行业由于UPS下端的设备较多，变频设备大量使用等原因，运行过程中不可避免的在配电末端产生电流畸变率40%-50%的谐波污染。同时数据中心行业在数据机房大量安装节能灯电子镇流器，一般来说，节能灯主要产生3次谐波，3次谐波由于各相的相位一致，因此会在中性线上叠加，导致正常情况下没有电流流过的N线电流过大，引起火灾。
针对以上负载情况，建议在各重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备。
表5 就地治理的产品选型
6.上海某银行数据中心项目电能质量治理项目案例
6.1项目背景
上海某银行数据中心包括大型数据机房，对电能质量要求非常高;为了提高供电可靠度，采用大量 UPS作为设备电源，机房内还包含空调设备、照明设备等。此类电力电子设备皆属于非线性负载，在使用过程中会产生大量谐波并注入系统中，主要以5次、7次为主;如果不进行谐波治理，对电网造成严重的污染，也影响机房中其他敏感设备，比如导致通信数据传输错误，甚至瘫痪、中断，降低了配电系统的安全性、可靠性。表4、5展示了该数据中心主要负载参数以及谐波估算值。
6.2治理方案
根据以往测量经验进行谐波分析与估算，谐波主要由UPS和一些非线性负载产生，供电系统由2台800kVA变压器及其一台800kW发电机组成，采用集中治理+就地治理的方案。
集中治理：该银行数据中心的大型数据机房较多，计算机类设备的分布很广，因此在每台变压器下加装300A有源谐波治理系统装置，由两台150A模块并机实现，型号为AnSin-300-M Ⅰ型，自动跟踪补偿负载产生的谐波电流，保证供电系统运行。
就地治理：因为UPS是该中心恶性的负载，因此需要在配电末端对其产生的谐波电流进行治理，避免干扰其他用电设备，因此在使用UPS的配电间安装壁挂式的AnSin-300-B Ⅰ型有源滤波治理系统，就地治理UPS产生的谐波污染。
图1 数据中心
表6 治理前后波形数据对比
7.结论
就目前市场而言，谐波治理产品种类繁多，但更多的为单一产品，这些产品无法满足数据中心所需要的治理效果。因此，安科瑞为数据中心行业提供了一套完整的电能治理监测与治理的系统解决方案，使数据中心的电能质量问题得到了有效的治理。从成本、性能、可靠性等角度综合考虑，该方法具有较高的性价比。
安科瑞电气股份有限公司专注于开口式霍尔电流传感器,开合式电流互感器厂家,电力变送器厂家等
