數(shù)據(jù)中心SVG諧波治理及無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

1、數(shù)據(jù)中心 SVG 諧波治理及無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)摘要：著重探討數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原理，分析了 SVG 諧波治理的原理及優(yōu)點(diǎn)。以某工程為例介紹了 SVG 進(jìn) 行諧波治理設(shè)計(jì)的過程，同時(shí)應(yīng)用仿真計(jì)算驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn) 確性。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；諧波； SVG ；電能質(zhì)量0 引言隨著世界向更加智能化、物聯(lián)化、感知化的方向發(fā)展， 數(shù)據(jù)正在以爆炸性的方式增長，大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)推動(dòng)著數(shù)據(jù)中 心的高速發(fā)展。同時(shí)，云計(jì)算、虛擬化等技術(shù)也不斷為數(shù)據(jù) 中心的發(fā)展帶來新的推動(dòng)力。隨著數(shù)據(jù)中心中大量通信設(shè) 備，存儲設(shè)備，通信電源等數(shù)量繁多的非線性負(fù)荷的應(yīng)用， 給其供電系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染。諧波污染對數(shù)據(jù)中心 的正常運(yùn)行危害極大，

2、主要表現(xiàn)在： 1、造成視在功率損失； 2、造成電纜溫度升高及中心線電流增大； 3、損壞電容； 4、 影響電機(jī)的運(yùn)行； 5、變壓器降容等危害。因此，數(shù)據(jù)中心 的諧波問題已備受關(guān)注。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，提出了建設(shè)綠色數(shù)據(jù)中 心的要求。 綠色數(shù)據(jù)中心對 PUE 值有了嚴(yán)格的要求， 但由于 大量非線性負(fù)荷設(shè)備的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)中心的諧波畸變率超 標(biāo)。而在抑制或消除諧波的危害，只是采用一些基本的治理 措施如：確定變壓器的容量時(shí)，預(yù)留部分諧波容量；為大的 諧波源加裝濾波器等，但這些措施無法從根本上消除諧波的 影響。針對這一問題本文詳盡介紹了數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原 理、 SVG 治理的方案的設(shè)計(jì)及效果分

3、析。2.數(shù)據(jù)中心諧波產(chǎn)生的原因 由于數(shù)據(jù)中心供電高可靠性的要求，所以數(shù)據(jù)中心大量 使用 UPS 通信電源，同時(shí)為了降低 PUE 值，各種變頻設(shè)備 也大量應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。 這些帶有電力電子元器件 UPS 和變 頻設(shè)備是數(shù)據(jù)中心諧波污染的主要來源。數(shù)據(jù)中心機(jī)房通信電源（UPS ）在數(shù)據(jù)中心大量應(yīng)用， 將產(chǎn)生大量的諧波。 UPS 通信電源由 4 部分組成：整流、儲 能、變換和開關(guān)控制。 UPS 的工作原理基本為 AC ?CDC 整 流或者 DC-AC 逆變的過程。 變頻設(shè)備跟 UPS 類似也是整流 - 逆變的過程。根據(jù)整流和逆變電路的性質(zhì)不可避免將產(chǎn)生諧 波，其產(chǎn)生的諧波次數(shù)與整流和逆變的脈數(shù)有關(guān)

4、1 2 ，具 體為：其中 n 為整流或逆變脈數(shù)， 當(dāng)為 3 相整流或逆變是 n=6， 將產(chǎn)生 5、7、11、13 等次諧波。3 SVG 抑制諧波的原理及優(yōu)點(diǎn)SVG 一般的的系統(tǒng)構(gòu)成原理圖如圖 1 所示。其中 為電 網(wǎng)的三相電壓源，而非線性負(fù)載就是系統(tǒng)的諧波源。主要由兩部分形成 46 ，即檢測電路以及補(bǔ)償發(fā)生電路。 SVG 的 濾波原理如下：檢測電路是檢測電網(wǎng)或負(fù)載電流中的諧波含量；補(bǔ)償發(fā) 生電路是根據(jù)檢測的諧波電流信號計(jì)算產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電 流，通過逆變器發(fā)出大小相等方向相反的諧波電流。SVG 的基本工作原理是對補(bǔ)償對象的電壓以及電流進(jìn) 行檢測，再由運(yùn)算電路計(jì)算出所需要補(bǔ)償電流的控制量信 號，接

5、著通過一個(gè)補(bǔ)償發(fā)生電路進(jìn)行放大再反相處理，得到 電網(wǎng)所需的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流和負(fù)載電流大小相等且方向 相反，抵消后得到不含諧波的正弦波電流。具體說來：在濾 除負(fù)載諧波的時(shí)候，經(jīng)過的檢測算法得到補(bǔ)償電流 的諧波 電流 ，通過一個(gè)反相環(huán)節(jié)后即可得到補(bǔ)償電流的控制量信 號 ，再根據(jù)補(bǔ)償發(fā)生電路發(fā)出一個(gè)與負(fù)載電流中的諧波含 量 大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流 ，兩者抵消，保證電網(wǎng) 電流 中只含基波成分，從而達(dá)到清潔電網(wǎng)諧波的目的。等 式（ 3）為基本計(jì)算公式：式中 表示負(fù)載總電流， 表示負(fù)載電流的基波值， 表 示負(fù)載諧波電流， 為補(bǔ)償電流， 為電網(wǎng)電流。SVG 具有如下特點(diǎn)：（1）響應(yīng)時(shí)間快，一般只需要

6、經(jīng)過幾十個(gè)微秒就可達(dá) 到穩(wěn)定，暫態(tài)特性較好。而且， SVG 可迅速改變無功電流方 向，因此具有很大的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍 3 。（ 2） 不會(huì)引起諧振短路。能根據(jù)負(fù)荷運(yùn)行的情況，動(dòng) 態(tài)的濾除負(fù)荷產(chǎn)生的諧波。（ 3） 可以發(fā)出連續(xù)可調(diào)的感性無功和容性無功。不僅 可以應(yīng)用在感性負(fù)荷場合，還可以應(yīng)用在容性負(fù)荷場合，工 作能力很強(qiáng)。（ 4） 根據(jù)控制目的的不同， SVG 既可以補(bǔ)償系統(tǒng)所缺 無功，也可以穩(wěn)定接入點(diǎn)電壓 4 。4 工程案例分析4.1 工程概況 以深圳某數(shù)據(jù)中心為例。該數(shù)據(jù)中心規(guī)劃總建筑面積約 55000 平方米。地上建筑面積 50000 平方米，其中 IDC 機(jī)樓 （包含災(zāi)備和移動(dòng)業(yè)務(wù)平臺場地）

7、面積 30000 平方米，商業(yè) 呼叫中心機(jī)樓面積 20000 平方米。地下車庫 5000 平方米。 工程總用電負(fù)荷約 7405.5KW ，建設(shè)一套 10KV 變配電系統(tǒng)， 根據(jù)數(shù)據(jù)中心的供電要求需引入 2回路 10kV 獨(dú)立專線電源， 每回路容量 8000KV A 。4.2 SVG 容量的設(shè)計(jì) 根據(jù)用戶提供的負(fù)荷數(shù)據(jù)及接線方式，按照需要系數(shù)法 進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，設(shè)定無功補(bǔ)償后功率因素為0.96，無功功率總同時(shí)系數(shù)取 0.97、有功功率的總同時(shí)系數(shù)取 0.9，得到負(fù) 荷計(jì)算表如下：本工程變壓器采用 A 級配置，根據(jù)表 1 得到變壓器容量 為 1200kV A ，設(shè)計(jì)負(fù)荷率約為 44.3%。共計(jì)采用

8、6 臺 2000kVA 變壓器。 SVG 無功補(bǔ)償?shù)娜萘繐?jù)公式 ，得到總的無功補(bǔ)償 量為 1063Kvar 。數(shù)據(jù)中心諧容量的大小在設(shè)計(jì)階段無法精確測量，根據(jù)通信電源（UPS）和變頻設(shè)備產(chǎn)品手冊提供的單臺諧波含量，根據(jù)國標(biāo) 5 規(guī)定的計(jì)算公式疊加計(jì)算各段母線的諧波電 流，作為補(bǔ)償諧波電流的依據(jù)。計(jì)算的諧波電流預(yù)留 20% 的冗余量后，根據(jù)公式 就可以得到諧波的補(bǔ)償容量為 532Kvar 。4.3 仿真分析根據(jù)上述計(jì)算的數(shù)據(jù)及接線方式，通過PSIM 仿真軟件搭建仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果如圖2 所示。通過仿真波形圖圖 2 我們可以發(fā)現(xiàn)接入 SVG 后，基本上消除了三 相不平衡，諧波含量大大減少。圖 2 接入 SVG 前后母線電流波形5 結(jié)語本文著重探討數(shù)據(jù)中心中諧波產(chǎn)生的原理及 SVG 治理 諧波的原理和優(yōu)勢。運(yùn)用工程實(shí)例闡述了數(shù)據(jù)中心 SVG 補(bǔ) 償容量的設(shè)計(jì)過程。結(jié)合仿真算例說明 SVG 的接入位置對 數(shù)據(jù)中心諧波有較大的改善。 S參考文獻(xiàn)1 羅安 .電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備 .北京：中國電力出版社， 20062 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍 .諧波抑制和無功功率補(bǔ)償 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 19983 李文婷， 劉宏， 陳慧玲 . 國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電發(fā) 展綜述 J. 青海電力