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1、数据中心行业电能质量问题与治理,1,内 容 提 要,数据中心电能质量问题分析 华天电气电能质量控制产品介绍 数据中心电能质量治理案例介绍,2,什么是“电能质量”,Power Quality电能质量（电源质量、电力质量、电力品质）定义1：合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作。IEEE标准化协调委员会给出的 power quality（电能质量）的技术定义定义2：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。IEC(1000-2-2/4)标准中给出的电能质量定义定义3：电能质量定义是指在电力系统中某一指定点上电压的特性，这些特
2、性可根据预定的基准、技术参数来评价。国际电工委员会（IEC）给出的电能质量定义根据这一定义，可以认为电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。,3,评价电能质量的主要指标,相对于预定基准的偏离程度：频率偏移 长期电压偏移（t 1min)短期电压偏移（0.5c t1min）电磁暂态（t0.5c）三相不平衡 波形失真 电压波动和闪变,4,数据中心影响电能质量的负荷,不间断电源（UPS）中央变频空调 开关电源 计算机 充电器 电子节能灯等,5,UPS对电能质量的影响1/3,6,UPS 是数据中心主要的谐波源之一，它以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护
3、设备，主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。其中整流器作交直变换给蓄电池提供充电电压，其产生的谐波与整流设备的脉冲数（也就是可控硅的个数）有关。常规UPS的脉冲数是六脉冲和十二脉冲，对于六脉冲的UPS其主要的谐波以5、7次谐波为主，对于十二脉冲的UPS其主要的谐波阶次为11、13次。新型的UPS带有PWM整流器或PFC，以达到降低谐波、提高功率因数的目的。,UPS对电能质量的影响2/3,7,六脉冲整流器 负载电流波形 由于数据中心大容量UPS的应用，致使大量的5、7、11等高次谐波注入到配电系统中，有输入电抗时谐波畸变率达到40%左右，无输入电抗时可超过60%。,UPS对电能质量
4、的影响3/3,8,PWM整流器 新型UPS会采用PWM整流器或加PFC功率因数校正器，两者都会在配电系统中引入电容器，在采用有源电力滤波器（APF）进行电能质量治理时，二者之间存在谐振的危险。,中央变频空调对电能质量的影响1/2,9,数据中心的服务器功耗一般会随着业务量的变动呈现一定规律的变化，因此数据中心信息设备的发热量也会呈现周期性的变化，采用变频压缩机、风机、水泵等设备可以有效提高空调设备制冷效率。但变频设备的整流电路与UPS相似，多采用不控整流和相控整流两类，除目前常用的PWM整流电路谐波较少外，其他整流电路都会对电网造成大量的谐波污染，影响配电系统的安全运行。,中央变频空调对电能质量
5、的影响2/2,10,相控整流电路，整流器在深度相控下交流侧功率因数很低，换流过程引起电网电压波形畸变。,不控整流电路，整流器从电网吸取畸变电流，造成电网谐波污染。,谐波的定义,11,以上这些负荷对电能质量的影响主要表现为谐波的影响。国际电工标准(IEC555-2,1982)和国际大电网会议(CIGRE)的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量”。IEEE标准中(参见IEEE标准5191981)定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。,畸变波形的谐波分量,谐波的危害1/2,12,降低功率因数，降低电力设备容量，增加电力损耗；导致配电系统共振，危
6、及系统安全；导致无功补偿设备无法正常运行甚至烧毁；引起继电保护设施的误动作，导致意外断电；增加电机振动，影响产品质量和电机寿命；导致变压器、线路、电机过热，加速设备绝缘老化；延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量；增加电压峰值，降低绝缘介质寿命；导致中线过载，甚至引发事故；导致电力计量仪表误差；干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备,谐波的危害2/2,13,为避免数据中心发生严重事故，造成重大损失，一个稳定、可靠、洁净的配电系统尤为重要。,谐波治理的措施,14,目前针对谐波治理最有效、性价比最好的方法就是采用有源电力滤波器（APF），它有以下优势：消除各次电压、电流谐波污染和干扰，满足国家
7、标准要求；改善电压质量，提高设备运行安全性和可靠性，降低设备温升和损耗；提高系统功率因数，提高线路和电力设备利用率；防止系统共振，提高系统运行稳定性，预防设备故障，保障系统安全；降低电力损耗、提高设备效率，节约电能。,内 容 提 要,数据中心电能质量问题分析 华天电气电能质量控制产品介绍 数据中心电能质量治理案例介绍,15,华天电能质量产品分类,动态无功补偿装置按补偿方式：三相三线制、三相四线制按照补偿速度：普通型、高速型和TSVG型无源滤波器按补偿方式：三相三线制、三相四线制按照补偿速度：普通型、高速型有源滤波器按补偿方式：三相三线制、三相四线制按电流检测方式：源电流检测型、负载电流检测型按
8、安装方式：落地式、壁挂式、机架式,16,17,山大华天研发制造中心,华天HTPF无源电力滤波器,18,华天HTHF混合有源电力滤波器,19,华天HTQF有源电力滤波器,20,21,华天HTQF有源电力滤波器,HTQF系列R（机架式）型有源电力滤波器,22,HTVQ无功补偿成套装置,HTFPL能量回馈式可编程电子负载,车间一角-有源滤波器变流器,25,车间一角-有源滤波器生产,26,车间一角-有源滤波器老化,27,华天HTEQ高速动态消谐无功补偿器,28,有源电力滤波器原理,工作原理：实时检测负载的谐波电流，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流注入电网，实现谐波补偿（抵消）-主动滤波。,29,连接于供
9、电网的非线性负载,3,可使用有源滤波器改善,有源电力滤波器原理示意图,30,电流控制型有源电力滤波器原理图,工作原理：实时检测负载的谐波电流，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流注入电网，实现谐波补偿（抵消）-主动滤波。,31,进口电流控制型有源滤波器滤波效果1/3,滤波前电流波形,补偿电流波形,滤波后电流波形,32,进口电流控制型有源滤波器滤波效果2/3,滤波前后电流波形,33,进口电流控制型有源滤波器滤波效果3/3,滤波前后电流波形,34,华天电压控制型有源滤波器滤波效果实测波形1/2,滤波前电流波形,滤波后电流波形,有源滤波器补偿电流波形,滤波前电流谐波分析,滤波后电流谐波分析,35,华天电压
10、控制型有源滤波器滤波效果实测波形2/2,滤波前电流波形,滤波后电流波形,有源滤波器补偿电流波形,滤波前电流谐波分析,滤波后电流谐波分析,36,补偿电流发生器纹波交错对消技术 发明专利 200910019887.8交错驱动PWM补偿电流发生器及其控制方法 发明专利 201010180701.X交错滞环跟踪补偿电流发生器及其控制方法补偿电流发生器的技术难点：基于现代全控电力电子器件的补偿电流发生器，是有源电力滤波器和静止同步补偿器的核心。无论采用PWM调制方式还是采用滞环跟踪调制方式，其输出电流中都含有较强的高频纹波电流，导致电磁干扰。按照常规方式降低纹波强度，有两种途径：-降低输出电流的跟踪速度
11、，会导致设备性能下降；-提高功率器件的开关频率，会导致设备损耗增加。本技术创新的实施效果：在不提高开关速度、不降低电流跟踪速度的前提下，采用纹波交错对消的方式大幅度降低输出电流中的高频纹波，使设备的综合性能得到显著提高，纹波降低80%，损耗降低40%。,HTQF-交错技术-减少纹波输出1/4,HTQF-交错技术-减少纹波输出2/4,38,绿色、紫色：2套逆变器各自的输出电流波形黄色：采用纹波交错对消技术后的补偿电流波形,补偿电流发生器纹波交错对消技术实施效果,HTQF-交错技术-减少纹波输出3/4,黑色L1：负载电流红色L2：滤波器输出电流蓝色L3：源电流,40,HTQF-交错技术-减少纹波输
12、出4/4,抑制有源电力滤波器与电力系统中电容器谐振的控制方法1/2,发明专利 201010275272.4 一种有源电力滤波器装置及其控制方法由于有源电力滤波器自身检测方式和控制方法的不完善，可能导致有源电力滤波器与供配电系统不匹配，无法达到优良的滤波器效果，甚至发生谐振等诸多问题。本发明就有源电力滤波器与电力系统中的电容器发生谐振的问题进行研究、分析、提出合理的解决方案，并付诸实施，获得了优良的效果。该专利特别适用于避免因数据中心UPS带有PWM整流器或PFC功率因数校正器而引入电容器，导致与有源电力滤波器发生谐振的问题。,41,42,抑制有源电力滤波器与电力系统中电容器谐振的控制方法2/2
13、,无功补偿电容器引起公知有源电力滤波器自激振荡的实验波形,采用本技术的有源电力滤波器装置和控制方法有效抑制电容器引起的自激振荡的实验波形,混合有源电力滤波器补偿量主动调节技术1/2,发明专利 ZL 200610070553.X 混合有源电力滤波器及其控制方法混合有源电力滤波器综合了有源电力滤波器和无源电力滤波器的优点，具有容量大、滤波效果好、纹波电流小、成本低等优点，是高电压、大容量有源电力滤波器的重要发展方向。未采用本创新技术的混合有源电力滤波器的致命弱点是不具备对输出补偿电流的主动调节能力，当被补偿谐波电流超过滤波器的额定容量时，会导致滤波器过载停机、甚至烧毁。采用本项技术创新，可自由调节
14、混合有源滤波器的补偿量，保证无论负载如何变化，滤波器均能在额定补偿容量限额内运行，使其负载适应能力和运行安全性得到本质性提高，充分满足了实用化要求。,混合有源电力滤波器,常规有源电力滤波器,滤波前,滤波后,混合有源电力滤波器补偿量主动调节技术2/2,控制器设计,采用多片主频150兆赫32位高速DSP(TMS320F2812)协同工作，实时完成指令电流运算和系统控制功能，控制精度高、速度快，配合先进的控制算法和性能优良的补偿电流发生器，可实现优良的综合补偿性能；谐波滤除率高，对目标谐波，有效滤除能力可达97%；效率高，实际测试损耗不超过额定输出容量的3%；同时滤除多达20种谐波，最高可滤除至50
15、次谐波；可通过操作面板设定对各次谐波进行有选择的滤除；可通过操作面板设定实现动态分相无功补偿和三相不平衡校正功能；控制器的软硬件设计了完善的故障监测与保护系统，包括上电自检、各种故障或异常的报警与保护、历史事件记录等功能，可及时发现和处理各种问题与隐患，最大限度地保证设备安全稳定运行。,45,46,热设计,HTQF 600A滤波器热仿真设计,严格的热设计-主控单元,47,严格的热设计-电抗器,48,严格的热设计-逆变模块,49,多DSP控制 光纤驱动,50,非晶材料电抗器-低噪音,51,三相三线制滤波器滤波效果1/3,滤波前,滤波后,电流波形,52,三相三线制滤波器滤波效果2/3,滤波前,滤波
16、后,电流谐波频谱分析,53,三相三线制滤波器滤波效果3/3,滤波前,滤波后,电流谐波表格,54,三相四线制滤波器滤波效果1/3,滤波前,滤波后,电流波形,55,三相四线制滤波器滤波效果2/3,滤波前,滤波后,电流谐波频谱分析,56,三相四线制滤波器滤波效果3/3,滤波前,滤波后,电流谐波表格,57,华天HTQF有源电力滤波器特点1/2,纹波交错对消变流器专利技术，电流跟踪速度高、纹波低、损耗低；多DSP协同控制，控制精度高、速度快；谐波滤除率高，对目标谐波，有效滤除能力可达97%；同时滤除多达20种谐波，最高可滤除至50次谐波；可设定的谐波分次补偿功能；谐波无功综合补偿，具有“滤波优先”、“无
17、功优先”、“只滤谐波”、“只补无功”四种工作模式，满足各种配电系统补偿需求；平衡补偿功能，可平衡各相之间的负载电流；先进控制算法，适应各种复杂现场稳定运行，可与电容补偿柜并联运行；光纤驱动，安全、可靠、抗干扰能力强；变流器模块化设计，功率密度高、安装维护方便；,58,低损耗微晶合金磁芯电抗器，噪声低，效率高；输出容量大，单机输出容量可达600A；可以多机并联运行，满足各种补偿容量需求；输出容量满载后自动限流，无过载之忧；多重保护功能，严格热设计，确保系统运行安全可靠；可选择的源电流或负载电流检测方式，便于现场安装；数字化控制，中文液晶显示；故障自诊断功能；历史事件纪录功能；RS485接口，标准
18、MODBUS RTU通讯协议，计算机远程监控功能。,华天HTQF有源电力滤波器特点2/2,59,HTQF系列R（机架式）分型有源滤波器,技术优势 可选择特定次数谐波补偿谐波、无功、不平衡负载三种补偿模式97%工作效率，损耗小双DSP全数字控制方式三电平逆变拓扑模块化设计，安全稳定4.3英寸触摸屏液晶显示监控单元小体积，机架/壁挂安装方式，节省空间,60,应用场合,三相三线制系统适合于工业大容量负载，如整流器、变频器、大型UPS、电弧炉、中频炉、三相充电机等 三相对称的非线性负载三相四线制系统适合于商业建筑，节能灯、金属灯、电脑、复印机、UPS、变频空调等三相不对称的非线性负载,61,内 容 提
19、 要,数据中心电能质量问题分析 华天电气电能质量控制产品介绍 数据中心电能质量治理案例介绍,62,某通讯公司配电基本情况,供电容量1台S9-1250变压器配备480kvar无功补偿负载情况2套（4台）200KVA UPS、开关电源、空调存在问题2005年维护中发现变压器输出端电缆发热达67度，初步判断为变压器安装时总电缆截面积不足，2005年底加粗电缆后，电缆表面温度47度（高室温25度），仍然偏高，并且电缆震动较大 怀疑为后端负荷谐波原因所致 用户需求降低电缆温升、消除电缆震动降低谐波，减小谐波对相关设备的干扰,63,数据分析及具体方案,数据分析产生谐波的负载主要是UPS，6脉动整流器设备：
20、谐波主要为5、7、11次电压波形畸变率：1、2#UPS：4.1%,3、4#UPS：7.8%电流波形畸变率：1、2#UPS：69.3%，3、4#UPS：54.6%具体方案保留原电容补偿柜2套UPS各安装1套HTAF3L-0.4/200AS有源电力有源滤波器治理后电流谐波小于10%电缆温升降低810度，消除振动,64,实施效果1/3,滤波前相电压谐波分析,滤波后相电压谐波分析,滤波前相电压有效值和波形,滤波后相电压有效值和波形,电压谐波由滤波前的7.8%降为2.1%,65,实施效果2/3,滤波后相电流谐波分析,滤波前相电流有效值和波形,滤波后相电流有效值和波形,电流谐波由滤波前的68.9%降为8.
21、8%,滤波前相电流谐波分析,66,实施效果3/3,电压谐波含量降低到2.1，电流谐波含量降低到8.8；变压器输出端电缆温度明显降低，电缆温度37度（室温25度时）；电缆震动基本消除；平均功率因数为由0.7提高到0.95以上，减少了无功功率对电力设备容量的占用；降低电能损耗，使设备运行环境更安全。,67,某写字楼有源电力滤波器应用案例,68,工程名称：某写字楼谐波治理,设备列表,B副楼1段滤波效果-电压,69,滤波前,滤波后,电压波形,电压谐波频谱,电压谐波由滤波前的2.2%降低到0.9%,B副楼1段滤波效果-电流,70,滤波前,滤波后,电流波形,电流谐波频谱,电流谐波由滤波前的22%降低到2.
22、6%。,B副楼2段滤波效果-电压,71,滤波前,滤波后,电压波形,电压谐波频谱,电压谐波由滤波前的1.2%降低到0.8%,B副楼2段滤波效果-电流,72,滤波前,滤波后,电流波形,电流谐波频谱,电流谐波由滤波前的21.5%降低到3.1%(三次谐波含量最高),C副楼1段滤波效果-电压,73,滤波前,滤波后,电压波形,电压谐波频谱,电压谐波由滤波前的2.0%降低到1.2%,C副楼1段滤波效果-电流,74,滤波前,滤波后,电流波形,电流谐波频谱,电流谐波由滤波前的10.9%降低到2.6%,总结,75,从对比数据中可以看出，项目实施后，谐波电流得到明显抑制，谐波电压和谐波电流总畸变率都明显下降，完全满足协定标准；总功率因数PF得到提高；PF值与cos的统一也进一步证明了畸变因子导致的功率因数降低已基本消除，谐波已经基本被完全消除。有源电力滤波器的治理效果非常明显，不但很好的完成了谐波消除任务，在有剩余补偿容量的情况下对基波无功功率进行了适当的补偿，使得整个配电系统电能质量得到大幅提升，同时降低了无谓的损耗，达到了既滤波又节能的效果。,谢谢！,76,
