數據中心SVG諧波治理及無功補償的設計

1、數據中心 SVG 諧波治理及無功補償的設計摘要：著重探討數據中心諧波產生的原理，分析了 SVG 諧波治理的原理及優(yōu)點。以某工程為例介紹了 SVG 進 行諧波治理設計的過程，同時應用仿真計算驗證了設計的準 確性。關鍵詞：數據中心；諧波； SVG ；電能質量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， 數據正在以爆炸性的方式增長，大數據的出現推動著數據中 心的高速發(fā)展。同時，云計算、虛擬化等技術也不斷為數據 中心的發(fā)展帶來新的推動力。隨著數據中心中大量通信設 備，存儲設備，通信電源等數量繁多的非線性負荷的應用， 給其供電系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染。諧波污染對數據中心 的正常運行危害極大，

2、主要表現在： 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、 影響電機的運行； 5、變壓器降容等危害。因此，數據中心 的諧波問題已備受關注。為了響應國家節(jié)能減排的號召，提出了建設綠色數據中 心的要求。 綠色數據中心對 PUE 值有了嚴格的要求， 但由于 大量非線性負荷設備的應用，使得數據中心的諧波畸變率超 標。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，預留部分諧波容量；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據中心諧波產生的原 理、 SVG 治理的方案的設計及效果分

3、析。2.數據中心諧波產生的原因 由于數據中心供電高可靠性的要求，所以數據中心大量 使用 UPS 通信電源，同時為了降低 PUE 值，各種變頻設備 也大量應用于數據中心。 這些帶有電力電子元器件 UPS 和變 頻設備是數據中心諧波污染的主要來源。數據中心機房通信電源（UPS ）在數據中心大量應用， 將產生大量的諧波。 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。 變頻設備跟 UPS 類似也是整流 - 逆變的過程。根據整流和逆變電路的性質不可避免將產生諧 波，其產生的諧波次數與整流和逆變的脈數有關

4、1 2 ，具 體為：其中 n 為整流或逆變脈數， 當為 3 相整流或逆變是 n=6， 將產生 5、7、11、13 等次諧波。3 SVG 抑制諧波的原理及優(yōu)點SVG 一般的的系統(tǒng)構成原理圖如圖 1 所示。其中 為電 網的三相電壓源，而非線性負載就是系統(tǒng)的諧波源。主要由兩部分形成 46 ，即檢測電路以及補償發(fā)生電路。 SVG 的 濾波原理如下：檢測電路是檢測電網或負載電流中的諧波含量；補償發(fā) 生電路是根據檢測的諧波電流信號計算產生實際的補償電 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償對象的電壓以及電流進 行檢測，再由運算電路計算出所需要補償電流的控制量信 號，接

5、著通過一個補償發(fā)生電路進行放大再反相處理，得到 電網所需的補償電流，補償電流和負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 除負載諧波的時候，經過的檢測算法得到補償電流 的諧波 電流 ，通過一個反相環(huán)節(jié)后即可得到補償電流的控制量信 號 ，再根據補償發(fā)生電路發(fā)出一個與負載電流中的諧波含 量 大小相等、方向相反的補償電流 ，兩者抵消，保證電網 電流 中只含基波成分，從而達到清潔電網諧波的目的。等 式（ 3）為基本計算公式：式中 表示負載總電流， 表示負載電流的基波值， 表 示負載諧波電流， 為補償電流， 為電網電流。SVG 具有如下特點：（1）響應時間快，一般只需要

6、經過幾十個微秒就可達 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，因此具有很大的動態(tài)調節(jié)范圍 3 。（ 2） 不會引起諧振短路。能根據負荷運行的情況，動 態(tài)的濾除負荷產生的諧波。（ 3） 可以發(fā)出連續(xù)可調的感性無功和容性無功。不僅 可以應用在感性負荷場合，還可以應用在容性負荷場合，工 作能力很強。（ 4） 根據控制目的的不同， SVG 既可以補償系統(tǒng)所缺 無功，也可以穩(wěn)定接入點電壓 4 。4 工程案例分析4.1 工程概況 以深圳某數據中心為例。該數據中心規(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 機樓 （包含災備和移動業(yè)務平臺場地）

7、面積 30000 平方米，商業(yè) 呼叫中心機樓面積 20000 平方米。地下車庫 5000 平方米。 工程總用電負荷約 7405.5KW ，建設一套 10KV 變配電系統(tǒng)， 根據數據中心的供電要求需引入 2回路 10kV 獨立專線電源， 每回路容量 8000KV A 。4.2 SVG 容量的設計 根據用戶提供的負荷數據及接線方式，按照需要系數法 進行負荷計算，設定無功補償后功率因素為0.96，無功功率總同時系數取 0.97、有功功率的總同時系數取 0.9，得到負 荷計算表如下：本工程變壓器采用 A 級配置，根據表 1 得到變壓器容量 為 1200kV A ，設計負荷率約為 44.3%。共計采用

8、6 臺 2000kVA 變壓器。 SVG 無功補償的容量據公式 ，得到總的無功補償 量為 1063Kvar 。數據中心諧容量的大小在設計階段無法精確測量，根據通信電源（UPS）和變頻設備產品手冊提供的單臺諧波含量，根據國標 5 規(guī)定的計算公式疊加計算各段母線的諧波電 流，作為補償諧波電流的依據。計算的諧波電流預留 20% 的冗余量后，根據公式 就可以得到諧波的補償容量為 532Kvar 。4.3 仿真分析根據上述計算的數據及接線方式，通過PSIM 仿真軟件搭建仿真模型進行仿真實驗。仿真結果如圖2 所示。通過仿真波形圖圖 2 我們可以發(fā)現接入 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 結語本文著重探討數據中心中諧波產生的原理及 SVG 治理 諧波的原理和優(yōu)勢。運用工程實例闡述了數據中心 SVG 補 償容量的設計過程。結合仿真算例說明 SVG 的接入位置對 數據中心諧波有較大的改善。 S參考文獻1 羅安 .電網諧波治理和無功補償技術及裝備 .北京：中國電力出版社， 20062 王兆安，楊君，劉進軍 .諧波抑制和無功功率補償 北京：機械工業(yè)出版社， 19983 李文婷， 劉宏， 陳慧玲 . 國內外太陽能光伏發(fā)電發(fā) 展綜述 J. 青海電力