数据中心SVG谐波治理及无功补偿的设计

1、数据中心 SVG 谐波治理及无功补偿的设计摘要：着重探讨数据中心谐波产生的原理，分析了 SVG 谐波治理的原理及优点。以某工程为例介绍了 SVG 进 行谐波治理设计的过程，同时应用仿真计算验证了设计的准 确性。关键词：数据中心；谐波； SVG ；电能质量0 引言随着世界向更加智能化、物联化、感知化的方向发展， 数据正在以爆炸性的方式增长，大数据的出现推动着数据中 心的高速发展。同时，云计算、虚拟化等技术也不断为数据 中心的发展带来新的推动力。随着数据中心中大量通信设 备，存储设备，通信电源等数量繁多的非线性负荷的应用， 给其供电系统带来了严重的谐波污染。谐波污染对数据中心 的正常运行危害极大，

2、主要表现在： 1、造成视在功率损失； 2、造成电缆温度升高及中心线电流增大； 3、损坏电容； 4、 影响电机的运行； 5、变压器降容等危害。因此，数据中心 的谐波问题已备受关注。为了响应国家节能减排的号召，提出了建设绿色数据中 心的要求。 绿色数据中心对 PUE 值有了严格的要求， 但由于 大量非线性负荷设备的应用，使得数据中心的谐波畸变率超 标。而在抑制或消除谐波的危害，只是采用一些基本的治理 措施如：确定变压器的容量时，预留部分谐波容量；为大的 谐波源加装滤波器等，但这些措施无法从根本上消除谐波的 影响。针对这一问题本文详尽介绍了数据中心谐波产生的原 理、 SVG 治理的方案的设计及效果分

3、析。2.数据中心谐波产生的原因 由于数据中心供电高可靠性的要求，所以数据中心大量 使用 UPS 通信电源，同时为了降低 PUE 值，各种变频设备 也大量应用于数据中心。 这些带有电力电子元器件 UPS 和变 频设备是数据中心谐波污染的主要来源。数据中心机房通信电源（UPS ）在数据中心大量应用， 将产生大量的谐波。 UPS 通信电源由 4 部分组成：整流、储 能、变换和开关控制。 UPS 的工作原理基本为 AC ?CDC 整 流或者 DC-AC 逆变的过程。 变频设备跟 UPS 类似也是整流 - 逆变的过程。根据整流和逆变电路的性质不可避免将产生谐 波，其产生的谐波次数与整流和逆变的脉数有关

4、1 2 ，具 体为：其中 n 为整流或逆变脉数， 当为 3 相整流或逆变是 n=6， 将产生 5、7、11、13 等次谐波。3 SVG 抑制谐波的原理及优点SVG 一般的的系统构成原理图如图 1 所示。其中 为电 网的三相电压源，而非线性负载就是系统的谐波源。主要由两部分形成 46 ，即检测电路以及补偿发生电路。 SVG 的 滤波原理如下：检测电路是检测电网或负载电流中的谐波含量；补偿发 生电路是根据检测的谐波电流信号计算产生实际的补偿电 流，通过逆变器发出大小相等方向相反的谐波电流。SVG 的基本工作原理是对补偿对象的电压以及电流进 行检测，再由运算电路计算出所需要补偿电流的控制量信 号，接

5、着通过一个补偿发生电路进行放大再反相处理，得到 电网所需的补偿电流，补偿电流和负载电流大小相等且方向 相反，抵消后得到不含谐波的正弦波电流。具体说来：在滤 除负载谐波的时候，经过的检测算法得到补偿电流 的谐波 电流 ，通过一个反相环节后即可得到补偿电流的控制量信 号 ，再根据补偿发生电路发出一个与负载电流中的谐波含 量 大小相等、方向相反的补偿电流 ，两者抵消，保证电网 电流 中只含基波成分，从而达到清洁电网谐波的目的。等 式（ 3）为基本计算公式：式中 表示负载总电流， 表示负载电流的基波值， 表 示负载谐波电流， 为补偿电流， 为电网电流。SVG 具有如下特点：（1）响应时间快，一般只需要

6、经过几十个微秒就可达 到稳定，暂态特性较好。而且， SVG 可迅速改变无功电流方 向，因此具有很大的动态调节范围 3 。（ 2） 不会引起谐振短路。能根据负荷运行的情况，动 态的滤除负荷产生的谐波。（ 3） 可以发出连续可调的感性无功和容性无功。不仅 可以应用在感性负荷场合，还可以应用在容性负荷场合，工 作能力很强。（ 4） 根据控制目的的不同， SVG 既可以补偿系统所缺 无功，也可以稳定接入点电压 4 。4 工程案例分析4.1 工程概况 以深圳某数据中心为例。该数据中心规划总建筑面积约 55000 平方米。地上建筑面积 50000 平方米，其中 IDC 机楼 （包含灾备和移动业务平台场地）

7、面积 30000 平方米，商业 呼叫中心机楼面积 20000 平方米。地下车库 5000 平方米。 工程总用电负荷约 7405.5KW ，建设一套 10KV 变配电系统， 根据数据中心的供电要求需引入 2回路 10kV 独立专线电源， 每回路容量 8000KV A 。4.2 SVG 容量的设计 根据用户提供的负荷数据及接线方式，按照需要系数法 进行负荷计算，设定无功补偿后功率因素为0.96，无功功率总同时系数取 0.97、有功功率的总同时系数取 0.9，得到负 荷计算表如下：本工程变压器采用 A 级配置，根据表 1 得到变压器容量 为 1200kV A ，设计负荷率约为 44.3%。共计采用

8、6 台 2000kVA 变压器。 SVG 无功补偿的容量据公式 ，得到总的无功补偿 量为 1063Kvar 。数据中心谐容量的大小在设计阶段无法精确测量，根据通信电源（UPS）和变频设备产品手册提供的单台谐波含量，根据国标 5 规定的计算公式叠加计算各段母线的谐波电 流，作为补偿谐波电流的依据。计算的谐波电流预留 20% 的冗余量后，根据公式 就可以得到谐波的补偿容量为 532Kvar 。4.3 仿真分析根据上述计算的数据及接线方式，通过PSIM 仿真软件搭建仿真模型进行仿真实验。仿真结果如图2 所示。通过仿真波形图图 2 我们可以发现接入 SVG 后，基本上消除了三 相不平衡，谐波含量大大减少。图 2 接入 SVG 前后母线电流波形5 结语本文着重探讨数据中心中谐波产生的原理及 SVG 治理 谐波的原理和优势。运用工程实例阐述了数据中心 SVG 补 偿容量的设计过程。结合仿真算例说明 SVG 的接入位置对 数据中心谐波有较大的改善。 S参考文献1 罗安 .电网谐波治理和无功补偿技术及装备 .北京：中国电力出版社， 20062 王兆安，杨君，刘进军 .谐波抑制和无功功率补偿 北京：机械工业出版社， 19983 李文婷， 刘宏， 陈慧玲 . 国内外太阳能光伏发电发 展综述 J. 青海电力