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抑制数据中心谐波放大及分布式治理策略 安科瑞鲍静君
摘要：本文主要以某大型数据中心谐波治理为例，阐述数据中心谐波产生的原因和相应的有源电力滤波器谐波治理策略。
关键词：智慧能源；UPS；电压谐波；谐波放大；APF
1、引言
在实际工程应用中不难发现，由于电力输配电设施老化、设计不良和供电不足等原因造成末端电压过低，前端电压过高，这对电压要求较高的精密设备造成了很大的威胁。据统计当前公用电网影响用户用电设备的问题主要有电压闪变、谐波干扰、电网噪音、频率漂移、过电压、欠电压、断电及间断等现象。以上问题不可能在短时间内做出解决，比较现实的解决途径是在电网和用电设备之间插入一个二次供电设备，实现局部高品质的供电环境。一般常用的设备为不间断电源系统UPS，它在我国的应用已经非常普遍，广泛应用于互联网、数据中心、银行清算中心、证券交易中心、民航和铁路的控制中心、监控系统等等核心用电部门。但是由于UPS属于电力电子设备，正常工作的时候也会产生谐波电流，由于UPS拓扑结构的不同产生的谐波电流频次和谐波有效值有很大的差异，本文就以大型数据中心的UPS为例，合理分析谐波电流频次，采用分布式治理的方法，有效抑制谐波电流放大，优化电能质量，提高设备用电效率。
2、谐波电压对电网的影响
2.1 谐波电压对配电系统的影响
一般来说理想的交流电源是**弦波形，**弦的交流电压加在线性负载两端，会产生**弦的交流电流。但是**弦的交流电压加在非线性负载两端，会产生失真的交流电流，同时导致**弦交流电压失真。失真的交流电压无论加在线性负载或非线性负载两端，都会产生失真的交流电流。
图 1 某数据中心配电系统测量示意图（无功柜未投入）
如图 1所示，1#主变和2#主变共用一段10KV母线，1#主变下UPS1没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下UPS2投入运行，主要负载全是非线性负载，两边电容柜没有投入运行，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行1#主变时，测量点M1处没有谐波电流和谐波电压；单独运行2#主变时，测量点M2处有谐波电流和谐波电压；同时运行1#主变和2#主变时，测量点M1和M2处都有谐波电流和谐波电压存在。
2.2 谐波电压对滤波装置的影响
有源电力滤波器从拓扑结构上分为串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器。目前市场上的有源电力滤波器几乎都属于并联型，并联型有源电力滤波器主要原理是通过互感器采集被补偿负载的电流，通过计算分析提取出负载电流的谐波成分，有源电力滤波器被动输出反向的谐波电流来抵消系统中的谐波电流，达到谐波补偿目的。
图2 某数据中心配电系统测量示意图（增加APF）
如图2所示，1#主变和2#主变共用一段10KV母线，1#主变下UPS1没有投入运行，主要负载全是线性负载，2#主变下UPS2投入运行，主要负载全是非线性负载，联络柜中联络开关始终处于断开状态。单独运行1#主变时，测量点M1处没有谐波电流和谐波电压；单独运行2#主变时，测量点M2处有谐波电流和谐波电压，开启APF2补偿后，测量点M2处谐波电压和谐波电流有效值减小；同时运行1#主变和2#主变时，测量点M1和M2处都有谐波电流和谐波电压存在，单独开启APF1，测量点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值没有变化，单独开启APF2，测量点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值同时减小。
上述测试中有一种情况比较特殊，在同时运行1#主变和2#主变，单独开启APF1进行补偿时，虽然滤波器有谐波电流输出，但是测试点M1和M2处谐波电流和谐波电压有效值并没有减小，测量1#主变下线性负载上的电流谐波有效值，有明显的放大现象。这说明2#主变下非线性负载引起谐波电流失真，导致10KV段电压失真，失真的电压加在1#主变的线性负载两端，使M1点出现了谐波电流和谐波电压。虽然APF1对线性负载的谐波电流进行了补偿，但M1点的谐波电流和谐波电压不会改变，相对于APF1并线点的网侧谐波电流和谐波电压有效值不变，负载侧谐波电流有效值增大。因此，并联型有源电力滤波器并不能有效滤除电压谐波引起的电流谐波，相反，会使负载侧谐波电流变的更大。
3、谐波分布式治理
工程中往往谐波的产生是多方面的，非线性负荷引起的谐波、背景谐波、补偿装置谐波放大等等现象，都是引起谐波产生的重要因素。
图3 中国银行某数据中心配电系统图
如图3所示，是中国银行某数据中心的配电一次图，正常运行时联络柜中母联断路器始终保持断开状态，T1变压器和T2变压器下负载全是12脉冲整流的UPS（T1：SUA2-1、SUA2-2、SUA2-3、SUA5-1、SUA5-2；T2：SUB2-1、SUB2-2、SUB2-3、SUB5-1、SUB5-2）,两台变压器所带负载基本一致，前期APF1和APF2没有投入运行，测量T1变压器和T2变压器进线柜谐波电压电流，如图4和图5所示：
图4补偿前谐波电压波形及畸变率
图5 补偿前谐波电流波形及有效值
从上图中可以看出，12脉冲整流型UPS输入侧谐波电流应该是以11次和13次为主，但实际侧量发现明显5次、7次谐波非常大。通过对UPS故障排查发现由于12脉冲整流器使用可控整流方式，上下整流桥调相角度不一致或上下桥直流输出带载不对称等原因造成了UPS输入端5次、7次谐波并没有完全抵消，这些没有抵消的5次、7次谐波经过11次滤波器时谐波被放大，这就出现了我们看到的图4和图5的情况。
为了滤除现场谐波电流，主动断开所有UPS的11次谐波滤波器滤波支路，增大APF滤波容量，考虑使用APF补偿UPS产生的所有谐波频次。UPS谐波滤波器改造完成后，同时运行APF1和APF2，测量T1变压器和T2变压器进线柜谐波电压电流，如图6和图7所示：
图6 补偿后谐波电压电流波形
图7 补偿后谐波电压电流有效值
以上数据满足GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》的相关限值。通过对现场系统和负荷特性的了解，分析负荷故障原因，避免了UPS自带无源滤波器与UPS间的并联谐振，抑制电流谐波放大；采用分布式补偿方案，避免变压器间电压畸变引起的电流畸变，从而有效的滤除UPS产生的谐波电流，解决了现场谐波对公用电网的污染问题。
4、结束语
本文分析了数据中心主要负荷UPS谐波产生的主要原因、UPS内部无源滤波原理、谐波电压和谐波电流间的互相关系以及在工程项目中如何判断谐波引起的故障，并提出解决方案，抑制谐波电流的放大，采用合理的补偿策略，较终达到滤除谐波污染的目的。得出结论：
1.UPS的谐波主要是由相控整流功率器件引起的；
2.12脉冲整流型UPS上下桥调相角或带载不对称时，输入端11次谐波滤波器会与UPS未抵消的5次、7次谐波电流产生谐振，放大5次、7次谐波电流；
3.有源电力滤波器APF并不适用于谐波电压（背景谐波）引起的谐波电流滤波场合；
4.电能质量优化工程项目中，了解现场负荷特性、分析故障根本原因，是解决工程项目谐波治理的必要条件。
文章来源：《电气时代》2017年12期。
参考文献：
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ANAPF有源滤波器模块化安装优势 安科瑞鲍静君
摘 要：本文介绍了ANAPF有源滤波器模块化设计的特点，并结合实际应用介绍了抽屉式APF模块在柜体内的安装指引，以及壁挂式APF模块挂墙安装的方式，体现了模块化设计在安装、售后维护、扩容等方面的优势，同时为用户节约了成本。
关键词：有源滤波器 抽屉式 壁挂式 模块化特点 安装优势
引 言：ANAPF有源滤波器是一种常用的用于谐波治理的产品，目前市场上大部分都是柜体式的产品，柜体式设计方案存在生产效率低，安装及售后服务不方便、无法扩容、成本高等缺陷，有时严重影响客户交期，为此 模块式设计方案可以解决上述问题。
1.ANAPF有源滤波器的工作原理
ANAPF有源电力滤波器(以下简称APF)并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。
（上图为ANAPF有源电力滤波器原理图）
2.APF模块的介绍
APF模块化设计根据安装方式分为两种：抽屉式模块和壁挂式模块
2.1抽屉式模块：
2.2壁挂式模块：
单个模块较大容量达100A，可单独安装使用，壁挂式模块适用于负荷容量较小或场地紧凑的场合，可直接挂在墙上，也可根据实际容量、柜体尺寸要求，采用合适的模块数量挂在柜体中，通过并机满足客户谐波容量需求。抽屉式也可采用多个100A模块并联安装在柜体中形成大电流补偿装置，根据实际补偿容量需求增减柜体内模块数量，较于壁挂式模块安装更方便、适用于大负荷容量的场合。
3.APF模块化设计特点
3.1模块化设计、积木扩展式并联结构，安装便利、方便扩容、可作为零部件单独使用。
模块化有源滤波器为积木扩展式并联结构，主电路中的每个电气元件都小型化和标准化，整个拓扑封装在一个模块内，APF模块与柜体采用钣金固定，用户扩容时把APF装进预留空间的APF柜体内，插上光纤即可
3.2维护便捷，支撑在线维护
任何一个电气元件损坏只会影响当前模块运行，APF柜内其他模块正常运行，不会导致整套APF瘫痪。维护时只需把故障APF模块从柜体中移出，更换上新的APF模块即可。
3.3可靠性高、温度均匀
逆变单元中的IGBT、LCL滤波器中的滤波电感和阻尼都微型化、功率小，发热元件平均分配到每个滤波模块中，热量均匀，电气元件不易发生因为温度过高而失效，同时每个模块中都配有散热风机。
3.4控制器线路板与APF模块及APF模块之间采用光纤传输数据
控制器与功率单元之间采用光纤连接，整个数据传输都为光信号，不会受到电磁干扰。在信号衰弱方面，光纤传输衰减远远小于传统排线传输
3.5实时跟随、动态补偿
采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术，实时监测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪电网谐波变化，具有高度可控性和快速响应性。
3.6补偿方式灵活
一机多能，不仅能治理谐波，而且能补偿无功、提高功率因数。既可对单个谐波源独立补偿，也可对多个谐波源集中补偿。
4.APF模块化安装的介绍
APF有源滤波器电流规格分别为：50A、100A、150A、200A、250A、300A. 按单个模块较大容量50A。例：100A为2个模块组成，依次类推300A为6个模块组成。
4.1标准APF柜体结构示意（柜体可根据客户要求定制）
柜体型材：C型材
柜体尺寸：宽*深*高800*1000*2200 防护等级：IP30
柜体颜色:RAL7035
标准眉头（图示：A）:高60mm，红底白字，前后眉头，眉头**部与柜**齐平
图示B和F分别为母线区前后门，有封板式和柜门式两种，图示为柜门式，高度有180、200、220可供选择，也可根据客户要求定制。
C为柜底挡板区，高度有100、120两种尺寸，也可根据客户要求定制。
D为母线区，高度有200、250两种尺寸，也可根据客户要求定制。
E为地排区，标准高度为150㎜，其他高度会影响柜体备货和模块安装数量。
图示柜体前后门为标准前后门，小门宽度200㎜，大门宽度600㎜。柜子前后门上需多开散热孔，便于通风散热。
4.2 抽屉式模块在柜内的安装
目前常规的APF柜内空间有限，抽屉式模块较多安装6个，组合容量为300A的有源滤波器。但是，我们正在向更多模块数，更大容量化的方向进行研究与发展。
4.2.1抽屉式模块外形及安装孔尺寸
模块实物正视
模块实物背视
模块安装孔尺寸
4.2.2抽屉式模块安装说明
6个模块，容量为300A的APF模块安装示意图
● 柜内模块支撑支架由上往下左右两边支撑支架序号分别是1、2、3、4、5.支架置于柜内侧横梁上，每个支架上有对应序号数量的小孔，仅仅作为支架的区别用，不做安装使用。柜内4个模块及以下模块固定位置从支撑支架3开始安装，即APF1模块置于支架3上，APF2模块置于支架4上，若4个模块，以此类推，APF4模块置于柜内底支撑梁上。5个模块时APF1模块在支撑支架2上。如下图（一）所示。
● 每个APF模块根据上述安装固定位置要求，放置于柜内相应位置，模块前面板上的安装孔刚好对应柜内安装支架上的安装孔，然后用M6的螺钉紧固，如下图：
图（一）
● 每个模块配一个微型断路器（现以天水213品牌微型断路器为例），起保护、分合作用，便于以后检修。微断的安装位置与板载模块位置相对应，置于柜左侧小门里的35㎜的导轨上。
4.2.3抽屉式模块接线说明
APF板载模块原理图
4.2.3.1一次电缆接线
图（二） 图（三） 图（四）
如图（二）、(三)所示，模块上A、B、C、N四相线分别接于微型断路器下桩头上，然后A、B、C、N四相线从微型断路器上桩头分别接在柜内A、B、C、N四根汇流排上，客户进线分别引至这四根汇流排上，见图（四）。完成一次电缆连接。
4.2.3.2光纤连接
如图（五）两图所示：APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块上T1接于APF3模块上R1，依此类推，柜内最后一个模块上的T1不接。
图（五）
4.2.3.3互感器信号线缆连接
图（六）外接互感器原理图
如图（六）所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*引至柜内1、2、3片试验端子上，分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF1模块上Ia、Ib、Ic分别接APF2模块上Ia*、Ib*、Ic*，APF2模块上Ia、Ib、Ic分别接APF3模块上Ia*、Ib*、Ic*，以此类推，柜内较下端一个模块上的Ia、Ib、Ic环绕一起分别接至4、5、6片试验端子上，分别对应外接互感器A、B、C相S2端，如图（七）所示。
图（七）端子
4.3 壁挂式模块挂墙安装的说明
4.3.1壁挂式模块实物外形
壁挂式模块实物正视
4.3.2壁挂式模块安装说明
我司提供安装支架，如图（八）（九）所示，安装支架用M10的膨胀螺栓固定在墙上，模块后侧挂墙安装孔对应安装在安装支架上。便于接线及模块散热要求。
4.3.3壁挂式模块接线说明
例100A的有源滤波器，可以用两个容量50A模块并排安装。
4.3.3.1一次电缆接线
图（十一）
用16㎜2线缆分别从两模块上端A、B、C、N引至4级塑壳断路器桩头上或3较加N排。
4.3.3.2光纤接线
如上图（十一）所示，APF1模块上R1不接、T1接于APF2模块上R1，APF2模块T1不接。
4.3.3.3互感器信号线缆接线
如图所示，CT1~CT3为外接互感器，APF1模块上Ia*、Ib*、Ic*分别对应接外接互感器A、B、C相S1,APF2模块上Ia、Ib、Ic环绕一起分别对应外接互感器A、B、C相S2端。
4.3.4 例：APF100A壁挂式模块的安装示意图
5.APF容量计算方法
谐波是由非线性设备产生的，而每种设备的实际工作状态都不同。因此实际谐波电流需采用专门设备进行测量，考虑到设备的技术及经济性，设计谐波治理装置的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，况且在设计时往往很难采集到足够的电气设备使用中的谐波数据，可以根据下列公式估算谐波电流进行选型。
5.1 根据负载额定电流和行业类型选型
谐波补偿电流的大小可安排售前工程师协助测量或根据变压器容量和行业类型自行估算后选择。
常见谐波负载的谐波含量
6.结束语：
模块化设计有源滤波器结构轻巧、安装方便，为用户节约了投资成本，缩短了生产工期；制造趋于标准化，减少生产环节的规格变化，更适宜大批量、标准化生产，产品品质更有**。多模块并联有源滤波器补偿方式比较灵活，采用不同数量补偿模块并联后，可以用于不同容量及要求的谐波抑制场合，因此在解决各种不同的工业及商业应用场合方面具有可靠性和更高的灵活性。为低压配电网的谐波治理工程提供了的补偿装置，具有良好的应用价值和应用前景。
【参考资料】
安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版
安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版