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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：
[1] 王兆安.谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工程出版社2005(10)
[2] 能源部电力司.GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.
[3] 程爱玲. 浅谈有源和无源产品在无功补偿与谐波治理中的应用[J]. 现代企业教育.2014
[4] 商少锋. 电力有源滤波与电容器组无功补偿混合应用技术研究[J]. 浙江电力，2007（4）21-24
[5] 张崇巍，张兴.PWM整流及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.
[6] 王毅，张标标.智慧能源[M].北京：*大学出版社，2012.
[7] 高凤友.无源逆变电源的原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2011.
[8] Zeliang Shu, Yuhua Guo, and Jisan Lian. Steady-state and dynamic study of active power filter with efficient FPGA-based control algorithm [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(4)：1527- 1536.
[9] 曹武. 谐波独立补偿有源滤器关键技术研究[D]. 南京：东南大学硕士学位论文,2011.
ANHPD谐波保护器在医院行业的应用 安科瑞鲍静君
摘要：随着科学技术进步发展，越来越多的电力电子装置等非线性负载应用于企业当中，在带来节能与能量变换积极一面的同时，也产生了谐波等电能质量问题。特别是医疗行业，对电能质量要求很高，其引进的高端医疗设备 (如CT机、核磁共振、直线加速器等)，科室和病房都采用中央空调。这些设备的应用提升了医疗服务水平，对于行业发展都具有重要意义。同时这些、高灵敏度、大电 流、大功率的设备会产生大量的谐波，而这些“谐波源”会对所用电设备以及其他设备(如彩超、化验室高精设备等)的运行和使用寿命造成严重影响。因此本文将对谐波保护器进行分析，并在此基础上研究谐波保护器的作用，进而探索谐波保护器的应用效果。
关键词：医院；高次谐波；谐波保护器
社会经济和科技的发展推动着控制技术、通信技术、计算机技术 的不断进步，在智能建筑中开始广泛应用变频空调、监控系统、消防系 统数字办公设备、通信设备、计算机等。与此同时这些设备和装置的应用也产生了相应的副产品谐波，而这严重的威胁了智能建筑系统和用户，使得相应设备的安全正常运行受到影响。为了满足社会生活发展需要一种能够对各种频率和各种能量的谐波干扰进行吸收并自动消除用电设备产生的随机电涌、脉冲尖峰、高频噪声、高次谐波的装置——谐波保护器应运而生。当前在智能建筑电力环境中谐波保护器被广泛应用， 为用电设备的有效运行提供了重要**。
一、谐波保护器基本原理
谐波保护器是一种用于滤除高次谐波、保护精密仪器设备的新型保护装置，采用**微晶合金材料与创新的特别电路。它主要由电压箝位、低通滤波器以及吸收器组成，不但可以抑制和吸收用户用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰，而且能随时跟踪电压波形，瞬时滤除电源中的尖峰、浪涌、杂波，矫正因谐波影响而产生的高次谐波，从源头消除谐波污染，为用电设备提供保护功能。
谐波保护器的基本原理如图1所示（以三相为例）：以电压箝位实时监测电压的变化，使用低通滤波器滤除高次谐波，再运用吸收器吸收高次谐波的滤波设备。
图1 谐波保护器原理
二、谐波保护器的功能
，自动保护用电设备。在电路中并联谐波保护器能够实现具有破坏性的尖峰瞬变、浪涌、高频噪声、高次谐。它的有效消除，进而促进用电设备的安全稳定运行和提升用电设备的使用寿命。
二，净化电源。谐波保护器的抑制和消除谐波能力显着，在并联谐波保护器的电路中99％因各种谐波引起的电压、电流的畸变都可以得到消除，同时谐波引发的计算机屏幕频闪、负载变化、短路、开关引起的灯管频闪都可 以得到避免。
三，保护功率因数补偿设备。实际当中并联振回路会在高次谐波频率和杂散的电网电感及功率因数补偿设备的谐波频率的相互的作用下产生，电压和电流波形会在谐振电路引起的谐波放大作用下加剧畸变，进而刚氏设备使用寿命。此外谐波保护器能够对谐波污染进行净 化，为功率因数补偿设备的使用寿命提供保证。
四，防止保护装置的无跳闸。断路器会因谐波电流的音响而发生断路器误跳闸，或者拒跳闸，而在电路中并联谐波保护器能够有效消除谐波电流，进而有效避免断路器发生误跳闸或者拒跳闸问题引。
谐波保护电器有从源头上消除谐波污染的作用，进而为用电设备的正常运行提供**。在电力设备电路中并联谐波保护器，不仅能够对电力系统中的电流状态进行连续监测，还能够对电路中的高次谐波进行吸收和阻隔，进而避免其他设备受到设备本身产生的谐波的干扰。
三、谐波保护器在医疗场所的应用
医疗场所医疗设备和仪器经常会受到高次谐波的干扰而发生故障，进而引发信息丢失、图像模糊、数据差错等影响正常工作的问题，更有甚者会使硬件和软件同时发生损坏进而影响仪器正常工作。所以应当利用谐波保护器对这些医疗设备和仪器进行保护，进而**仪器设备的安全运转。
谐波保护器是现代医疗结构医疗设备、安全运行的重要**， 技术人员只需将其接入到电路中，设备中产生的高次谐波就会被其吸收，医疗器械的破坏和误操作随之降低，进而为医务人员和病人的安全提供**。同时谐波保护器本身并不耗电，设备在谐波保护器器的作用下使用寿命会被有效严惩，同时设备维修和维护成本也能得到降低。
大型医疗设备使用是很频繁的，瞬间电流变化达几百安培，中央空调的运行使得医院内电网内产生的谐波都很大，而高精医疗设备少值几万元，多值几百万元。因而谐波保护器在医院使用非常必要。
安科瑞ANHPD系列谐波保护器为医疗行业供电系统出力，避免其高次谐波干扰，已运行项目有：大连友谊医院、遵义人民院、浦口中医院、田阳县中医院、昆山三人民医院等，以下为我司ANHPD对于高次谐波的治理效果展示，对于高次谐波抑制有非常显着的效果。
（1）50Hz工频电源迭加2KHz干扰信号
谐波保护器接入前 谐波保护器接入后
（2）50Hz工频电源迭加10KHz干扰信号
谐波保护器接入前 谐波保护器接入后
（3）50Hz工频电源迭加100KHz干扰信号
谐波保护器接入前 谐波保护器接入后
（4）50Hz工频电源迭加1MKHz干扰信号
谐波保护器接入前 谐波保护器接入后
四、安科瑞谐波保护器介绍
4.1主要技术参数
表3-1 ANHPD技术参数
4.2功能特点
?采用**微晶体的特殊电路；
?吸收3KHz~30MHz频率各种能量的谐波干扰，消除高次谐波、高频噪声、脉冲尖峰、浪涌等干扰，矫正电压、电流波形；
?减少了用电设备的故障率和机器误操作，克服了由于高频谐波污染引起的干扰，**了设备的安全运行；
?设备本身几乎不耗电，具有**高的经济性；
?结构设计合理，接线简单，安装方便。
五、结语
**是未来用电设备发展的必然趋势，相应的怎样避免受这些设备产生的谐波的干扰成为科技人员面对的重要课题。谐波保护器对于当前的高科技、高灵敏度设备产生的谐波具有有效地吸收和阻隔作用。因此在未来一段时间内在建筑电气系统中运用谐波保护器将会是必然的趋势，相关人员应当从谐波保护器的作用原理和电气设备实际情况出发，科学合理的运用谐波保护器保护用电设备。
【参考文献】
【1】王小云，试论现代建筑电气设计中的谐波抑制【J】商业文化月刊，2011（7）：179
【2】郑国兴，谐波保护器及其在智能建筑中的应用【J】电器与能效管理技术，2007（20）：55-58
【3】徐朝阳，二甲以上医院中谐波保护器的应用【J】科技风，2015（17）：250-25