陈冀生1张广明2
　　
　　(1.先控捷联电源设备有限公司,石家庄050035)
　　
　　(2.中国电源学会专家委员会,天津300111)
　　
　　摘要:在数据中心中,供电系统是基础设施最重要的子系统之一,文中将针对现代数据中心供电系统规划设计要求、数据中心供电系统存在的问题和设计理念的变化、数据中心供电系统方案的选择、对UPS设备性能指标的重新认识、系统模块化与模块化UPS、高频机型UPS将成为现代数据中心UPS设备的首选机型、直流输出DC-UPS系统的研究和应用前景、数据中心备用能源的配置、数据中心供电系统的节能设计、供配电系统设备的布局设计与安装等问题,分专题进行系统的介绍和讨论。
　　
　　7 供电系统谐波的产生与治理
　　
　　数据中心供电系统中谐波问题,是影响系统可用性的另一个重要的技术问题。供电设备特别是UPS设备的技术进步和性能改进,在很多方面是与抑制谐波的产生和消除谐波的影响有关的。本篇旨在分析存在于数据中心供电系统中的谐波电流产生过程，谐波对系统和电网的危害，并重点介绍有关抑制谐波产生和谐波治理的技术及相关的产品。
　　
　　7.1谐波的基本概念及特征参数
　　
　　当50Hz工频系统中有非线性负载时,就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流,这些频率为基波频率整数倍的所有正弦波,称之为谐波。所有周期性复杂波形都可以看作是基波加上谐波成份的组合。
　　
　　(1)非线性电子设备是供电系统中的主要谐波源
　　
　　就负载输入阻抗性质而言,所有的电子设备可分为两种--线性负载和非线性负载。线性负载:负载吸收的电流是与电压频率相同的正弦波电流,电流与电压之间可能存在着相位差;欧姆定律定义了线性负载的电压与电流的比值为一个常系数,电流和电压之间的关系是线性的。这类负载中没有任何有源电子器件,只有电阻(R)、电感(L)和电容(C)。
　　
　　非线性负载:负载吸收的电流为周期性的,但却不是电压频率的正弦波,负载的阻抗在一个周期内是变化的,电流和电压之间的关系不再是线性的了。事实上,负载吸收的电流包含了频率为50Hz正弦波电流和频率为50Hz的整数倍的正弦波电流,前者为基波电流,后者为谐波电流。各类非线性和交变性电子装置如变频器、UPS的输入整流器及各种开关电源等,都是非线性负载。
　　
　　(2)谐波的特征参数
　　
　　下面简要地介绍一些对谐波进行分析时常用的特征参数:
　　
　　①偶次谐波:偶次谐波对波形的影响会使波形在时间轴上不再对称。例如,市电经全波整流后的波形就包括交流成分(n=0)和100Hz成分(n=2),结果是波形完全位于零线以上,是非对称的。
　　
　　②奇次谐波:对称波形仅含有奇次谐波成分。

　　
　　⑤各次谐波含量(失真度)
　　
　　各次谐波的含量都可以用一个百分数来表示,即该次谐波的有效值与基波有效值之比,这个比率就代表了各次谐波的含量水平:
　　
　　第n次电压谐波失真度

　　
　　⑥总谐波畸变(THD)
　　
　　总谐波畸变由基波有效值的百分比来表示。　
　　总电压谐波含量THDU

　　
　　⑦带谐波成分的功率表达式
　　
　　电路中涉及谐波电压和谐波电流的功率表达式为

　　
　　在输入电压为纯正弦波的情况下,输入谐波电流形成的功率是失真功率,用D表示。由于失真功率的存在,通常用有功功率、无功功率和失真功率来表示视在功率。
　　
　　在一个平衡的三相非线性负载上施加线电压U,流过的线电流为I,因为U和I中都含有谐波,这时负载消耗的功率可以表示为

　　
　　⑧输入功率因数
　　
　　传统功率因数的定义:输入功率因数为输入有功功率与输入视在功率之比,在线性电路中,它实际上等于输入电压与电流之间的相位差的余弦函数值,即

　　
　　式中:PF为输入功率因数　　
　　PW为输入有功功率　
　　PS为输入视在功率　
　　φ为输入电压与输入电流基波之间的相位差
　　在非线性电路中,如果把φ1定义为电压与基波电流之间的相移,则功率因数可表达为

　　
　　式中:r=I1/Is为输入电流失真系数
　　PW为输入有功功率　　
　　PS为输入视在功率　　
　　U为输入正弦波电压有效值　　
　　I1为输入电流基波有效值　　
　　φ1为输入电压与输入电流基波之间的相位差　　
　　cosφ1定义为基波相移功率因数。　
　　根据公式(7-8)总谐波畸变THDI的定义,公式(7-13)又可表达成

　　
　　7.2数据中心供电系统中存在的谐波
　　
　　在数据中心供电系统中,谐波源主要有两种:
　　
　　由单相开关模式电源供电的IT负载产生的输入谐波电流和由UPS及其它供电设备产生的输入谐波电流。
　　
　　图7.1是UPS系统中四种典型的功率电子设备类型及输入电流波形。

　　
　　(1)单相整流输入
　　
　　传统计算机开关电源(SMPS),其交流输入为AC/DC整流滤波电路,在输入正弦波电压的每个周期中,交流侧的输入阻抗表现出极端地非线性,如图7.1(a)所示。输入电流富含奇次谐波:H1=100%,H3=75%，H5=25%，H7=18%，H9=30%，H11=5%，H13=4%…
　　
　　(2)三相UPS整流输入-6脉冲整流器
　　
　　在三相输入的双变换UPS中,传统UPS整流器是一个全控晶闸管桥路,脉冲数指输入电流每周(20ms)脉冲数目,因此,6脉冲整流的输入电流脉冲频率为6×50Hz=300Hz。交流侧电流中含6k±1(k为正整数)次谐波,即6±1、12±1、18±1…6n±1次,各次谐波的有效值与谐波次数成反比。输入电流THDI的典型值是:有滤波器时为5%～10%,无滤波器时为28%～34%。各次谐波的含量的典型数据为H1=100%；H3=5%；H5=40%;H7=20%;H9=1%;H11=7%;H13=5%。
　　
　　(3)三相UPS整流输入-12脉冲整流器
　　
　　通过再增加一个整流桥、一个输入移相变压器的方法,可大大降低输入电流谐波干扰。如图7.2所示。

　　
　　两个整流桥产生的3次、5次、7次、17次、19次…等次谐波相互抵消,注入电网的只有12k±1(k为正整数)次谐波,即11次、13次、23次、25次等各次谐波,输入电流THDI典型值是:有滤波器时为5%;无滤波器时为10%～12%。

（未完待续）

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