现代数据中心供电系统规划设计(七)
　　
　　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。
　　　　
　　7.3 谐波对供电系统的影响
　　
　　谐波对电力系统的危害有很多,可是,在数据中心供电系统中,我们更愿意从下面几个方面讨论谐波的影响和危害,因为这几方面才是设计和管理人员更关注的。
　　
　　(1)谐波电流是数据中心UPS以及IT设备输入功率因数低的主要原因
　　
　　由公式(7-10)表明,在富含谐波成份的整流滤波电路中,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无功功率。
　　
　　公式(7-13)和(7-14)定义了整流滤波电路的输入功率因数的表达方法,表明了功率因数与电流失真系数r及电流总失真度THDI的关系。图7.3给出了绝大多数电子设备的电源输入AC/DC整流的典型波形和主要谐波成分。

　　
　　图7.3(a)为单相AC/DC整流的输入电流波形,电流谐波成分以三次为主,总谐波失真度THDI=86.7%。图7.3(b)为三相AC/DC整流的输入电流波形,总谐波失真度THDI=45.8%。
　　
　　假定基波电压与基波电流的相移可以忽略,即cosφ1≈1,根据公式(7-13),可以得出图7.3(a)和图7.3(b)两个波形的输入功率因数分别是0.57和0.82。
　　
　　实际情况是,整流滤波电路的输入交流电压基波与电流基波之间并没有明显的相位差,真正造成输入功率因数降低的原因是整流滤波电路产生的高次谐波电流。
　　
　　(2)输入功率因数低是电能利用率低的原因之一
　　
　　公式(7-12)表明,并假定φ为整流滤波电路的有功功率与无功功率的等效相位差,矢量图如图7.4所示。图中:Ps为视在功率(kVA);PW为有功功率(kW);PQ为无功功率(kvar);Z为负载阻抗;R为复阻抗的实部,即电阻;X为复阻抗的虚部,即电抗。

　　
　　根据图7.4可以得出各参量之间的关系式如下

　　所以在同样输入功率P与电压U的条件下,电能的利用率与cos2φ成反比。
　　
　　(3)谐波是供电系统零线电流增大的主要原因
　　
　　在三相电路中,零线电流增大的原因有两个方面,一是三相负载不平衡使中线上存在相电流,二是由非线性负载形成的三次和三的整数倍谐波电流在零线上叠加。对于前者,通过人为的平衡三相负载的方法是很容易解决的,而由非线性负载形成的谐波电流解决起来却困难得多。因而是当前各类供电系统中中线电流大的主要原因。在三相系统中,当单相计算机负载输入电路为简单的全波整流时,零线中的电流值可以达到相线电流的(1.5～1.7)倍。
　　
　　(4)谐波电流对供电设备和传输导线容量的影响
　　
　　谐波电流对供电设备和传输导线容量的影响主要表现在以下几个方面:
　　
　　①由于谐波电流的存在,会明显地降低设备容量利用率,增大传输损耗;
　　
　　②当UPS的负载功率因数指标与负载的输入功率因数不匹配时,UPS就需要降容使用;
　　
　　③当输入谐波电流较大时,就需要增大输入变压器、配电断路器和开关触点的容量;
　　
　　④谐波会明显地增大电容的损耗,降低使用寿命;
　　
　　⑤谐波会明显地增大油机与UPS的容量比,如果配置了6脉冲或12脉冲+无源滤波器的UPS,油机与UPS的容量比大致在(2～4):1;
　　
　　⑥当谐波电流较大时,会明显地增大线路传输损耗,或者不得不增大传输导线的截面积;
　　
　　⑦谐波会在公用电网中引起局部的并联和串联谐振,从而使谐波放大,甚至引起严重事故;
　　
　　⑧谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。这里要特别说明一下谐波对传输损耗的影响。图7.3是富含谐波的系统中的电流波形。这里对比一下基波和三次谐波,并把它格式化表示在图7.5中。

　　
　　图7.5是电流平均值相同而峰值截然不同的两种电流波形的示意图,图7.5(a)是幅值为10A的连续方波,而图7.5(b)是幅值为20A占空比为1/2的方波。
　　
　　如果一段导线阻抗为R(或者一个开关触点的接触电阻为R)。当通过图7.5所示的两种电流波形时,损耗差别是:

　　　　
　　显然,两种电流波形的平均值相等,而流过峰值高的损耗是峰值低的两倍。
　　
　（未完待续）

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