数据中心SVG谐波治理及无功补偿的设计

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，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[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[4][6]，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）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6台2000kV A 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