大型数据中心在国民经济中起到了不可替代的作用,但其繁多的非线性电力负载,如通讯系统、大型计算机、网络控制设备、变频空调、各种数码办公设备、灯光调控系统、UPS、监控系统等给其供电系统带来了严重的谐波干扰,对大型数据中心的运行安全造成了极大的威胁,为此我们分析研究了其谐波产生的根源及谐波的类型和数值,结合实例采用了分层分布式的谐波治理整体设计方案,取得了良好的效果,解决了大型数据中心的谐波污染问题。

　　大型数据中心中使用了大量的现代化用电设备和装置，如信用卡终端设备、通讯系统、计算机、网络控制设备、各种数码办公设备、灯光调控系统、消防系统、监控系统等。繁多的非线性电力负载，给其供电系统带来了严重的谐波干扰。恶劣的谐波环境对保证系统和设备的安全正常运行造成了极大的威胁，诸如：程序运行错误、数据错误、时间错误、死机、无故重新启动，甚至造成用电设备的永久性损坏，给大型的工作造成了难以挽回的巨大损失。因此，大型数据中心的谐波治理已越来越引起人们的关注。

　　我国在“十三五”期间提出了国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。明确指出了要建设资源节约型、环境友好型的和谐社会。为了响应国家节能减排的号召，大型数据中心对各项节能指标有严格的要求，但由于其使用了大量变频节能设备，使得现代化数据中心的谐波畸变率往往很高，超出国家相关规定与标准。在消除或抑制大型数据中心系统谐波危害方面，以往只是采取一些防范措施，如根据负载确定电力变压器额定容量时，考虑谐波畸变而留有裕量；为易受干扰设备加装线路滤波器等，但这些都无法从根本上消除谐波危害。针对这样的背景本文详细介绍了大型数据中心分层分布式谐波治理的方案设计、方案实施及效果分析[1]。

　　大型数据中心的设备的谐波电流是由各类电力电子设备整流器输入电路导致的。因为各类电力电子设备输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发生变化，这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。其中最主要的整流设备有以下几种：

　　大型数据中心使用了大量变频节能设备，如：变频空调、变频电梯、变频水泵等。变频类设备内部工作基本均为整流逆变过程，因此会产生谐波。所产生的谐波种类与整流器脉数有关，具体关系如下：

　　式中，M为整流器产生的谐波次数，P为整流器的脉冲数，n为自然数。例如，对于3相6脉冲整流电路，谐波有5次、7次、11次和13次等[2]。

　　大型数据中心对于重要机房的供电稳定性要求很高，因此常常要应用UPS不间断电源。UPS电源的工作原理与变频设备近似，因此产生谐波的方式和种类也较为相似。一般来说，6脉冲的UPS主要产生5、7次谐波，12脉冲的UPS主要产生11、13次谐波[3]。

　　节能灯电子镇流器将50Hz电源转换成大约38kHz的高频，因此它将电灯闪烁降低到感受不到的水平。高频电子镇流器工作时由于非线性负载使得电流波形不是正弦波而产生谐波。一般来说，节能灯主要产生3次谐波。

　　又称低频谐波，通常是指40次以下的谐波，尤以3、5、7、9等次谐波为代表，主要对供电系统产生危害，造成电网供电效率下降，电容器发热甚至烧毁等。

　　又称高频谐波，通常是指40次以上的谐波，频率通常在2kHz以上，主要对用电设备产生危害，造成工作质量下降、死机、损坏、寿命下降等。

　　（2）UPS下端的设备较多，大型数据机房较多，计算机类设备的分布很广，需要对谐波进行全面的治理；

　　（1）判断设备是否受到各类电力电子设备谐波电流的影响，需要看谐波电压畸变率，一般超过5%就会导致设备的误动作；

　　（2）设备距离各类电力电子设备越近，谐波电压越高，越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰；

　　（3）电源越弱，例如小容量变压器、发电机、UPS等，各类电力电子设备的谐波电流干扰越强；

　　（4）设备与变压器之间的电缆越长，设备越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰。

　　谐波电流流过电源内阻时产生的典型电压畸变是电压波形平顶。这种平顶电压除了对电子设备产生直接干扰外，还对电子设备有隐性的危害和影响，这包括：

　　大部分电子设备的输入端是开关电源，而开关电源的直流母线电压由交流电的峰值电压决定，而不是由有效值决定。每半个周期，平滑电容上的电压被充电到交流电的峰值电压，当交流电的峰值过后，由电容放电来维持电子设备的工作，因此直流母线上的电压会有小的纹波。当交流电发生平顶时，直流母线的电压降低，这时开关电源为了维持同样的功率，必须吸取更大的电流，这会增加内部发热。

　　电子设备的一项重要指标是抗电压跌落特性，也就是，当电压出现短暂跌落时，设备要能够保持正常的工作。设备是依靠内部电容存储的能量来实现这个功能的。电容所储存的能量越大，设备在外部供电缺失的情况下能够维持的时间越长。对于电容量为C的电容器，它所储存的能量是UC/2，其中U是电容上的电压，等于交流电的峰值。

　　平顶畸变的电压意味着交流电的电压峰值降低，反映在电容上就是电容所储存的能量减少，这时，设备就不能再具有所设计的抗电压跌落特性了。

　　设备使用应急电源（其内阻较大）会产生更大的谐波电压畸变率，这时会出现下述问题。当外部供电恢复时，应急电源产生的较高的电压畸变率会影响供电从应急电源向外部电源切换。因为较高的畸变率会影响应急电源与外部电源的同步，没有同步，两个电源不能并联起来。为了实现同步，必须减小负载，帮助电源切换。

　　传统的谐波保护解决方案只是从单一的设备入手，针对狭窄的谐波频率，所谓“头疼医头，脚痛医脚”，无法从根本上解决问题。为解决这一问题，结合数据中心的谐波情况，提出分层分布式谐波治理整体解决方案。

　　ANAPF有源电力滤波器针对电力侧低次谐波，为谐波治理提供了完美的解决方案。其采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术，可以快速准确地实时跟踪整条低压回路，检测出实时谐波情况，并通过优秀的算法，控制IGBT，实现对谐波的补偿，主动消除电力谐波。

　　ANHPD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，采用超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。

　　ANAPF有源电力滤波器可采用壁挂和整柜方式安装，同时可实现集中和就地治理，如图1所示的产品，给安装、维护及日后升级带来了便捷，提高了整体的安装效率。ANHPD谐波保护器采用导轨式安装，并采取并联接线所示产品。

　　在变电室每段400V母线处设置ANAPF有源滤波柜，用于治理低频谐波；同时在变频空调、变频电梯等重干扰源供电的出线谐波保护器，可以减少干扰源对其它用电设备的影响；同时，高次谐波干扰的抑制必须采用区域控制的方法，即在需要保护的设备周围分层布置谐波治理设备。因此，在干线和重点区域的终端配电箱处配电箱处设置ANHPD300。

　　根据此设计方案，我们以广东某通讯公司的大型数据中心机房的谐波治理为实例，进行详细阐述。该公司大型数据中心建成后，已投入使用1年，但用户反映自投入使用后，无功补偿系数一直达不到目标值，电缆异常发热现象较为明显，并常伴有计算机无故死机的现象。根据用户反映的现场情况，检测工程师对现场的谐波进行检测。

　　具体测量点如图3所示，具体为1#变压器低压进线#变压器低压进线柜、UPS主出线柜和中心机房主进线某通讯公司数据中心机房谐波现场测量点示意图

　　从图4中可以看到：总电流为860A~900A，电流的畸变率高达10%，电流谐波含量已经大大超过了国家的标准，主要为5、7、11次谐波。

　　具体选型：1）1#变压器低压总进线A左右，谐波电流THD=10%，即90A，采用ANAPF的电流容量大小可选型范围为100A~150A；

　　1）系统电流波形明显变好，治理前的畸变曲线变为相对平整的正弦曲线）电流畸变率明显降低，从治理前的12%降低到只有3.9%，符合治理目标，主要5、7次谐波电流被消除到标准范围内，如图8中电流畸变率柱状图所示。从现场情况看，无功补偿柜工作正常，电缆异常发热现象不再出现；

　　[3]周春冬.浅谈变频器谐波的干扰及防治措施[J].黑龙江科技信息,2009(1).

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