السلبي مقابل. Active Harmonic Filter in a Data Center: A Field Comparison — Mirus International

01 سياق التشغيل: VSDs in Data Centers and the Harmonic Consequence

Data centers are among the largest electrical energy consumers in the commercial sector, and they have been a primary target for energy efficiency programs for over a decade. Variable speed drives have become increasingly common in data center cooling infrastructure — chillers, chilled water pumps, cooling tower fans, and computer room air conditioners (CRACs) all benefit from variable speed operation, which reduces motor energy consumption dramatically at partial load compared to fixed-speed alternatives.[1]

The energy efficiency benefit of VSDs is real and substantial. But a VSD is a 6-pulse non-linear load that injects harmonic currents into the supply network. In a data center with multiple large VSDs on the cooling system, the cumulative harmonic loading can be significant — and data center loads are among the most sensitive to voltage distortion. Server power supplies, أنظمة UPS, and precision cooling controls all perform better on clean power.

At a new data center for a Canadian financial institution in Barrie, أونتاريو, two harmonic mitigation approaches were deployed on the cooling system: Mirus Lineator AUHF passive filters on all chilled water pump drives, and a built-in parallel active harmonic filter on the 227 HP chiller. In July 2012, Mirus International was engaged by ADM Engineering to conduct a comparative field evaluation of both approaches under worst-case conditions.[1]

تين. 1. Lineator AUHF and VSD installation on a chilled water pump at the Barrie data center. Lineators were applied to all chilled water pump drives totalling 430 HP. مصدر: ميروس الدولية.[1]

02 The Active Filter Result: Surprisingly Poor Performance

2.1 How parallel active harmonic filters work

A shunt-type parallel active harmonic filter connects in parallel with the non-linear load it is mitigating. It continuously measures the load current, extracts the harmonic content using digital signal processing, and injects an equal and opposite harmonic current into the supply circuit — cancelling the load’s harmonic current at the point of connection. In principle, this is a complete and adaptive harmonic cancellation approach — unlike passive filters, it does not depend on tuned resonance and it responds to changing harmonic content in real time.[2]

عمليا, the performance depends critically on the accuracy and bandwidth of the current sensing, the speed and precision of the IGBT switching that generates the compensation current, and the bandwidth of the control loop. These limitations become apparent in field measurements — particularly at higher harmonic orders and under varying load conditions.

2.2 Measured results: active filter on the chiller

At full chiller load, the built-in active harmonic filter produced measured current THDi exceeding 12%. This is a surprisingly poor result for a technology marketed specifically for harmonic mitigation. When chiller load was reduced, performance degraded further — THDi exceeded 15% at reduced load conditions, with high-frequency harmonic components clearly visible in the current waveform.[1]

تين. 2ل. Chiller active harmonic filter — full load. ثدي = 12.1%. المكونات التوافقية عالية التردد مرئية في الطيف. مصدر: ميروس الدولية.[1]

تين. 2ب. مرشح التوافقي النشط للمبرد - حمل منخفض. ثدي = 15.1%. يتدهور الأداء عند التحميل الجزئي — وهو عكس ما يتطلبه تطبيق تبريد مركز البيانات. مصدر: ميروس الدولية.[1]

2.3 لماذا تتحلل المرشحات النشطة عند الحمل الخفيف

يعد تدهور أداء المرشح النشط عند الحمل المنخفض من سمات هذه التقنية. في حمولة كاملة, التيارات التوافقية كبيرة بالنسبة للتيارات الأساسية, مما يجعلها أسهل في الإحساس بدقة وإلغائها بفعالية. في انخفاض الحمل, التيار الأساسي أصغر, التيارات التوافقية أصغر من حيث القيمة المطلقة, وتنخفض نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الاستشعار الحالي. تتدهور دقة حلقة التحكم, يصبح التعويض أقل دقة, and residual harmonic content — plus the filter’s own IGBT switching harmonics — dominates the THDi measurement. This is the opposite of what is needed in a data center cooling system, where loads vary continuously over a wide range.

03 The Passive Filter Result: IEEE 519 Compliance Under Generator Supply

The chilled water pump drives — all equipped with Mirus Lineator AUHF passive filters — were measured next under the same diesel generator supply conditions. The results were markedly different from the active filter measurements:[1]

• Voltage THDv at pump input terminals: 0.4%
• Current THDi at pump input terminals: 8%

Both values are well within IEEE 519 حدود. و 0.4% THDv is an exceptionally clean result — even on a utility supply it would be considered excellent. Achieving it under diesel generator supply, where source impedance is high and voltage distortion would be expected to be worse than on the utility grid, demonstrates that the Lineator’s harmonic attenuation is effective even under the most challenging source conditions.[1]

تين. 3ل. Chilled water pump with Lineator AUHF — voltage distortion. ثدف = 0.4%. Measured under diesel generator supply. مصدر: ميروس الدولية.[1]

تين. 3ب. Chilled water pump with Lineator AUHF — current distortion. ثدي = 8.0%. IEEE 519 compliant under worst-case generator supply. مصدر: ميروس الدولية.[1]

The Lineator AUHF capacitive reactive current at light load was measured at less than 15% of rated current — well within the acceptable operating range for the data center’s diesel generators. يعد هذا فحصًا مهمًا لتوافق المولد: يمكن أن تتسبب المرشحات السلبية ذات بنوك المكثفات الكبيرة في حدوث ظروف عامل طاقة رائدة تؤدي إلى زعزعة استقرار أنظمة AVR للمولدات. يتجنب المحتوى التفاعلي ذو السعة المنخفضة لجهاز Lineator هذه المشكلة, كما هو موضح أيضًا في دراسات الحالة التي تغذيها المولدات في وقت سابق من هذه السلسلة.

04 وجها لوجه: السلبي مقابل. نشط في نفس المنشأة

05 منظور جودة الطاقة: ما توضحه دراسة الحالة هذه

5.1 مراكز البيانات كبيئة حساسة لـ PQ

تقدم مراكز البيانات مزيجًا فريدًا من المصدر التوافقي والضحية التوافقية في نفس المنشأة. تعتبر VSDs لنظام التبريد مصادر توافقية. معدات تكنولوجيا المعلومات – الخوادم, تخزين, الشبكات - تحتوي على تبديل مصادر الطاقة التي هي في حد ذاتها أحمال غير خطية, ومصادر الطاقة هذه حساسة لجودة جهد الإمداد. يؤدي مركز البيانات ذو جودة الطاقة الداخلية الرديئة إلى الإضرار بالأحمال الحرجة الخاصة به.

في IEEE 519 تعمل حدود المعيار عند نقطة الاقتران المشترك على حماية شبكة المرافق والعملاء المجاورين. ضمن التوزيع الداخلي لمركز البيانات, القلق ذو الصلة هو ما إذا كان تشويه الجهد الناتج عن VSDs لنظام التبريد يؤثر على أداء وموثوقية معدات تكنولوجيا المعلومات. و 0.4% THDv achieved with the Lineator AUHF under generator supply is essentially negligible — it imposes no measurable stress on downstream IT equipment power supplies.

5.2 The active filter’s failure modes — a technology assessment

Active harmonic filters are marketed on the basis of adaptability — they respond to changing harmonic content in real time, unlike passive filters tuned to specific harmonic orders. This adaptability is real and genuinely valuable in some applications: systems where the harmonic spectrum changes unpredictably, or where many different types of loads share a common bus. لكن, the San Antonio and Barrie data center case studies together suggest that in specific, well-characterized VSD applications, يطابق المرشح السلبي المصمم جيدًا البدائل النشطة باستمرار أو يتفوق عليها بتكلفة أقل وبدون أي آثار جانبية لضوضاء تبديل IGBT.

يعد تدهور أداء الحمل الخفيف الذي لوحظ في المرشح النشط ذا أهمية خاصة لتطبيقات تبريد مراكز البيانات, حيث تتبع أحمال التبريد ملف تعريف أحمال تكنولوجيا المعلومات وتقضي وقتًا كبيرًا عند التحميل الجزئي. إن المرشح الذي يعمل بشكل أسوأ على وجه التحديد عندما يتم تشغيل النظام محملاً بشكل خفيف يكون مطابقًا بشكل سيئ لدورة عمل هذا التطبيق.

5.3 العرض الاحتياطي للمولد كاختبار الإجهاد التوافقي

إن قرار إجراء الاختبار في ظل الإمداد الاحتياطي لمولدات الديزل - بدلاً من إمداد المرافق - هو قرار صحيح من الناحية المنهجية وجدير بالملاحظة. تم تصميم مراكز البيانات للتشغيل المستمر خلال انقطاع المرافق. خلال فترة التشغيل التي تعمل بالمولد, البيئة التوافقية أسوأ من المعتاد. إذا تم التحقق من التخفيف التوافقي فقط على إمدادات المرافق, ليس هناك ما يضمن أن النظام سيظل ضمن الامتثال خلال فترة تشغيل المولد - بالضبط عندما تكون الموثوقية أكثر أهمية.

This case study — the final in the Mirus International series presented on IPQDF — brings the collection full circle. The series opened with generator-fed oil field applications where harmonic problems caused equipment failures in remote, unmanned installations. It closes with a generator-tested data center evaluation at the opposite end of the infrastructure spectrum — mission-critical, في المناطق الحضرية, IT-intensive. The harmonic physics are identical in both environments. وتختلف نتيجة الخطأ في الحجم, ليس في النوع.

المراجع

1. [1] شركة ميروس الدولية, “دراسة حالة الخطي: مرشح التوافقي السلبي مقابل. عامل التصفية النشط في مركز البيانات,” دراسة حالة التطبيق, برامبتون, أونتاريو, كندا, 2012. متاح: mirusinternational.com
2. [2] IEEE الأمراض المنقولة جنسيا 519-2022, “معيار IEEE للتحكم التوافقي في أنظمة الطاقة الكهربائية,” IEEE, نيويورك, NY, 2022.