Passiv vs. Aktiver harmonischer Filter in einem Rechenzentrum: Ein Feldvergleich – Mirus International

01 Betriebskontext: VSDs in Rechenzentren und die harmonischen Folgen

Rechenzentren zählen zu den größten Stromverbrauchern im gewerblichen Bereich, und sie sind seit über einem Jahrzehnt ein Hauptziel von Energieeffizienzprogrammen. Antriebe mit variabler Drehzahl werden in der Kühlinfrastruktur von Rechenzentren immer häufiger eingesetzt – Kältemaschinen, Kaltwasserpumpen, Kühlturmventilatoren, und Klimaanlagen für Computerräume (CRACs) Alle profitieren vom Betrieb mit variabler Geschwindigkeit, Dadurch wird der Energieverbrauch des Motors bei Teillast im Vergleich zu Alternativen mit fester Drehzahl drastisch reduziert.[1]

Der Energieeffizienzvorteil von VSDs ist real und erheblich. Ein VSD ist jedoch eine nichtlineare 6-Puls-Last, die Oberschwingungsströme in das Versorgungsnetz einspeist. In einem Rechenzentrum mit mehreren großen VSDs im Kühlsystem, Die kumulative Oberschwingungsbelastung kann erheblich sein – und Rechenzentrumslasten gehören zu den empfindlichsten gegenüber Spannungsverzerrungen. Server-Netzteile, USV-Systeme, und präzise Kühlsteuerungen erzielen bei sauberem Strom eine bessere Leistung.

In einem neuen Rechenzentrum für ein kanadisches Finanzinstitut in Barrie, Ontario, Im Kühlsystem wurden zwei Ansätze zur Oberschwingungsminderung eingesetzt: Passive Mirus Lineator AUHF-Filter an allen Kühlwasserpumpenantrieben, und ein eingebauter paralleler aktiver harmonischer Filter auf dem 227 HP-Kühler. Im Juli 2012, Mirus International wurde von ADM Engineering beauftragt, eine vergleichende Feldbewertung beider Ansätze unter Worst-Case-Bedingungen durchzuführen.[1]

Abb.. 1. Lineator AUHF- und VSD-Installation an einer Kaltwasserpumpe im Barrie-Rechenzentrum. Insgesamt wurden Lineatoren auf alle Kühlwasserpumpenantriebe angewendet 430 HP. Quelle: Mirus International.[1]

02 Das Ergebnis des aktiven Filters: Überraschend schlechte Leistung

2.1 Wie parallele aktive harmonische Filter funktionieren

Ein paralleler aktiver Oberschwingungsfilter vom Shunt-Typ wird parallel zu der nichtlinearen Last geschaltet, die er dämmt. Es misst kontinuierlich den Laststrom, extrahiert den harmonischen Inhalt mithilfe digitaler Signalverarbeitung, und speist einen gleichen und entgegengesetzten harmonischen Strom in den Versorgungskreis ein – wodurch der harmonische Strom der Last am Verbindungspunkt aufgehoben wird. Grundsätzlich, Dabei handelt es sich um einen vollständigen und adaptiven Ansatz zur Unterdrückung harmonischer Oberwellen – im Gegensatz zu passiven Filtern, Es ist nicht auf eine abgestimmte Resonanz angewiesen und reagiert in Echtzeit auf sich ändernde harmonische Inhalte.[2]

Praktisch, Die Leistung hängt entscheidend von der Genauigkeit und Bandbreite der Stromerfassung ab, die Geschwindigkeit und Präzision des IGBT-Schaltvorgangs, der den Kompensationsstrom erzeugt, und die Bandbreite des Regelkreises. Diese Einschränkungen werden bei Feldmessungen deutlich – insbesondere bei höheren harmonischen Ordnungen und unter variierenden Lastbedingungen.

2.2 Gemessene Ergebnisse: Aktiver Filter am Kühler

Bei voller Kühlerlast, Der eingebaute aktive Oberschwingungsfilter erzeugte einen gemessenen Strom, der den THDi überschritt 12%. Dies ist ein überraschend schlechtes Ergebnis für eine Technologie, die speziell zur Oberwellenminderung vermarktet wird. Wenn die Kühllast reduziert wurde, Die Leistung verschlechterte sich weiter – THDi wurde überschritten 15% bei reduzierten Lastbedingungen, mit hochfrequenten harmonischen Komponenten, die in der Stromwellenform deutlich sichtbar sind.[1]

Abb.. 2ein. Aktiver Oberschwingungsfilter des Kühlers – Volllast. THDi = 12.1%. Hochfrequente harmonische Komponenten im Spektrum sichtbar. Quelle: Mirus International.[1]

Abb.. 2b. Aktiver Oberschwingungsfilter des Kühlers – reduzierte Belastung. THDi = 15.1%. Bei Teillast nimmt die Leistung ab – das Gegenteil dessen, was eine Kühlanwendung für ein Rechenzentrum erfordert. Quelle: Mirus International.[1]

2.3 Warum aktive Filter bei geringer Last schlechter werden

Charakteristisch für die Technologie ist die Verschlechterung der aktiven Filterleistung bei reduzierter Belastung. Bei Volllast, Die harmonischen Ströme sind im Vergleich zur Grundschwingung groß, Dadurch lassen sie sich leichter genau erfassen und effektiv löschen. Bei reduzierter Belastung, der Grundstrom ist kleiner, die Oberschwingungsströme sind absolut gesehen kleiner, und das Signal-Rausch-Verhältnis der Strommessung nimmt ab. Die Genauigkeit des Regelkreises verschlechtert sich, Die Kompensation wird ungenauer, und der Restharmonischengehalt – plus die eigenen IGBT-Schaltoberwellen des Filters – dominieren die THDi-Messung. Dies ist das Gegenteil von dem, was in einem Kühlsystem für ein Rechenzentrum erforderlich ist, bei denen die Belastungen in einem weiten Bereich kontinuierlich variieren.

03 Das Ergebnis des passiven Filters: IEEE 519 Einhaltung der Generatorversorgung

Als nächstes wurden die Kühlwasserpumpenantriebe – alle mit passiven Mirus Lineator AUHF-Filtern ausgestattet – unter den gleichen Dieselgenerator-Versorgungsbedingungen gemessen. Die Ergebnisse unterschieden sich deutlich von den Messungen mit aktiven Filtern:[1]

• Spannung THDv an den Eingangsklemmen der Pumpe: 0.4%
• Aktueller THDi an den Eingangsklemmen der Pumpe: 8%

Beide Werte liegen deutlich im IEEE-Bereich 519 Grenzen. Die 0.4% THDv ist ein außergewöhnlich sauberes Ergebnis – selbst bei einem Versorgungsnetz würde es als ausgezeichnet gelten. Dies wird durch die Versorgung mit einem Dieselgenerator erreicht, dort, wo die Quellenimpedanz hoch ist und eine stärkere Spannungsverzerrung zu erwarten ist als im öffentlichen Stromnetz, zeigt, dass die harmonische Dämpfung des Lineators selbst unter den schwierigsten Quellenbedingungen wirksam ist.[1]

Abb.. 3ein. Kaltwasserpumpe mit Lineator AUHF – Spannungsverzerrung. THDv = 0.4%. Gemessen unter Dieselgeneratorversorgung. Quelle: Mirus International.[1]

Abb.. 3b. Kaltwasserpumpe mit Lineator AUHF – Stromverzerrung. THDi = 8.0%. IEEE 519 konform unter Worst-Case-Generatorversorgung. Quelle: Mirus International.[1]

Der kapazitive Blindstrom des Lineator AUHF bei geringer Last wurde mit weniger als gemessen 15% Nennstrom – deutlich innerhalb des akzeptablen Betriebsbereichs für die Dieselgeneratoren des Rechenzentrums. Dies ist eine wichtige Überprüfung der Generatorkompatibilität: Passive Filter mit großen Kondensatorbänken können führende Leistungsfaktorbedingungen verursachen, die Generator-AVR-Systeme destabilisieren. Der geringe kapazitive Blindanteil des Lineators vermeidet dieses Problem, Dies wurde auch in den Fallstudien zur Generatorspeisung weiter oben in dieser Serie gezeigt.

04 Kopf an Kopf: Passiv vs. Aktiv in der gleichen Einrichtung

05 Die Power-Quality-Perspektive: Was diese Fallstudie veranschaulicht

5.1 Rechenzentren als PQ-sensible Umgebung

Rechenzentren bieten eine einzigartige Kombination aus harmonischer Quelle und harmonischem Opfer in derselben Einrichtung. Die VSDs des Kühlsystems sind harmonische Quellen. Die IT-Ausrüstung – Server, Lagerung, Netzwerk – enthält Schaltnetzteile, die selbst nichtlineare Lasten sind, und diese Netzteile reagieren empfindlich auf die Qualität der Versorgungsspannung. Ein Rechenzentrum mit schlechter interner Stromqualität schadet seinen eigenen kritischen Lasten.

Der IEEE 519 Die Grenzwerte des Standards am Punkt der gemeinsamen Kopplung schützen das Versorgungsnetz und benachbarte Kunden. Innerhalb der internen Verteilung des Rechenzentrums, Die relevante Sorge besteht darin, ob Spannungsverzerrungen durch die VSDs des Kühlsystems die Leistung und Zuverlässigkeit der IT-Geräte beeinträchtigen. Die 0.4% Der mit dem Lineator AUHF unter Generatorversorgung erzielte THDv ist im Wesentlichen vernachlässigbar – er stellt keine messbare Belastung für die Stromversorgung nachgeschalteter IT-Geräte dar.

5.2 Die Fehlermodi des aktiven Filters – eine Technologiebewertung

Aktive harmonische Filter werden aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit vermarktet – sie reagieren in Echtzeit auf sich ändernde harmonische Inhalte, im Gegensatz zu passiven Filtern, die auf bestimmte harmonische Ordnungen abgestimmt sind. Diese Anpassungsfähigkeit ist in manchen Anwendungen real und wirklich wertvoll: Systeme, in denen sich das harmonische Spektrum unvorhersehbar ändert, oder wo sich viele verschiedene Arten von Lasten einen gemeinsamen Bus teilen. Jedoch, Die Fallstudien der Rechenzentren San Antonio und Barrie legen dies zusammengenommen konkret nahe, gut charakterisierte VSD-Anwendungen, Ein gut konzipierter passiver Filter entspricht oder übertrifft aktive Alternativen bei geringeren Kosten und ohne Nebenwirkungen des IGBT-Schaltrauschens.

Der im aktiven Filter beobachtete Leistungsabfall bei geringer Last ist besonders relevant für Kühlanwendungen in Rechenzentren, bei denen Kühllasten dem IT-Lastprofil folgen und längere Zeit im Teillastbetrieb verbringen. Ein Filter, der genau dann die schlechteste Leistung erbringt, wenn das System leicht belastet läuft, ist schlecht auf den Arbeitszyklus dieser Anwendung abgestimmt.

5.3 Generator-Notstromversorgung als harmonischer Stresstest

Die Entscheidung, die Tests unter Dieselgenerator-Notstromversorgung und nicht unter Netzversorgung durchzuführen, ist methodisch richtig und erwähnenswert. Rechenzentren sind für den kontinuierlichen Betrieb bei Versorgungsausfällen ausgelegt. Während einer generatorbetriebenen Betriebszeit, Die harmonische Umgebung ist schlechter als normal. Wenn die Oberschwingungsminderung nur bei der Versorgungsversorgung überprüft wird, Es gibt keine Garantie dafür, dass das System während eines Zeitraums mit Generatorbetrieb die Vorschriften einhält – genau dann, wenn die Zuverlässigkeit am kritischsten ist.

Diese Fallstudie – die letzte der auf IPQDF präsentierten Mirus International-Reihe – schließt den Kreis der Sammlung. Die Serie begann mit von Generatoren gespeisten Ölfeldanwendungen, bei denen Oberschwingungsprobleme zu Geräteausfällen in abgelegenen Gebieten führten, unbemannte Anlagen. Es endet mit einer Generator-getesteten Rechenzentrumsbewertung am anderen Ende des Infrastrukturspektrums – geschäftskritisch, Stadt-, IT-intensiv. Die harmonische Physik ist in beiden Umgebungen identisch. Die Folgen eines Fehlers sind unterschiedlich groß, nicht in Form von Sachleistungen.

Referenzen

1. [1] Mirus International Inc., “Lineator-Fallstudie: Passiver harmonischer Filter vs. Aktiver Filter in einem Rechenzentrum,” Anwendungsfallstudie, Brampton, Ontario, Kanada, 2012. Verfügbar: mirusinternational.com
2. [2] IEEE Std 519-2022, “IEEE-Standard für harmonische Kontrolle in elektrischen Energiesystemen,” IEEE, New York, NY, 2022.