Passif vs. Filtre harmonique actif dans un centre de données: Une comparaison sur le terrain — Mirus International

01 Contexte opérationnel: VSD dans les centres de données et conséquences harmoniques

Les centres de données comptent parmi les plus gros consommateurs d’énergie électrique du secteur commercial, et ils constituent une cible principale des programmes d’efficacité énergétique depuis plus d’une décennie.. Les entraînements à vitesse variable sont devenus de plus en plus courants dans les infrastructures de refroidissement des centres de données — refroidisseurs, pompes à eau glacée, ventilateurs de tour de refroidissement, et climatiseurs de salle informatique (CRAC) tous bénéficient d'un fonctionnement à vitesse variable, ce qui réduit considérablement la consommation d'énergie du moteur à charge partielle par rapport aux alternatives à vitesse fixe.[1]

L’avantage en matière d’efficacité énergétique des VSD est réel et substantiel. Mais un VSD est une charge non linéaire à 6 impulsions qui injecte des courants harmoniques dans le réseau d'alimentation.. Dans un centre de données avec plusieurs grands VSD sur le système de refroidissement, la charge harmonique cumulée peut être importante — et les charges des centres de données sont parmi les plus sensibles à la distorsion de tension. Alimentations du serveur, Systèmes UPS, et les commandes de refroidissement précises fonctionnent toutes mieux avec une énergie propre.

Dans un nouveau centre de données pour une institution financière canadienne à Barrie, Ontario, deux approches d'atténuation des harmoniques ont été déployées sur le système de refroidissement: Filtres passifs Mirus Lineator AUHF sur tous les entraînements de pompes à eau glacée, et un filtre d'harmoniques actif parallèle intégré sur le 227 Refroidisseur HP. En juillet 2012, Mirus International a été engagé par ADM Engineering pour mener une évaluation comparative sur le terrain des deux approches dans les pires conditions..[1]

Figue. 1. Installation de Lineator AUHF et VSD sur une pompe à eau glacée au centre de données de Barrie. Des linéateurs ont été appliqués à tous les entraînements de pompes à eau glacée totalisant 430 HP. Source: Mirus International.[1]

02 Le résultat du filtre actif: Performances étonnamment médiocres

2.1 Comment fonctionnent les filtres d'harmoniques actifs parallèles

Un filtre harmonique actif parallèle de type shunt se connecte en parallèle à la charge non linéaire qu'il atténue. Il mesure en permanence le courant de charge, extrait le contenu harmonique à l’aide du traitement du signal numérique, et injecte un courant harmonique égal et opposé dans le circuit d'alimentation – annulant le courant harmonique de la charge au point de connexion. En principe, il s'agit d'une approche d'annulation d'harmoniques complète et adaptative, contrairement aux filtres passifs, il ne dépend pas de la résonance accordée et réagit aux changements de contenu harmonique en temps réel.[2]

En pratique, les performances dépendent essentiellement de la précision et de la bande passante de la détection de courant, 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]

Figue. 2un. Chiller active harmonic filter — full load. THDi = 12.1%. Composants harmoniques haute fréquence visibles dans le spectre. Source: Mirus International.[1]

Figue. 2b. Filtre d'harmoniques actif du refroidisseur — charge réduite. THDi = 15.1%. Les performances se dégradent à charge partielle – à l’opposé de ce qu’exige une application de refroidissement de centre de données. Source: Mirus International.[1]

2.3 Pourquoi les filtres actifs se dégradent à faible charge

La dégradation des performances du filtre actif à charge réduite est une caractéristique de la technologie. A pleine charge, les courants harmoniques sont importants par rapport au fondamental, ce qui les rend plus faciles à détecter avec précision et à annuler efficacement. À charge réduite, le courant fondamental est plus petit, les courants harmoniques sont plus petits en termes absolus, et le rapport signal/bruit de la détection de courant diminue. La précision de la boucle de contrôle se détériore, la rémunération devient moins précise, 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 limites. La 0.4% THDv is an exceptionally clean result — even on a utility supply it would be considered excellent. Y parvenir grâce à la fourniture de générateurs diesel, où l'impédance de la source est élevée et où la distorsion de tension devrait être pire que sur le réseau électrique public, démontre que l’atténuation harmonique du Lineator est efficace même dans les conditions de source les plus difficiles.[1]

Figue. 3un. Pompe à eau glacée avec Lineator AUHF — distorsion de tension. THDv = 0.4%. Mesuré sous alimentation du générateur diesel. Source: Mirus International.[1]

Figue. 3b. Pompe à eau glacée avec Lineator AUHF — distorsion de courant. THDi = 8.0%. IEEE 519 conforme aux conditions d'alimentation du générateur dans le pire des cas. Source: Mirus International.[1]

Le courant réactif capacitif du Lineator AUHF à charge légère a été mesuré à moins de 15% du courant nominal – bien dans la plage de fonctionnement acceptable pour les générateurs diesel du centre de données. Il s'agit d'une vérification importante de la compatibilité du générateur: les filtres passifs dotés de grandes batteries de condensateurs peuvent provoquer des conditions de facteur de puissance avancées qui déstabilisent les systèmes AVR du générateur. Le faible contenu réactif capacitif du Lineator évite ce problème, comme cela a également été démontré dans les études de cas alimentées par un générateur plus tôt dans cette série.

04 Face-à-face: Passif vs. Actif dans la même installation

05 La perspective de la qualité de l’énergie: Ce qu’illustre cette étude de cas

5.1 Les centres de données en tant qu'environnement sensible au PQ

Les centres de données présentent une combinaison unique de source harmonique et de victime harmonique dans la même installation. Les VSD du système de refroidissement sont des sources d'harmoniques. Le matériel informatique – serveurs, stockage, mise en réseau - contient des alimentations à découpage qui sont elles-mêmes des charges non linéaires, et ces alimentations sont sensibles à la qualité de la tension d'alimentation. Un centre de données avec une mauvaise qualité d’alimentation interne nuit à ses propres charges critiques.

La norme IEEE 519 les limites de la norme au point de couplage commun protègent le réseau de distribution et les clients voisins. Au sein de la distribution interne du data center, la préoccupation pertinente est de savoir si la distorsion de tension des VSD du système de refroidissement affecte les performances et la fiabilité de l'équipement informatique.. La 0.4% Le THDv obtenu avec le Lineator AUHF sous alimentation par générateur est essentiellement négligeable : il n'impose aucune contrainte mesurable sur les alimentations électriques des équipements informatiques en aval..

5.2 Les modes de défaillance du filtre actif — une évaluation technologique

Les filtres d'harmoniques actifs sont commercialisés sur la base de leur adaptabilité : ils réagissent aux changements de contenu harmonique en temps réel., contrairement aux filtres passifs réglés sur des ordres harmoniques spécifiques. Cette adaptabilité est réelle et véritablement précieuse dans certaines applications: systèmes où le spectre harmonique change de manière imprévisible, ou lorsque de nombreux types de charges différents partagent un bus commun. Cependant, les études de cas des centres de données de San Antonio et de Barrie suggèrent que, dans des cas spécifiques,, applications VSD bien caractérisées, un filtre passif bien conçu correspond ou surpasse systématiquement les alternatives actives à moindre coût et sans effets secondaires de bruit de commutation IGBT.

La dégradation des performances à faible charge observée dans le filtre actif est particulièrement pertinente pour les applications de refroidissement des centres de données., où les charges de refroidissement suivent le profil de charge informatique et passent beaucoup de temps à charge partielle. Un filtre qui fonctionne moins bien précisément lorsque le système fonctionne sous une faible charge est mal adapté au cycle de service de cette application..

5.3 Alimentation de secours du générateur comme test de contrainte harmonique

La décision d’effectuer des tests sur l’alimentation de secours du générateur diesel – plutôt que sur l’alimentation des services publics – est méthodologiquement correcte et mérite d’être notée.. Les centres de données sont conçus pour fonctionner en continu même en cas de panne de service.. Pendant une période de fonctionnement alimentée par un générateur, l'environnement harmonique est pire que la normale. Si l'atténuation des harmoniques est vérifiée uniquement sur l'alimentation électrique, rien ne garantit que le système restera conforme pendant une période alimentée par un générateur – exactement au moment où la fiabilité est la plus critique.

Cette étude de cas — la dernière de la série Mirus International présentée sur IPQDF — boucle la boucle de la collection.. La série s'est ouverte avec des applications de champs pétrolifères alimentés par des générateurs où des problèmes d'harmoniques ont provoqué des pannes d'équipement dans des régions éloignées., installations sans pilote. Il se termine par une évaluation de centre de données testée par un générateur à l'extrémité opposée du spectre de l'infrastructure – critique pour la mission., urbain, Intensif en informatique. La physique harmonique est identique dans les deux environnements. Les conséquences d’une erreur sont d’une ampleur différente, pas en nature.

Références

1. [1] Mirus International Inc., “Étude de cas du linéateur: Filtre harmonique passif vs. Filtre actif dans un data center,” Étude de cas d'application, Brampton, Ontario, Canada, 2012. Disponible: mirusinternational.com
2. [2] IEEE Std 519-2022, “Norme IEEE pour le contrôle des harmoniques dans les systèmes d'alimentation électrique,” IEEE, New York, NY, 2022.