パッシブ vs. データセンターのアクティブ高調波フィルター: フィールドの比較 — Mirus International
| 施設 | データセンター — カナダの金融機関, バリー, オンタリオ |
| 試験委員会 | ADMエンジニアリング / ミラス・インターナショナル — 7月 2012 |
| 試験条件 | ディーゼル発電機のバックアップ電源 (最悪の場合の弱いソース) |
| パッシブフィルター負荷 | 冷水ポンプ — 430 総HP, 各 VSD の Lineator AUHF |
| アクティブフィルター負荷 | 227 HP チラー — 内蔵並列アクティブ高調波フィルター |
| パッシブ結果 — THDv | 0.4% |
| 受動的な結果 — THDi | 8% |
| アクティブな結果 — THDi (全負荷) | > 12% |
| アクティブな結果 — THDi (負荷の軽減) | > 15% |
| IEEE 519 コンプライアンス | 受け身: はい. アクティブ: ノー. |
01 動作コンテキスト: データセンターの VSD と高調波の影響
データセンターは商業部門で最大の電力消費者の一つです, そして、それらは10年以上にわたってエネルギー効率化プログラムの主なターゲットとなってきました。. データセンターの冷却インフラストラクチャ (チラー) では、可変速ドライブがますます一般的になってきています。, 冷水ポンプ, 冷却塔ファン, およびコンピュータルームのエアコン (CRAC) すべてが可変速操作の恩恵を受けます, これにより、固定速度の代替品と比較して、部分負荷時のモーターのエネルギー消費が大幅に削減されます。.[1]
VSD のエネルギー効率の利点は現実的かつ大幅です. しかし、VSD は、電源ネットワークに高調波電流を注入する 6 パルスの非線形負荷です。. 冷却システムに複数の大型 VSD を備えたデータセンター内, 累積高調波負荷は重大になる可能性があり、データセンター負荷は電圧歪みの影響を最も受けやすいものの 1 つです. サーバーの電源, UPSシステム, および精密な冷却制御はすべて、クリーンな電力でより優れたパフォーマンスを発揮します。.
バリーにあるカナダの金融機関の新しいデータセンターにて, オンタリオ, 冷却システムには 2 つの高調波緩和アプローチが導入されました: すべての冷水ポンプ ドライブに Mirus Lineator AUHF パッシブ フィルターを搭載, 内蔵の並列アクティブ高調波フィルター 227 HPチラー. 7月に 2012, Mirus International は、ADM Engineering の委託を受けて、最悪の条件下で両方のアプローチの比較フィールド評価を実施しました。.[1]
イチジク. 1. Barrie データセンターの冷水ポンプへの Lineator AUHF および VSD の設置. リネーターは合計すべての冷水ポンプドライブに適用されました。 430 HP. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]
02 アクティブなフィルターの結果: 驚くほどパフォーマンスが悪い
2.1 並列アクティブ高調波フィルターの仕組み
シャントタイプの並列アクティブ高調波フィルタは、緩和する非線形負荷と並列に接続します。. 負荷電流を継続的に測定します, デジタル信号処理を使用して高調波成分を抽出します, そして、同じ逆向きの高調波電流を電源回路に注入し、接続点で負荷の高調波電流をキャンセルします。. 原則として, これは、パッシブ フィルターとは異なり、完全かつ適応的な高調波キャンセルのアプローチです。, 調整された共振に依存せず、変化する高調波成分にリアルタイムで反応します。.[2]
実際には, 性能は電流検出の精度と帯域幅に大きく依存します。, 補償電流を生成する IGBT スイッチングの速度と精度, および制御ループの帯域幅. これらの制限は、特に高調波次数やさまざまな負荷条件下での現場測定で明らかになります。.
2.2 測定結果: チラーのアクティブフィルター
チラー全負荷時, 内蔵のアクティブ高調波フィルタにより、THDi を超える測定電流が生成されました。 12%. これは、高調波緩和に特化して販売されているテクノロジーとしては驚くほど悪い結果です。. チラー負荷軽減時, パフォーマンスがさらに低下 - THDi を超えた 15% 負荷が軽減された状態で, 電流波形に高周波高調波成分がはっきりと現れる.[1]
イチジク. 2A. チラーアクティブ高調波フィルター - 全負荷. THDi = 12.1%. スペクトルに表示される高周波高調波成分. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]
イチジク. 2B. チラーアクティブ高調波フィルター - 負荷の軽減. THDi = 15.1%. 部分負荷ではパフォーマンスが低下します。これは、データセンターの冷却アプリケーションが必要とするものとは逆です。. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]
2.3 アクティブフィルターが軽負荷で劣化する理由
負荷が減少するとアクティブフィルターの性能が低下するのがこの技術の特徴です。. 全負荷時, 高調波電流は基本波電流に比べて大きい, 正確に感知し、効果的にキャンセルしやすくなります。. 負荷軽減時, 基本電流は小さくなります, 高調波電流は絶対的に小さくなります, 電流検出の信号対雑音比が低下します。. 制御ループの精度が悪化する, 補正の精度が低くなります, 残留高調波成分とフィルタ自身の IGBT スイッチング高調波が THDi 測定を支配します。. これは、データセンターの冷却システムに必要なものとは逆です。, 負荷が広範囲にわたって連続的に変化する場合.
03 パッシブフィルターの結果: IEEE 519 発電機供給時のコンプライアンス
次に、同じディーゼル発電機の供給条件下で、すべて Mirus Lineator AUHF パッシブ フィルターを装備した冷水ポンプ ドライブを測定しました。. 結果はアクティブフィルターの測定とは著しく異なりました:[1]
- ポンプ入力端子の電圧 THDv: 0.4%
- ポンプ入力端子の電流THDi: 8%
どちらの値も IEEE の範囲内に十分収まります 519 境界. ザ 0.4% THDv は非常にクリーンな結果であり、公共電源であっても優れていると考えられます。. ディーゼル発電機供給で実現, 電源インピーダンスが高く、電圧歪みが電力網よりも悪化すると予想される場所, Lineator の高調波減衰が、最も困難な音源条件下でも効果的であることを示しています。.[1]
イチジク. 3A. Lineator AUHF 付き冷水ポンプ — 電圧歪み. THDv = 0.4%. ディーゼル発電機の供給下で測定. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]
イチジク. 3B. Lineator AUHF 付き冷水ポンプ — 電流歪み. THDi = 8.0%. IEEE 519 最悪の場合の発電機供給下でも準拠. ソース: ミラス・インターナショナル.[1]
Lineator AUHF の軽負荷時の容量性無効電流は、以下で測定されました。 15% 定格電流の値 — データセンターのディーゼル発電機の許容動作範囲内に十分収まります. これは重要なジェネレータの互換性チェックです: 大規模なコンデンサバンクを備えたパッシブフィルタは、発電機のAVRシステムを不安定にする高度な力率状態を引き起こす可能性があります. Lineator の低容量性反応成分により、この問題が回避されます, このシリーズの前半の発電機から供給されるケーススタディでも実証したとおり.
04 直接対決: パッシブ vs. 同じ施設内で活躍中
| パラメータ | チラー — アクティブフィルター (内蔵) | 冷水ポンプ — パッシブリネーター AUHF |
|---|---|---|
| THDi — 全負荷 | > 12% | 8% |
| THDi — 負荷の軽減 | > 15% | 8% (一貫性のある) |
| 端末のTHDv | 指定されていない | 0.4% |
| 高周波ノイズ | 存在 - IGBT スイッチング アーティファクト | なし — アクティブなスイッチング コンポーネントはありません |
| IEEE 519 コンプライアンス | ノー | はい |
| 発電機の互換性 | 不明 — 高周波ノイズのリスク | 確認済み - <15% 軽負荷時の容量性リアクティブ |
| パフォーマンスとの比較. ロード | 軽負荷で劣化する | 負荷範囲全体で一貫した |
05 電力品質の観点: このケーススタディが示すもの
5.1 PQ に敏感な環境としてのデータセンター
データセンターでは、同じ施設内に高調波発生源と高調波被害者の独自の組み合わせが存在します。. 冷却システムの VSD は高調波発生源です. IT機器 - サーバー, ストレージ, ネットワーキング - それ自体が非線形負荷であるスイッチング電源を含む, これらの電源は供給電圧の品質に敏感です. 内部の電力品質が低いデータセンターは、自身の重要な負荷に損害を与えています.
IEEE 519 共通結合点における規格の制限により、公共事業ネットワークと近隣の顧客を保護します. データセンターの内部配布内, 関連する懸念は、冷却システム VSD からの電圧歪みが IT 機器のパフォーマンスと信頼性に影響を与えるかどうかです。. ザ 0.4% 発電機の供給下で Lineator AUHF で達成される THDv は基本的に無視できます。下流の IT 機器の電源に測定可能なストレスを与えません。.
5.2 アクティブフィルターの故障モード - 技術評価
アクティブ高調波フィルターは適応性に基づいて販売されており、変化する高調波成分にリアルタイムで反応します。, 特定の高調波次数に調整されたパッシブフィルターとは異なります。. この適応性は実際のものであり、一部のアプリケーションでは真に価値があります。: 高調波スペクトルが予期せず変化するシステム, または、多くの異なるタイプの負荷が共通のバスを共有する場所. しかしながら, サンアントニオとバリーのデータセンターの事例研究を総合すると、具体的には次のことが示唆されます。, よく特徴付けられた VSD アプリケーション, 適切に設計されたパッシブ フィルターは、低コストで、IGBT スイッチング ノイズの副作用がなく、常にアクティブ代替フィルターと同等またはそれを上回る性能を発揮します。.
アクティブフィルターで観察される軽負荷時のパフォーマンス低下は、データセンターの冷却アプリケーションに特に関係します。, 冷却負荷は IT 負荷プロファイルに従い、部分負荷でかなりの時間を費やします。. システムが軽負荷で動作するときに最もパフォーマンスが低下するフィルタは、このアプリケーションのデューティ サイクルとの適合が不十分です。.
5.3 高調波ストレステストとしての発電機のバックアップ電源
商用電源ではなく、ディーゼル発電機のバックアップ電源の下でテストを実施するという決定は方法論的に正しく、注目に値します。. データセンターは、公共施設の停止中も継続的に稼働できるように設計されています. 発電機による運転期間中, 高調波環境が通常より悪い. 高調波の緩和が公共電源でのみ検証される場合, 発電機で電力が供給されている間、つまり信頼性が最も重要なときにシステムがコンプライアンス内に留まるという保証はありません。.
このケーススタディは、IPQDF で紹介される Mirus International シリーズの最終回であり、コレクションを一周させます。. このシリーズは、高調波の問題により遠隔地の機器故障が発生する発電機給電油田用途から始まりました。, 無人設備. 最後に、インフラストラクチャ スペクトルの対極にある、ミッションクリティカルな、ジェネレーターによるテスト済みのデータセンターの評価で終わります。, 都市, IT集約型. 調和物理学は両方の環境で同一です. 間違えた場合の結果は規模が違う, 現物ではない.
参照
- [1] 株式会社ミラスインターナショナル, “リネーターのケーススタディ: パッシブ高調波フィルター vs. データセンターのアクティブフィルター,” 適用事例, ブランプトン, オンタリオ, カナダ, 2012. 利用可能: mirusinternational.com
- [2] IEEE規格 519-2022, “電力システムにおける高調波制御に関する IEEE 規格,” IEEE, ニューヨーク, NY, 2022.