Passivo versus. Filtro Harmônico Ativo em um Data Center: Uma comparação de campo - Mirus International

01 Contexto Operacional: VSDs em data centers e a consequência harmônica

Data centers estão entre os maiores consumidores de energia elétrica no setor comercial, e têm sido o alvo principal dos programas de eficiência energética há mais de uma década. Drives de velocidade variável têm se tornado cada vez mais comuns em infraestruturas de refrigeração de data centers — chillers, bombas de água gelada, ventiladores de torre de resfriamento, e condicionadores de ar para salas de informática (CRAC) todos se beneficiam da operação com velocidade variável, o que reduz drasticamente o consumo de energia do motor em carga parcial em comparação com alternativas de velocidade fixa.[1]

O benefício da eficiência energética dos VSDs é real e substancial. Mas um VSD é uma carga não linear de 6 pulsos que injeta correntes harmônicas na rede de alimentação. Em um data center com vários VSDs grandes no sistema de refrigeração, a carga harmônica cumulativa pode ser significativa — e as cargas do data center estão entre as mais sensíveis à distorção de tensão. Fontes de alimentação do servidor, Sistemas UPS, e controles de resfriamento de precisão funcionam melhor com energia limpa.

Em um novo data center de uma instituição financeira canadense em Barrie, Ontário, duas abordagens de mitigação de harmônicas foram implantadas no sistema de resfriamento: Filtros passivos Mirus Lineator AUHF em todos os acionamentos de bombas de água gelada, e um filtro harmônico ativo paralelo integrado no 227 Resfriador HP. Em julho 2012, A Mirus International foi contratada pela ADM Engineering para realizar uma avaliação comparativa de campo de ambas as abordagens nas piores condições.[1]

Figo. 1. Instalação do Lineator AUHF e VSD em uma bomba de água gelada no data center de Barrie. Lineadores foram aplicados em todos os acionamentos de bombas de água gelada totalizando 430 HP. Fonte: Mirus Internacional.[1]

02 O resultado do filtro ativo: Desempenho surpreendentemente ruim

2.1 Como funcionam os filtros harmônicos ativos paralelos

Um filtro harmônico ativo paralelo do tipo shunt se conecta em paralelo com a carga não linear que está mitigando. Ele mede continuamente a corrente de carga, extrai o conteúdo harmônico usando processamento de sinal digital, e injeta uma corrente harmônica igual e oposta no circuito de alimentação – cancelando a corrente harmônica da carga no ponto de conexão. Em princípio, esta é uma abordagem de cancelamento harmônico completa e adaptativa - ao contrário dos filtros passivos, não depende da ressonância sintonizada e responde à mudança do conteúdo harmônico em tempo real.[2]

Na prática, o desempenho depende criticamente da precisão e largura de banda da detecção de corrente, 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]

Figo. 2um. Chiller active harmonic filter — full load. THDi = 12.1%. Componentes harmônicos de alta frequência visíveis no espectro. Fonte: Mirus Internacional.[1]

Figo. 2b. Filtro harmônico ativo do chiller – carga reduzida. THDi = 15.1%. O desempenho diminui com carga parcial — o oposto do que uma aplicação de refrigeração de data center exige. Fonte: Mirus Internacional.[1]

2.3 Por que os filtros ativos se degradam com carga leve

A degradação do desempenho do filtro ativo com carga reduzida é uma característica da tecnologia. Em plena carga, as correntes harmônicas são grandes em relação ao fundamental, tornando-os mais fáceis de detectar com precisão e cancelar de forma eficaz. Com carga reduzida, a corrente fundamental é menor, as correntes harmônicas são menores em termos absolutos, e a relação sinal-ruído da detecção de corrente diminui. A precisão do circuito de controle se deteriora, a compensação se torna menos precisa, e o conteúdo harmônico residual - mais os próprios harmônicos de comutação IGBT do filtro - domina a medição THDi. Isto é o oposto do que é necessário em um sistema de refrigeração de data center, onde as cargas variam continuamente em uma ampla faixa.

03 O resultado do filtro passivo: IEEE 519 Conformidade sob fornecimento do gerador

Os acionamentos da bomba de água gelada – todos equipados com filtros passivos Mirus Lineator AUHF – foram medidos a seguir sob as mesmas condições de alimentação do gerador a diesel. Os resultados foram marcadamente diferentes das medições do filtro ativo:[1]

• Tensão THDv nos terminais de entrada da bomba: 0.4%
• Corrente THDi nos terminais de entrada da bomba: 8%

Ambos os valores estão dentro do IEEE 519 limites. O 0.4% THDv é um resultado excepcionalmente limpo – mesmo em uma rede elétrica seria considerado excelente. Alcançando isso com fornecimento de gerador a diesel, onde a impedância da fonte é alta e a distorção de tensão seria pior do que na rede elétrica, demonstra que a atenuação harmônica do Lineator é eficaz mesmo sob as condições de fonte mais desafiadoras.[1]

Figo. 3um. Bomba de água gelada com Lineator AUHF — distorção de tensão. THDv = 0.4%. Medido sob alimentação de gerador a diesel. Fonte: Mirus Internacional.[1]

Figo. 3b. Bomba de água gelada com Lineator AUHF — distorção de corrente. THDi = 8.0%. IEEE 519 compatível com o fornecimento do gerador no pior caso. Fonte: Mirus Internacional.[1]

A corrente reativa capacitiva do Lineator AUHF em carga leve foi medida em menos de 15% de corrente nominal — bem dentro da faixa operacional aceitável para os geradores a diesel do data center. Esta é uma importante verificação de compatibilidade do gerador: filtros passivos com grandes bancos de capacitores podem causar condições de fator de potência importantes que desestabilizam os sistemas AVR do gerador. O baixo conteúdo reativo capacitivo do Lineator evita esse problema, como também foi demonstrado nos estudos de caso alimentados por gerador anteriormente nesta série.

04 Frente a frente: Passivo versus. Ativo na mesma instalação

05 A Perspectiva da Qualidade de Energia: O que este estudo de caso ilustra

5.1 Data centers como um ambiente sensível a PQ

Os data centers apresentam uma combinação única de fonte harmônica e vítima harmônica na mesma instalação. Os VSDs do sistema de resfriamento são fontes harmônicas. O equipamento de TI – servidores, armazenar, rede - contém fontes de alimentação chaveadas que são cargas não lineares, e essas fontes de alimentação são sensíveis à qualidade da tensão de alimentação. Um data center com baixa qualidade de energia interna está prejudicando suas próprias cargas críticas.

O IEEE 519 os limites da norma no ponto de acoplamento comum protegem a rede da concessionária e os clientes vizinhos. Dentro da distribuição interna do data center, a preocupação relevante é se a distorção de tensão dos VSDs do sistema de refrigeração afeta o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos de TI. O 0.4% O THDv alcançado com o Lineator AUHF sob alimentação do gerador é essencialmente insignificante – ele não impõe nenhum estresse mensurável nas fontes de alimentação dos equipamentos de TI a jusante.

5.2 Os modos de falha do filtro ativo — uma avaliação tecnológica

Os filtros harmônicos ativos são comercializados com base na adaptabilidade – eles respondem às mudanças no conteúdo harmônico em tempo real, ao contrário dos filtros passivos sintonizados em ordens harmônicas específicas. Esta adaptabilidade é real e genuinamente valiosa em algumas aplicações: sistemas onde o espectro harmônico muda de forma imprevisível, ou onde muitos tipos diferentes de cargas compartilham um barramento comum. Contudo, os estudos de caso dos data centers de San Antonio e Barrie sugerem que, em, aplicações VSD bem caracterizadas, um filtro passivo bem projetado corresponde ou supera consistentemente as alternativas ativas a um custo mais baixo e sem efeitos colaterais de ruído de comutação IGBT.

A degradação do desempenho em cargas leves observada no filtro ativo é particularmente relevante para aplicações de refrigeração de data centers, onde as cargas de resfriamento seguem o perfil de carga de TI e passam um tempo significativo com carga parcial. Um filtro que apresenta pior desempenho precisamente quando o sistema funciona com carga leve não corresponde ao ciclo de trabalho desta aplicação.

5.3 Fornecimento de backup do gerador como um teste de estresse harmônico

A decisão de realizar testes no fornecimento de backup de geradores a diesel - em vez de no fornecimento da concessionária - é metodologicamente correta e digna de nota. Os data centers são projetados para operação contínua durante interrupções de serviços públicos. Durante um período de operação alimentado por gerador, o ambiente harmônico é pior que o normal. Se a mitigação de harmônicos for verificada apenas na rede elétrica, não há garantia de que o sistema permanecerá em conformidade durante um período alimentado pelo gerador – exatamente quando a confiabilidade é mais crítica.

Este estudo de caso - o final da série Mirus International apresentada no IPQDF - fecha o círculo da coleção. A série começou com aplicações em campos de petróleo alimentados por geradores, onde problemas harmônicos causavam falhas em equipamentos em locais remotos., instalações não tripuladas. Ele termina com uma avaliação de data center testado por geradores no extremo oposto do espectro de infraestrutura – missão crítica, urbano, Uso intensivo de TI. A física harmônica é idêntica em ambos os ambientes. A consequência de errar é diferente em escala, não em espécie.

Referências

1. [1] Mirus Internacional Inc., “Estudo de caso do Lineador: Filtro harmônico passivo vs. Filtro ativo em um data center,” Estudo de caso de aplicação, Brampton, Ontário, Canadá, 2012. Disponível: mirusinternational.com
2. [2] IEEE Std 519-2022, “Padrão IEEE para Controle Harmônico em Sistemas Elétricos de Potência,” IEEE, Nova Iorque, Nova Iorque, 2022.