Пасивно вс. Активни хармонијски филтер у центру података: Поређење терена — Мирус Интернатионал

01 Оперативни контекст: ВСД-ови у центрима података и хармонична последица

Дата центри су међу највећим потрошачима електричне енергије у комерцијалном сектору, и они су примарни циљ програма енергетске ефикасности више од једне деценије. Погони са променљивом брзином постају све чешћи у инфраструктури за хлађење дата центара — расхладним уређајима, пумпе за расхлађену воду, вентилатори расхладног торња, и клима уређаји за рачунарску собу (ЦРАЦс) сви имају користи од рада са променљивом брзином, што драматично смањује потрошњу енергије мотора при делимичном оптерећењу у поређењу са алтернативама са фиксном брзином.[1]

Предност енергетске ефикасности ВСД-а је стварна и значајна. Али ВСД је 6-пулсно нелинеарно оптерећење које убризгава хармонијске струје у мрежу напајања. У дата центру са више великих ВСД-ова на систему за хлађење, кумулативно хармонијско оптерећење може бити значајно — а оптерећења центра података су међу најосетљивијима на изобличење напона. Напајања сервера, УПС системи, и прецизне контроле хлађења све боље раде на чистој снази.

У новом дата центру за канадску финансијску институцију у Барију, Онтарио, два приступа за ублажавање хармоника су распоређена на систему за хлађење: Мирус Линеатор АУХФ пасивни филтери на свим погонима пумпи за расхлађену воду, и уграђени паралелни активни хармонички филтер на 227 ХП цхиллер. У јулу 2012, АДМ Енгинееринг је ангажовао Мирус Интернатионал да спроведе упоредну теренску процену оба приступа у најгорим условима.[1]

Смоква. 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 ХП. Извор: Мирус Интернатионал.[1]

02 The Active Filter Result: Изненађујуће лоше перформансе

2.1 Како раде паралелни активни хармонијски филтери

Паралелни активни хармонијски филтер типа шанта повезује се паралелно са нелинеарним оптерећењем које ублажава. Континуирано мери струју оптерећења, издваја хармонијски садржај коришћењем дигиталне обраде сигнала, и убризгава једнаку и супротну хармонску струју у струјно коло - поништавајући хармонску струју оптерећења на тачки повезивања. У принципу, ово је потпун и прилагодљив приступ поништавању хармоника — за разлику од пасивних филтера, не зависи од подешене резонанце и реагује на промену хармонског садржаја у реалном времену.[2]

У пракси, перформансе у великој мери зависе од тачности и пропусног опсега тренутног сенсинга, брзина и прецизност ИГБТ комутације која генерише струју компензације, и пропусни опсег контролне петље. Ова ограничења постају очигледна у мерењима на терену — посебно при вишим хармонијским редовима и под различитим условима оптерећења.

2.2 Измерени резултати: активни филтер на хладњаку

При пуном оптерећењу хладњака, уграђени филтер активних хармоника произвео је измерену струју ТХДи прекорачење 12%. Ово је изненађујуће лош резултат за технологију која се продаје посебно за ублажавање хармоника. Када је оптерећење расхладног уређаја смањено, перформансе су додатно деградиране — ТХДи премашен 15% при условима смањеног оптерећења, са високофреквентним хармонијским компонентама јасно видљивим у тренутном таласном облику.[1]

Смоква. 2a. Филтер активних хармоника хладњака — пуно оптерећење. ТХДи = 12.1%. Хармонске компоненте високе фреквенције видљиве у спектру. Извор: Мирус Интернатионал.[1]

Смоква. 2б. Филтер активних хармоника хладњака — смањено оптерећење. ТХДи = 15.1%. Перформансе се смањују при делимичном оптерећењу — супротно од онога што захтева апликација за хлађење дата центра. Извор: Мирус Интернатионал.[1]

2.3 Зашто активни филтери деградирају при малом оптерећењу

Смањење перформанси активног филтера при смањеном оптерећењу је карактеристика технологије. При пуном оптерећењу, хармонијске струје су велике у односу на основне, чинећи их лакшим за прецизно осетење и ефикасно поништавање. При смањеном оптерећењу, основна струја је мања, хармонијске струје су мање у апсолутном износу, а однос сигнал-шум тренутног сенсинга се смањује. Тачност контролне петље се погоршава, компензација постаје мање прецизна, а садржај резидуалних хармоника — плус сопствени ИГБТ преклопни хармоници филтера — доминира мерењем ТХДи. Ово је супротно од онога што је потребно у систему хлађења дата центра, где оптерећења непрекидно варирају у широком опсегу.

03 Резултат пасивног филтера: ИЕЕЕ 519 Усклађеност у оквиру снабдевања генератором

Погони пумпи за расхлађену воду — сви опремљени пасивним филтерима Мирус Линеатор АУХФ — мерени су следећи под истим условима напајања дизел генератора. Резултати су се значајно разликовали од мерења активног филтера:[1]

• Напон ТХДв на улазним терминалима пумпе: 0.4%
• Тренутни ТХДи на улазним терминалима пумпе: 8%

Обе вредности су добро у оквиру ИЕЕЕ 519 Границе. The 0.4% ТХДв је изузетно чист резултат — чак и на услужном снабдевању би се сматрао одличним. То се постиже под напајањем дизел генератора, где је импеданса извора висока и очекује се да ће изобличење напона бити горе него на комуналној мрежи, показује да је хармонијско слабљење Линеатора ефикасно чак и под најизазовнијим условима извора.[1]

Смоква. 3a. Пумпа за хлађену воду са Линеатором АУХФ — изобличење напона. ТХДв = 0.4%. Мерено под напајањем дизел генератора. Извор: Мирус Интернатионал.[1]

Смоква. 3б. Пумпа за расхлађену воду са Линеатором АУХФ — изобличење струје. ТХДи = 8.0%. ИЕЕЕ 519 усаглашено у најгорем случају напајања генератором. Извор: Мирус Интернатионал.[1]

Капацитивна реактивна струја Линеатора АУХФ при малом оптерећењу је измерена на мање од 15% називне струје — у оквиру прихватљивог радног опсега за дизел генераторе дата центра. Ово је важна провера компатибилности генератора: пасивни филтери са великим батеријама кондензатора могу изазвати водеће услове фактора снаге који дестабилизују генераторске АВР системе. Ниско капацитивни реактивни садржај Линеатора избегава овај проблем, као што је такође показано у студијама случаја напајаних генератором раније у овој серији.

04 Хеад-то-Хеад: Пасивно вс. Активан у истом објекту

05 Перспектива квалитета електричне енергије: Шта ова студија случаја илуструје

5.1 Дата центри као окружење осетљиво на ПК

Дата центри представљају јединствену комбинацију хармонијског извора и хармоничке жртве у истом објекту. ВСД-ови система за хлађење су хармонијски извори. ИТ опрема — сервери, складиштење, умрежавање — садржи прекидачка напајања која су сама по себи нелинеарна оптерећења, а ова напајања су осетљива на квалитет напона напајања. Дата центар са лошим унутрашњим квалитетом напајања штети сопственим критичним оптерећењима.

ИЕЕЕ 519 ограничења стандарда на тачки заједничког спајања штите комуналну мрежу и суседне потрошаче. Унутар интерне дистрибуције центра података, релевантна брига је да ли изобличење напона из ВСД система за хлађење утиче на перформансе и поузданост ИТ опреме. The 0.4% ТХДв постигнут са Линеатор АУХФ под напајањем генератора је у суштини занемарљив — не намеће никакав мерљив стрес на доводне изворе напајања ИТ опреме.

5.2 Режими квара активног филтера — процена технологије

Активни хармонијски филтери се продају на основу прилагодљивости — они реагују на промену хармонског садржаја у реалном времену, за разлику од пасивних филтера подешених на специфичне хармонијске редове. Ова прилагодљивост је стварна и заиста вредна у неким апликацијама: системи где се хармонијски спектар непредвидиво мења, или где много различитих врста терета дели заједничку магистралу. Међутим, студије случаја центара података у Сан Антонију и Барију заједно сугеришу да конкретно, добро окарактерисане ВСД апликације, добро дизајниран пасивни филтер доследно одговара активним алтернативама или их надмашује по нижој цени и без нежељених ефеката буке ИГБТ пребацивања.

Деградација перформанси при малом оптерећењу примећена у активном филтеру је посебно релевантна за апликације за хлађење центара података, где расхладна оптерећења прате профил ИТ оптерећења и проводе значајно време при делимичном оптерећењу. Филтер који ради најлошије тачно када систем ради слабо оптерећен је лоше усклађен са радним циклусом ове апликације.

5.3 Резервно напајање генератора као тест хармонијског стреса

Одлука да се спроведе тестирање под резервним напајањем дизел генератора — а не на комуналном снабдевању — је методолошки исправна и вредна пажње. Дата центри су дизајнирани за непрекидан рад кроз нестанке комуналних услуга. Током периода рада на генератору, хармонично окружење је горе од нормалног. Ако се хармонијско ублажавање верификује само на комуналном снабдевању, не постоји гаранција да ће систем остати у складу са стандардима током периода напајаног генератором — тачно када је поузданост најкритичнија.

Ова студија случаја — последња у серији Мирус Интернатионал представљена на ИПКДФ — доноси пун круг колекције. Серија је отворена применама на нафтним пољима напајаним генератором где су хармонијски проблеми изазвали кварове опреме у даљинском, беспилотне инсталације. Затвара се проценом центра података тестираном генератором на супротном крају инфраструктурног спектра - критичном за мисију, урбан, ИТ-интензивна. Хармонска физика је идентична у оба окружења. Последица погрешног разумевања је другачија по обиму, не у натури.

Референце

1. [1] Мирус Интернатионал Инц., “Студија случаја Линеатор: Пасивни хармонички филтер вс. Активни филтер у дата центру,” Студија случаја апликације, Брамптон, Онтарио, Канада, 2012. Доступан: мирусинтернатионал.цом
2. [2] ИЕЕЕ Стд 519-2022, “ИЕЕЕ стандард за хармонијску контролу у електроенергетским системима,” ИЕЕЕ, Њујорк, НИ, 2022.