被动 vs. 数据中心的有源谐波滤波器: 实地比较 — Mirus International
| 设施 | 数据中心——加拿大金融机构, 巴里, Ontario |
| 检测委托 | ADM工程 / Mirus 国际 — 七月 2012 |
| 测试条件 | 柴油发电机备用电源 (最坏情况的弱源) |
| 无源滤波器负载 | 冷冻水泵— 430 总生命值, 每个 VSD 上的 Lineator AUHF |
| 有源滤波器负载 | 227 高压冷水机组——内置并联有源谐波滤波器 |
| 被动结果——THDv | 0.4% |
| 无源结果 — THDi | 8% |
| 有效结果 — THDi (满载) | > 12% |
| 有效结果 — THDi (减少负载) | > 15% |
| IEEE 519 遵守 | 被动的: 是的. 积极的: 不. |
01 操作环境: 数据中心中的 VSD 及其谐波后果
数据中心是商业领域最大的电能消耗者之一, 十多年来，它们一直是能源效率计划的主要目标. 变速驱动器在数据中心冷却基础设施（冷水机）中变得越来越普遍, 冷冻水泵, 冷却塔风机, 和机房空调 (机房空调) 一切都受益于变速运行, 与定速替代方案相比，可显着降低部分负载下的电机能耗.[1]
VSD 的能效优势是真实且巨大的. 但 VSD 是一种 6 脉冲非线性负载，它将谐波电流注入供电网络. 在冷却系统上有多个大型 VSD 的数据中心, 累积谐波负载可能很大，而数据中心负载是对电压畸变最敏感的负载之一. 服务器电源, 不间断电源系统, 和精密冷却控制均在清洁能源上表现更好.
加拿大一家金融机构位于巴里的新数据中心, Ontario, 冷却系统采用了两种谐波抑制方法: 所有冷冻水泵驱动器均配备 Mirus Lineator AUHF 无源滤波器, 以及内置并联有源谐波滤波器 227 高压冷水机. 七月 2012, ADM Engineering 聘请 Mirus International 在最坏情况条件下对两种方法进行现场比较评估.[1]
无花果. 1. Lineator AUHF 和 VSD 安装在巴里数据中心的冷冻水泵上. 线性器应用于所有冷冻水泵驱动器总计 430 HP. 源: 米鲁斯国际.[1]
02 主动过滤结果: 表现出奇的糟糕
2.1 并联有源谐波滤波器的工作原理
并联型并联有源谐波滤波器与其要减轻的非线性负载并联. 它连续测量负载电流, 使用数字信号处理提取谐波含量, 并向电源电路注入相等且相反的谐波电流——抵消连接点负载的谐波电流. 原则, 这是一种完整的自适应谐波消除方法——与无源滤波器不同, 它不依赖于调谐谐振，并且实时响应变化的谐波含量.[2]
在实践中, 性能主要取决于电流检测的精度和带宽, 产生补偿电流的 IGBT 开关的速度和精度, 和控制环路的带宽. 这些限制在现场测量中变得明显 - 特别是在高次谐波和变化的负载条件下.
2.2 测量结果: 冷水机上的有源过滤器
制冷机满负荷时, 内置有源谐波滤波器产生的测量电流 THDi 超过 12%. 对于专门用于谐波抑制的技术来说，这是一个令人惊讶的糟糕结果. 当冷水机负载减少时, 性能进一步下降 — THDi 超出 15% 在减少负载的情况下, 电流波形中高频谐波成分清晰可见.[1]
无花果. 2一. 冷水机有源谐波滤波器 — 满载. 总谐波失真 = 12.1%. 频谱中可见高频谐波分量. 源: 米鲁斯国际.[1]
无花果. 2b. 冷水机有源谐波滤波器 — 减少负载. 总谐波失真 = 15.1%. 部分负载时性能会下降——与数据中心冷却应用所需的相反. 源: 米鲁斯国际.[1]
2.3 为什么有源滤波器在轻负载下性能会下降
该技术的一个特点是负载减少时有源滤波器性能下降. 满载时, 谐波电流相对于基波电流较大, 使它们更容易准确感知并有效消除. 减少负载时, 基波电流较小, 谐波电流的绝对值较小, 电流检测的信噪比降低. 控制回路精度恶化, 补偿变得不太精确, 和残余谐波含量——加上滤波器自身的 IGBT 开关谐波——主导 THDi 测量. 这与数据中心冷却系统所需的相反, 负载在很大范围内连续变化.
03 无源滤波器结果: IEEE 519 发电机供电合规性
接下来，在相同的柴油发电机供电条件下对冷冻水泵驱动器（全部配备 Mirus Lineator AUHF 无源滤波器）进行测量. 结果与有源滤波器测量结果明显不同:[1]
- 泵输入端子电压 THDv: 0.4%
- 泵输入端子处的电流 THDi: 8%
这两个值都在 IEEE 范围内 519 范围. “ 0.4% THDv 是一个非常干净的结果 - 即使使用公用事业电源，它也会被认为是优秀的. 在柴油发电机供电下实现, 源阻抗较高且电压失真预计会比公用电网更严重的情况, 证明即使在最具挑战性的源条件下，Lineator 的谐波衰减也是有效的.[1]
无花果. 3一. 带 Lineator AUHF 的冷冻水泵 — 电压失真. 总谐波失真 = 0.4%. 在柴油发电机供电下测量. 源: 米鲁斯国际.[1]
无花果. 3b. 带 Lineator AUHF 的冷冻水泵 — 电流失真. 总谐波失真 = 8.0%. IEEE 519 符合最坏情况发电机供电的要求. 源: 米鲁斯国际.[1]
Lineator AUHF 轻负载时的容性无功电流在小于 15% 额定电流——完全在数据中心柴油发电机可接受的工作范围内. 这是重要的发电机兼容性检查: 具有大型电容器组的无源滤波器可能会导致导致发电机 AVR 系统不稳定的功率因数状况. Lineator 的低电容电抗含量避免了这个问题, 正如本系列前面的发电机供电案例研究中所证明的那样.
04 正面交锋: 被动 vs. 在同一设施中活跃
| 范围 | 冷水机 — 有源滤波器 (内置) | 冷冻水泵 — 无源 Lineator AUHF |
|---|---|---|
| THDi——满载 | > 12% | 8% |
| THDi — 减少负载 | > 15% | 8% (持续的) |
| 终端 THDv | 未指定 | 0.4% |
| 高频噪声 | 现状 — IGBT 开关制品 | 无 — 无有源开关元件 |
| IEEE 519 遵守 | 不 | 是的 |
| 发电机兼容性 | 未知 — 高频噪声风险 | 确认的 - <15% 轻载时容性无功 |
| 性能对比. load | 轻负载时性能下降 | 在整个负载范围内保持一致 |
05 电能质量视角: 这个案例研究说明了什么
5.1 数据中心作为 PQ 敏感环境
数据中心在同一设施中呈现出谐波源和谐波受害者的独特组合. 冷却系统 VSD 是谐波源. IT设备——服务器, 贮存, 网络——包含本身就是非线性负载的开关电源, 这些电源对电源电压质量很敏感. 内部电能质量较差的数据中心正在损害其自身的关键负载.
在IEEE 519 标准在公共耦合点的限制保护公用事业网络和邻近客户. 数据中心内部分布, 相关问题是冷却系统 VSD 的电压畸变是否会影响 IT 设备的性能和可靠性. “ 0.4% 在发电机供电下使用 Lineator AUHF 实现的 THDv 基本上可以忽略不计 — 它不会对下游 IT 设备电源造成可测量的压力.
5.2 有源滤波器的失效模式——技术评估
有源谐波滤波器的营销基础是适应性——它们实时响应不断变化的谐波含量, 与调谐到特定谐波次数的无源滤波器不同. 这种适应性在某些应用中是真实且真正有价值的: 谐波频谱变化不可预测的系统, 或者许多不同类型的负载共享公共总线的情况. 然而, 圣安东尼奥和巴里数据中心的案例研究表明，在具体, 特性良好的 VSD 应用, 精心设计的无源滤波器始终能够以更低的成本匹配或优于有源替代品，并且没有 IGBT 开关噪声副作用.
有源滤波器中观察到的轻负载性能下降与数据中心冷却应用尤其相关, 其中冷却负载遵循 IT 负载曲线并在部分负载下花费大量时间. 当系统轻载运行时，滤波器性能最差，与该应用的占空比不匹配.
5.3 发电机备用电源作为谐波应力测试
在柴油发电机备用电源（而不是公用事业电源）下进行测试的决定在方法上是正确的，值得注意. 数据中心专为在公用事业中断时持续运行而设计. 在发电机供电运行期间, 谐波环境比正常情况更差. 如果仅在公用电源上验证谐波抑制, 无法保证系统在发电机供电期间保持合规性——正是在可靠性最关键的时候.
本案例研究是 IPQDF 上展示的 Mirus International 系列的最后一篇，使该系列完整地呈现出来. 该系列从发电机供电的油田应用开始，其中谐波问题导致远程设备故障, 无人装置. 最后以基础设施范围另一端的发电机测试数据中心评估结束——关键任务, 城市的, IT密集型. 两种环境中的谐波物理原理是相同的. 犯错的后果是不同程度的, 不是实物.
参考文献
- [1] 米鲁斯国际公司, “线性器案例研究: 无源谐波滤波器与. 数据中心的有源滤波器,” 应用案例研究, 布兰普顿, Ontario, 加拿大, 2012. 可用的: mirusinternational.com
- [2] IEEE StD里 519-2022, “电力系统谐波控制 IEEE 标准,” IEEE, 纽约, 纽约, 2022.