四川成都中联宏信勘察设计有限公司 王开春 610095
摘要：本文介绍了某金融系统数据中心6脉冲UPS谐波治理的方案设计，为其他数据中心建设提供借鉴和参考
关键词：谐波治理、6脉冲整流UPS、数据中心
1概述
低压供电网络中，常见谐波源主要有换流设备、电弧炉、铁芯设备、照明设备等非线性电气设备。数据中心中，最常见的谐波源为不间断电源（UPS）系统，其中，谐波含量最大的为6脉冲整流UPS。
谐波电流对供配电系统安全运行的影响很大，数据中心大量使用UPS或通信电源，在此环境下，主要危害可能有：与电力网的分布电容组合，在一定频率下，可能存在并联或串联的谐振条件，造成危险的过电压或过电流，往往引起电容器熔丝熔断或造成损坏；谐波电流使变压器铜损增加；输电线路感抗随频率升高增加，谐波产生损耗加大；谐波含量较多将使断路器的遮断能力降低，使之不能正常工作等。
本文主要针对三相6脉冲整流UPS负荷，分析其谐波影响以及提出解决方案。
2.三相6脉冲全波整流负载谐波分析
由基本电路我们知道，当整流电路滤波电抗足够大，不计换相重叠角且控制角为零时（非相控），特征谐波次数hc按下式计算
Hc=kp±1
式中，k为整数1,2,3,4，……；
P为整流电路的脉动数：单相半波为1，单相全波或桥式为2，三相零式为3，三相全波为6，六相全波为12。
据此，对6脉冲全波整流UPS负载而言，它向电网反馈的各次谐波中，主要为特征谐波次数为5,7次谐波。并不含3次谐波及3次谐波奇数倍的电流谐波分量，其中，5次谐波是它最大的电流谐波分量，其次为7次谐波分量。其它的各高次kp±1谐波，随k增加而显著下降。
下表为6脉冲整流器负荷电流的谐波次数、谐波电流及含量理论最大值和工程实测值。
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注：1.实测值所用仪表珠海格锐（型号GR100），UPS为施耐德400kUPS（型号G6000），负荷率约为22%，所有值为日内均值,（24小时，每分钟采集1次）
2.理论值出处：《工业与民用供配电设计手册》（第四版）P495
上表印证了6脉冲全波整流UPS反馈到输入电源上最大谐波分量确为5次及7次。
表中实测值谐波含量比理论值大的原因主要有2点：
a.UPS设备中还含有除整流器外如IGBT逆变器等其他非线性元件；
b.另外，负载率偏小也是原因之一。根据厂家提供测试数据表明，输入电流谐波分量THDi同与UPS负载率密切相关。负荷率越小，THDi越大，反之，随着负荷率上升，THDi会变小。
3. 三相6脉冲全波整流负载谐波治理对比
减小谐波影响应对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施。
中国建设银行云南省分行数据中心分期上了2组4台400kUPS，第一期A组2台UPS我们为其配置了4台60A有源滤波器(即每台400kUPS配置120A有源滤波器)，在第一期实践基础上，第二期我们为B组2台配置了2套有源滤波（60A）+5次LC无源滤波器的方案。
该数据中心UPS输入配电结构图见插图：
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插图：UPS输入配电结构图
并联型的LC无源滤波器，由于SCR相控整流的特点，直接整流会产生大量的5次谐波。配置5次谐波滤波器，即用于吸收250Hz的谐波，如果是12脉冲整流的UPS，可配置11次谐波滤波器，即用于吸收550Hz的谐波。
a.治理效果对比
表2
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注：实测值所用仪表珠海格锐（型号GR100），UPS为施耐德400kUPS（型号G6000），平均单台UPS负荷率约为16%，所有值为日内均值,（24小时，每分钟采集1次）
两套方案均能有效降低UPS输入谐波，将UPS输入THDi降至允许范围内。
需要注意的是，由于该数据中心配电系统保障性较高，采用双总线配电，单台UPS负荷率较低。B组UPS谐波治理方案中，由于无源滤波器的存在，当UPS负载较小时，使得UPS输入呈现容性（本项目数据中心位于办公大楼内，办公大楼负荷多为感性负载，因此，此处呈容性影响不大），有较大的无功电流，因此，我们配置的G400滤波器前设置一个接触器，当UPS负载率超过10%时，无源滤波器投入运行，小于10%时可将无源滤波器切除，以降低无功电流。
b.经济对比
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可以看出，带5次无源滤波器的方案稍便宜一点。在同等条件下，建议优先采用。
4.结束语
总的说来，无论采用哪种型式的滤波器，6脉冲整流UPS的治理费用总是较高。有源滤波设备虽然可以补偿非线性电器元件产生的谐波，但对谐波本身没有减幅的作用，同时本身也是功率消耗产品。因此，当对谐波要求环境较高时，只要可能，应尽量避免使用6脉冲整流UPS。
随着电力电子领域技术的不断发展，UPS技术也不断得以提升。传统的工频6脉冲整流UPS已逐步被IGBT高频整流UPS替代。高频整流器因为采用了有源功率因素校正技术，输入电流谐波能控制得很好，从源头上控制了谐波的产生。
另外，采用同样有有源功率因素校正技术的HVDC高压直流替代UPS作为计算机电源也是一种方案，目前已在我国IDC数据中心领域广泛采用。