谐波与功率因数的重要性研究报告

前言 随着时代的发展，算力作为全社会数字化、智能化转型的工业粮食，而数据中心作为5G、人工智能、云计算、AIGC（生成式人工智能）、大模型应用等新一代信息和通信技术的重要载体，已经成为数字经济时代的基石，具有空前重要的战略地位。 随着数据中心的设备的增多，同时算力的加大，数据中心的发热量也大幅提升，为了保证服务器正常工作，精密空调就变得尤为重要。因为服务器的发热量增加，原来传统的空调的单位制冷量已经无法满足现今数据中心的温控要求，故而精密空调的制冷量和电能的需求也会大幅提升，如果我们依然保持原有的考核标准，整个机房中的谐波也会变得大幅提高，严重时会导致服务器宕机。 在此背景条件下，我们提出了谐波与功率因数的重要性这个话题展开研究，为数据中心的电源质量提供保障。 目录 一、谐波与功率因数的基本理论................................................................................1 （一）谐波的危害..............................................................................................1（二）谐波抑制的理论方法..............................................................................2（三）谐波与功率因数的关系..........................................................................3二、谐波抑制效果的评价方法....................................................................................4（一）现今的谐波效果评估方法......................................................................4（二）改善后的谐波效果评估方法..................................................................5三、未来抑制谐波的展望............................................................................................9（一）老旧设备更新换代的方式......................................................................9（二）全新建设机房的处理方式....................................................................10 图目录 图1谐波对功率因数的影响.......................................................................................4图2接线示意图..........................................................................................................5图3功能示意图..........................................................................................................6图4输入电流与谐波总理、功率因数关系图..........................................................7图5电源结构拓扑示意图..........................................................................................9图6方案示意图........................................................................................................10图7改进电源拓扑示意图........................................................................................10图8结构拓扑图........................................................................................................11 表目录 表1谐波抑制方法......................................................................................................3表2考核等级..............................................................................................................4表3两种方案对比表..................................................................................................6表4改善后考核方式..................................................................................................8表5限制值参考表......................................................................................................9 一、谐波与功率因数的基本理论 （一）谐波的危害 谐波是指频率为基波频率整数倍的电压或者电流成分，通常由非线性负载产生，例如，在整个数据中心的空调设备中，变频器，变频压缩机，变频风机，变频氟泵等都会产生一定的谐波，随着AI的诞生，数据中心对应算力的提升，对应用于降温的精密空调的冷量越来越大，功率也越来越大，而由空调系统产生的谐波也越来越大，从而迫使我们对谐波也有更高的抑制要求。 谐波在电力系统中容易对电力设备造成如下危害： 变压器过热：谐波电流会导致铁芯和绕组中产生附加损耗（涡流，磁滞损耗等），因为造成输入功率因数的下降，带来线路传输上面的热损也会增加甚至因为过热而损坏。 电缆绝缘老化：谐波电流的集肤效应会增加电缆发热，从而加速电缆表面的绝缘层的老化，严重情况下甚至会发生火灾或者短路。 电容器损坏：谐波可能引起电容器谐振，导致电流畸变或者电压畸变，从而引发过电流或者过电压，严重会让电容器鼓包，熔断甚至爆炸。 电机效率下降：谐波会导致电机振动加剧，温升增加，降低输出转矩和寿命。 电网电压畸变：谐波污染会导致输入电压的失真，从而影响整个电网中其他设备的正常运行。 中性线过载：谐波中的奇次谐波会在中性线叠加，可能导致中性 线的电流超过相电流，引起过电流误报警或者是过热引起火灾。 谐振问题：谐波会在系统中与电容/电感形成相互的谐振，从而导致电压或者电流的畸变，从而系统中引起局部的过电压或者过电流。 对于我们数据中心而言，服务器设备本身就是比较精密的设备，当谐波畸变严重时，会导致服务器的电源质量下降，甚至会导致服务器短时间宕机，以及对于大数据的传输过程中形成干扰，导致数据传输的错误。这是数据中心不可接受的危害。 从经济性的角度上考虑，因为谐波的上升，会导致功率因数的下降，在一定的功率下，线路上的电流会增加，从而导致线路的热损失会增加，电功率的利用率就会下降，导致了电费上升。因为热损失以及电流变大，会导致设备以及电缆的寿命也会下降，从而缩短了更换设备的周期，提高了更换成本。 （二）谐波抑制的理论方法 目前对于数据中心的精密空调的谐波抑制方法主要有四种： 整流后的DC侧PPFC：该方式是借助整流后的LC电路进行振荡从而抑制谐波，方式比较简单，抑制效果一般，在最大负载的情况下通常可以控制iTHD在30%左右，成本较低。目前是最主流的方式。 输入电源侧PPFC：该方式通过LC电流调整输入电源的电流电压相位角从而抑制谐波，方式简单，但是体积较大，安装空间限制，抑制效果相对较好，但是容易造成输入电压的压降，成本略高，通常可以控制iTHD在10~20%，目前定速空调的主流方式。 整流后DC侧APFC：该方式目前已经在单相220V供电中普遍 使用，可以实现iTHD控制在5%以内，但是在三相380V供电中目前还在初步的尝试中，相对成本有些高，同时对于散热有较高要求。 输入电源侧APFC：该方式通过智能负载计算和修正的方式改变电压和电流的相位从而抑制谐波，方式复杂，体积大，安装空间要求也高，抑制效果非常好，成本很高，通常可以控制iTHD在5%以内，目前对谐波要求高的场合的主流方式。 针对这四种方式，总结如下： （三）谐波与功率因数的关系 功率因数和谐波都是衡量电能质量的重要指标，两者密切相关，相互影响。一般我们会用如下计算公式来描述他们之间的关系： PF：真实的功率因数. THD：谐波总量. 从该关系上可以看出，当电源的相位在绝对理想时，如果谐波总量变大，那么功率因数也会下降，如下图： 如果谐波总量超过40%时，功率因数下降就会变得非常大，故而建议整机的谐波总量需要保证在40%以下，最好在30%以下为宜。 二、谐波抑制效果的评价方法 （一）现今的谐波效果评估方法 在数据中心对谐波的考核标准基本是基于额定标准工况下的谐波总量进行考核，目前考核的等级如下： 这种评估方式只是针对一个工况的情况下进行，但是如果使用PPFC的方式的话，对应非满载的情况下就会形成结果的背离，当一个现场如果有多台机组时，谐波的背离就会更加大，严重的时候可能会造成不可挽回的后果。 （二）改善后的谐波效果评估方法 针对上述的对应单一工况进行检测的方式，谷轮和我们的合作厂商进行了多方面的探讨，也在我们的客户端进行了多方面的测试，举例如下，按照普通的DC侧的PPFC的拓扑设计，具体接线图如下： 电源进入380Vac，通过滤波板进行安全过滤后，电源接入驱动板，而驱动板经过整流后接入DC侧电抗，然后经过功率模块驱动压缩机，具体功能示意图如下： 该方式就是电源进入整流桥后通过LC振荡电路进行修正，但是这种方式的缺点是随着输入电源的变化，整流后的LC振荡电路也会发生变化，故而对于谐波的抑制也变得有限。 便于大家理解，我们做了一个简单的实验，具体如下： 方案1：谷轮的变频器EVD3180B-D8-111+电抗2mH 方案2：谷轮的变频器EVD3180B-D8-111+电抗5mH 两种方案都是采用谷轮相同的变频器，接线方式也相同，唯一不同的是采用的这个DC侧的电抗的规格，从结果上根据电流和谐波总量（iTHD）的曲线关系，以及电流和功率因数的曲线关系，可以看出，电感的大小的变化对于相同电源质量的情况下，对应谐波和功率因数的结果是具有一致的方向，电感越大，对应的谐波值越小，功率因数也是越高的，同时电流越大，对于谐波的抑制也是越好的。 谐波总量（iTHD）会随着负载的减小而增大，这也验证了单独考核的缺陷，对于中间负载或者低负载时缺乏考核指标。故而提出改善后的考核方式： 根 据 系 统 的