大型数据中心谐波治理方案的研究

论文摘要

近年来,我国数据中心已经成为一种产业,从前期的规划设计到后期的运行维护都越来越专业化。数据中心的容量日益增大,数据中心大楼建成独立的、专用的建筑已成为潮流。数据中心大楼自规划时功能就有别于一般民用建筑。内部大容量UPS组的应用,导致其产生的谐波成为影响数据中心安全稳定运行的最大危害。本文首先阐述了UPS产生谐波的原因及其特征值,以及谐波在数据中心这个特定环境中的危害。由于数据中心主要为IT设备提供运行场地,其谐波产生的危害与一般民用建筑或工厂有较大差异。其次,本文对不同整流方式的UPS谐波实测数据进行对比和分析。阐述不同类型的UPS谐波产生的机理以及谐波频谱差异。对新一代IGBT整流UPS的技术原理做了阐述,对比分析IGBT整流UPS与可控硅整流UPS的可靠性。第三,本文介绍了目前应用在数据中心UPS的三种普遍的整流技术原理,分别是6脉冲整流UPS、12脉冲整流UPS和IGBT整流UPS。理论计算结合本人多年项目上的实际测量数据积累,对比这三种UPS的谐波指标值,得出实际案例中上述三种UPS的输入谐波依次降低的结论。但由于IGBT UPS可靠性低于可控硅整流UPS以及大容量IGBT UPS仍然需要多机并联,且大功率IGBT UPS应用较少。所以谐波治理方案的选择还必须结合应用场景、项目投资、安装场地条件和系统可靠性等多方面因素,而不能单纯的追求治理效果的最佳。最后,在本人参与的多个大型项目中,经验得出多机并联UPS系统因为通过多台UPS组合解决单机UPS整流器移相配置的复杂性,而有更多的搭配组合。这些组合也为多机UPS并联方案提供了更多的选择。通过对各种组合应用的分析,对比了谐波抑制效果、负载率匹配性等性能指标,并形成N+1和2N不同并机系统的参考模型。这些模型也为大型数据中心在规划阶段提供快速方案选型提供了理论工具。研究尝试对比分析一些符合我国数据中心建设项目特点的UPS谐波治理方案,通过理论计算和测试,汇总得出一些结论,为广大的数据中心设计人员提供多种UPS谐波治理方案参考模型,加快我国数据中心产业发展速度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 UPS 技术发展概况
• 1.1.1 UPS 技术的发展
• 1.1.2 UPS 技术发展趋势
• 1.2 数据中心建设工程中的 UPS 的谐波治理设计及实施现状
• 1.2.1 UPS 厂家宣传夸大
• 1.2.2 UPS 标准不完善
• 1.2.3 数据中心设计观念没有转变
• 1.2.4 建设单位不重视
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 UPS 产生的谐波危害
• 2.1 数据中心中谐波产生的原因
• 2.2 谐波的特征值
• 2.2.1 谐波的有效值（ rms ）
• 2.2.2 总电流有效值
• 2.2.3 各次谐波的含量
• 2.2.4 电压和电流的谐波失真度
• 2.2.5 峰值因数（CREST FACTOR）
• 2.2.6 谐波电流的频谱
• 2.2.7 功率因数（POWER FACTOR）
• 2.2.8 失真因数（DISTORTION FACTOR）
• 2.2.9 功率
• 2.3 谐波对数据中心运行环境的危害
• 2.3.1 视在功率的损失
• 2.3.2 电缆中的温度升高
• 2.3.3 中线电流增大
• 2.3.4 自污染负载
• 2.3.5 损坏电容
• 2.3.6 变压器降容（DERATING）
• 2.3.7 骚扰发电机的运行
• 2.3.8 异步电动机损耗增大
• 2.3.9 谐波对电磁型继电器的影响
• 2.3.10 对其它设备的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 数据中心 UPS 的整流技术
• 3.1 6 脉冲可控硅整流 UPS
• 3.1.1 6 脉冲整流原理
• 3.1.2 6 脉冲整流 UPS 谐波实测值
• 3.2 12 脉冲可控硅整流 UPS
• 3.2.1 12 脉冲整流原理
• 3.2.2 12 脉冲整流 UPS 谐波实测值
• 3.3 IGBT 整流 UPS
• 3.3.1 IGBT 整流原理
• 3.3.2 IGBT 整流 UPS 实测值
• 3.4 本章小结
• 第四章 单台 UPS 谐波治理方案的比较
• 4.1 UPS 谐波治理方案
• 4.1.1 6 脉冲整流+LC 无源滤波（5 次谐波治理）
• 4.1.2 12 脉冲整流器+LC 滤波器
• 4.1.3 UPS+有源滤波器
• 4.1.4 UPS+有源-无源混合式并联滤波
• 4.2 谐波治理方案对比分析
• 4.2.1 谐波抑制效果
• 4.2.2 负载率匹配性
• 4.2.3 功率因数
• 4.2.4 成本
• 4.2.5 效率
• 4.2.6 可靠性
• 4.2.7 结论
• 4.3 本章小结
• 第五章 大型数据中心 UPS 谐波治理方案的应用
• 5.1 多机并联 UPS 谐波治理方案
• 5.1.1 多脉冲移相整流
• 5.1.2 12 脉冲带原边移相整流
• 5.1.3 UPS+无源滤波器
• 5.1.4 UPS+有源-无源混合式滤波器
• 5.1.5 混合滤波器组合其他整流方式
• 5.2 大型数据中心多机并联 UPS 谐波治理方案的应用
• 5.2.1 N+1 冗余并机
• 5.2.2 2N 冗余并机
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录