Ответы на ваши вопросы: Искажение мощности, тихая угроза бесперебойной работе центра обработки данных

Анализ искажений мощности:

• Гармонические искажения становятся серьезной проблемой при проектировании центров обработки данных с высокой плотностью размещения, влияя на надежность системы, емкость и срок службы оборудования из-за перегрева, увеличения потерь и неправильной работы защитных устройств.
• Эффективный мониторинг и подавление гармоник требует как измерения, так и стратегии проектирования, помогая инженерам определять пороговые значения искажений, интерпретировать данные о качестве электроэнергии и внедрять решения, которые защищают время безотказной работы и электрическую инфраструктуру.

Цели обучения:

• Узнайте, как в современных электрических системах центров обработки данных возникают искажения мощности.
• Распознавайте предупреждающие знаки и измеримые показатели искажения мощности.
• Интерпретируйте данные измерений гармоник, чтобы определить, когда требуются корректирующие действия.
• Оцените влияние искажений электропитания на время безотказной работы, емкость и срок службы оборудования.

По мере увеличения плотности стоек и работы электрических систем ближе к расчетным пределам гармонические искажения становятся больше, чем просто показателем качества электроэнергии. Это становится проектным и эксплуатационным риском. Знание того, как снизить этот риск, как никогда важно при проектировании современных центров обработки данных.

В центрах обработки данных с высокой плотностью размещения гармонические искажения становятся серьезной проблемой. Предоставлено: ООО «МТЕ»

Хосе Гарсия, инженер-конструктор и руководитель лаборатории, и Аиша Баджва, инженер по эксплуатации, оба из MTE LLC, обсудили практические стратегии смягчения последствий и подходы к проектированию для контроля искажений мощности и защиты критически важной инфраструктуры.

После презентации зрители имели возможность задать вопросы экспертам. Ниже приведены некоторые основные моменты вопросов и ответов, охватывающие такие темы, как прогнозирование гармоник, активные фильтры гармоник и стратегии подавления гармоник.

Используется ли коэффициент мощности (PF) при измерении качества электроэнергии в центрах обработки данных? Если да, то каков средний коэффициент мощности нагрузки центра обработки данных?

Да, но одного PF недостаточно. В большинстве центров обработки данных используется коэффициент мощности с высоким смещением (~ 0,95–1,0), но коэффициент искажения может снизить общий коэффициент мощности до диапазона 0,9–0,98 в зависимости от гармоник.

На заводах десятилетиями использовались насосы, вентиляторы и охладители, не говоря уже обо всем, что есть на таких объектах, как сталелитейные заводы. Почему такой недавний акцент?

Нагрузки изменились. Старые системы были в основном линейными. Теперь у нас повсюду ЧРП, ИБП и импульсные источники питания, гораздо более высокий вклад гармоник и ужесточенные требования к надежности. Энергоэффективность побуждает все компоненты использовать VFD и ECM. В сочетании с общим объемом устанавливаемого оборудования это приводит к значительным проблемам с гармониками. Чем больше электронного оборудования, тем выше чувствительность к электрическим искажениям внутри системы.

Как рассчитать THD в центре обработки данных?

Используя однолинейную схему объекта, MTE может проводить исследования гармоник для оценки гармоник в центре обработки данных. Гармоники также можно измерить в центре обработки данных с помощью измерителя качества электроэнергии. Измерьте форму сигнала тока и рассчитайте:
THDi = √(I₂² + I₃² + …)/I₁ 

Большинство измерителей качества электроэнергии могут напрямую измерять THD.

Как мы можем предсказать гармоники в нагрузке?

Для некоторого оборудования, используемого в Европе, характеристики гармонического тока могут быть предоставлены производителем. Компания MTE измерила гармоники во многих нагрузках системы отопления, вентиляции и кондиционирования и имеет оценки THID для каждой из них (чиллеры 35 %, насосы 40 %, вентиляторы EC 40 %)

Рекомендует ли MTE и предоставляет трансформаторы со степенью гармоник, т. е. трансформаторы с рейтингом K?

Хотя MTE не предоставляет преобразователи скорости, они могут быть полезны для устранения нагревательных эффектов гармоник, но не уменьшают гармоники. Это решение для обеспечения живучести, а не решения для смягчения последствий.

Помимо резонансов, оказывается, что во многих случаях несколько активных фильтров гармоник в одной и той же системе работают друг против друга. Как предотвратить взаимодействие AHF ИБП с AHF чиллера?

Это может произойти, когда оба фильтра пытаются ослабить одни и те же гармонические токи. Эту проблему можно решить с помощью логики управления. Активные фильтры ниже по потоку должны включаться и выполнять фильтрацию до фильтров выше по потоку. Это позволяет входному AHF обрабатывать только оставшийся гармонический ток.

Почему эта проблема не решена на уровне компонента? Примерно 30 лет назад светотехническая промышленность перешла от электромагнитных балластов к электронным балластам, стандартизируя балласты с очень низкими искажениями (10-20% iTHD) и очень высоким коэффициентом мощности (98-99%), сохраняя при этом низкие затраты (~ 0,05 доллара США/Вт). Кажется, что преобразователи мощности на периферийном оборудовании центра обработки данных можно было бы использовать с сопоставимыми преобразователями мощности по разумной цене и полностью устранить эту проблему.

Это функция стоимости + изменчивости системы. Некоторое оборудование уже имеет приводы с низким коэффициентом нелинейных искажений, но не повсеместно, а взаимодействия на системном уровне (импеданс, резонанс) по-прежнему требуют смягчения.

На каком этапе проектирования вы бы рекомендовали учитывать гармоники?

Идеальное время для рассмотрения гармоник — проектирование электрических и механических систем. Мы видим все больше и больше клиентов, которые не обратили внимание на гармоники заранее и расплачиваются за это. Добавление гармоничных решений в объект после его проектирования и строительства может оказаться сложной задачей. Механическое пространство и электрическая инфраструктура являются ключевыми ограничениями, которые легче устранить заранее. Кроме того, добавление этих решений при одновременном ограничении простоев оборудования может быть практически невозможным.

Каково максимальное падение напряжения на фильтре подавления гармоник?

Обычно 2–5 % при полной нагрузке.

У меня есть распределительный центр, в котором есть 60 распределительных панелей для погрузочно-разгрузочных работ, каждая из которых обслуживает двигатели мощностью половинной мощности (л.с.), каждый из которых имеет ЧРП на каждом двигателе. Я бы предположил, что мне нужно будет поставить фильтр гармоник перед каждой распределительной панелью. Какой тип файла будет лучшим? И как подобрать размер фильтра?

Эта ситуация выглядит как идеальное применение для активного фильтра гармоник. Чтобы определить наилучшее место для установки AHF MTE, мы можем просмотреть чертеж системы.

Для приложения центра обработки данных с искусственным интеллектом, где ИТ-оборудование обновляется каждые ~3–5 лет, как задать фильтрацию гармоник, которая будет действовать в течение эффективного срока службы здания? Или вам необходимо перепроектировать фильтрацию гармоник при каждой реконфигурации ИТ-нагрузки?

Многие нагрузки, создающие гармоники в центре обработки данных, связаны с охлаждающим оборудованием (чиллерами, насосами, вентиляторами, блоками CDU). Это оборудование, скорее всего, будет менее динамичным, чем ИТ-оборудование. Если к существующему центру обработки данных добавляется дополнительное оборудование, необходимо учитывать гармоники.

Есть ли способ предсказать ожидаемые гармонические искажения в проекте здания? Как мы узнаем, когда необходим фильтр гармоник?

Если моделирование или практические правила предполагают, что ограничения IEEE 519 могут быть превышены (низкий коэффициент короткого замыкания + высокая нелинейная нагрузка), запланируйте меры по смягчению последствий.

Каково место динамического ИБП в борьбе с искажениями?

Хотя некоторые системы ИБП могут изолировать гармоники от вышестоящей энергосистемы, гармоники все равно могут оказывать негативное воздействие на нижестоящую сеть (перегрев проводов, неисправности и отказы оборудования).

Проблема гармоник электроэнергии существует всегда, и я понимаю, что электроэнергия и человеческий фактор являются основными причинами отключений электроэнергии. Станет ли эта проблема более критичной из-за развертывания искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений?

Проблема стала более острой, главным образом из-за масштаба. Количество энергии, потребляемой центрами обработки данных AI, намного выше, чем предыдущие центры обработки данных. Это приводит к большему вниманию к эффективности, что приводит к увеличению количества ЧРП, генерирующих больше гармоник.

Является ли хорошей практикой дополнение фильтров гармоник устройствами защиты от перенапряжений?

Да, хорошая практика. Различные функции: SPD = защита от переходных процессов, фильтр = установившиеся искажения.

Что является основным источником гармоник в оборудовании HVAC: преобразователи частоты или двигатели?

В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха гармоники обычно вызывают частотно-регулируемые приводы, а не двигатели. Некоторые двигатели имеют встроенные частотно-регулируемые приводы. Их называют электронно-коммутируемыми двигателями (ECM).

Похоже, что поставщики оборудования не могут предоставить данные о гармонических выбросах. Откуда вы берете данные для учета гармоник во время проектирования перед измерением фактической установки?

Нам посчастливилось измерить гармоники во многих различных типах нагрузок и использовать эту информацию для оценки гармоник для конкретных типов оборудования. Оценки могут быть сделаны с использованием типичных характеристик привода + моделирования + консервативных допущений.

Можно ли рассчитать частоты гармонического резонанса или их необходимо измерить?

Их можно рассчитать (сканирование импеданса), но для подтверждения часто требуется измерение поля.

Как проводится исследование мощности гармоник? Или это только измеряется на ПКК или на отдельном оборудовании?

Используя однолинейную схему объекта, MTE может проводить исследования гармоник для оценки гармоник в центре обработки данных. MTE располагает данными о многих различных типах гармонических нагрузок и использует эту информацию для оценки гармоник. Гармоники также можно измерить в центре обработки данных с помощью измерителя качества электроэнергии.

Как определить размер и выбрать правильный AHF?

Размер основан на гармоническом токе (а не токе нагрузки). Типично: 30–50 % тока нелинейной нагрузки, но должно быть подтверждено исследованием.

Когда в процессе проектирования центра обработки данных лучше всего провести исследование гармонического анализа? Следует ли это выполнять во время разработки проекта до закупки оборудования или это более целесообразно позднее, во время ввода в эксплуатацию, когда будут доступны данные о фактической нагрузке?

Идеальное время для рассмотрения гармоник — проектирование электрических и механических систем. Мы видим все больше и больше клиентов, которые не обратили внимание на гармоники заранее и расплачиваются за это. Добавление гармоничных решений в объект после его проектирования и строительства может оказаться сложной задачей. Механическое пространство и электрическая инфраструктура являются ключевыми ограничениями, которые легче устранить заранее. Кроме того, добавление этих решений при одновременном ограничении простоев оборудования может быть практически невозможным.

Связаны ли гармоники с LEAD | ЛАГ – коэффициент мощности  – VARS в энергосистемах?  Если вы управляете одним – это влияет на другое?

Гармоники и коэффициент опережения/запаздывания связаны, но различны. VAR влияют на коэффициент мощности смещения (основной), тогда как гармоники влияют на коэффициент искажения. Исправление одного не исправляет другое.

Каковы лучшие методы прогнозирования/моделирования гармоник?

Для моделирования поток гармонической нагрузки + частотное (импедансное) сканирование с использованием детального моделирования системы (ETAP, SKM, PSCAD)

Но на практике поток гармонической нагрузки → рассчитывает ожидаемый коэффициент нелинейных искажений на основе смоделированных источников (ЧРП, ИБП и т. д.)

Сканирование частоты/импеданса → определяет резонансные точки в системе

Моделирование на основе устройств → использует фактические гармонические спектры или типичные профили для оборудования

Какой уровень распределения (СН, НН, уровень стойки) вы бы порекомендовали для оптимального подавления гармоник?

Обычно распространение LV. Гармоники следует устранять как можно ближе к источнику гармоник.

Кажется, эти слайды посвящены архитектуре облачного центра обработки данных. Изменится ли что-нибудь из представленного в зависимости от рабочих нагрузок ИИ и гармоник, которые могут возникнуть при развертывании центров обработки данных ИИ?

Основы те же, но рабочие нагрузки искусственного интеллекта увеличивают плотность мощности и динамическую нагрузку, что может повысить уровень гармоник, поэтому снижение и проектирование качества электроэнергии становятся более важными, а не разными.

Всегда ли рекомендуется запрашивать фильтры гармоник у производителя, если чиллеры оснащены частотно-регулируемым приводом?

Поскольку нагрузки на охладитель очень велики, очень часто приходится устранять гармоники на каждом охладителе. Это можно сделать, добавив требования к характеристикам чиллера. Гармоники чиллера также можно учитывать на уровне системы, однако это встречается реже.

Какова максимальная номинальная сила тока этих активных фильтров Syntrix на уровне распределительного устройства?

К одному активному фильтру мы можем подключить до 16 модулей по 150 А с общим током корректировки 2400 А.

Нужны ли фильтры гармоник для чиллеров, оснащенных преобразователями частоты?

Не требуется в каждом случае, но чиллеры с ЧРП являются основным источником гармоник. В большинстве случаев вам придется смягчить эти гармоники. Если система имеет высокую нагрузку ЧРП или должна соответствовать ограничениям IEEE 519, обычно требуется подавление гармоник (реакторы, приводы с низким уровнем гармоник или фильтры).

Не могли бы вы объяснить взаимосвязь между током короткого замыкания системы и током нагрузки?

Ток короткого замыкания отражает мощность системы, а ток нагрузки — потребность. Их соотношение (Isc/IL) показывает, насколько жесткая система, а более высокое соотношение означает более сильную систему и, как правило, более низкое гармоническое воздействие.

Я всегда понимал, что резонанс — это точка, в которой гармонические волны строятся сами по себе; Не могли бы вы объяснить, как выглядит резонанс с волновой точки зрения?

Резонанс = система продолжает «толкаться» точно в нужный момент, поэтому каждая новая волна приземляется поверх предыдущей и увеличивает амплитуду.

Публикация, на которую вы ответили на вопросы: «Искажение мощности, тихая угроза безотказной работе центра обработки данных»,