高密度算力时代下谐波与功率因数的重要性

随着数据中心的设备增多，同时算力加大，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。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。

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算力的发展，数据中心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。

从经济性上考虑，谐波上升会导致功率因数下降，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%~40%，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，如图1：

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。

未来抑制谐波的展望

（一）老旧设备更新换代的方式

随着算力的增强，对于原有的老旧机房，特别是还有一些机房是采用的定速压缩机的精密空调系统，因为电源布局不可轻易改变，在这样的背景下，主要可以从两个方面进行改进。

第一方面，采用外置的有源或者无源滤波器对电源侧进行修正，这样可以将谐波控制在5%~20%，主要的挑战是对于电控箱的空间要求非常高，而且成本上升很高，具体电源结构拓扑如下：

图 2 电源结构拓扑示意图

第二方面，随着变频器技术的提高，目前大家都在突破三相380V供电的APFC的集成方案，这样的话可以大幅降低成本，同时减少安装的空间，目前该方案正处于前沿测试研究阶段，本方案通过双MCU和电源模块并行的方式，一个模块用于控制直流变频压缩机，另一个模块用于控制DC侧的电源修正，这样可以从根本上对谐波进行全方位的修正，从而实现全功率段的谐波总量的控制，目前测试的结果显示可以控制在3.5%左右。

图 3 方案示意图

未来几年，这种方式将可能成为主要的改造工程的重要方式之一。电源结构拓扑如下：

图 4 改进电源拓扑示意图

这个方案成熟以后，必然在成本上会有大幅下降，同时不会对场地有过高要求，对于老旧机房的改建将会有极大的意义和作用。

（二）全新建设机房的处理方式

在数据中心，目前也出现了以DC直流供电的电源构架，分别有540Vdc和750Vdc的两种电源供电模式，该方式对于整体数据中心内部，电缆的铺设会变得更加简洁，能源传输的损耗低等特点，在长距离的交流电10KV进入时，便开始对整个电源进行处理，从而从根本上解决了谐波的问题。具体结构拓扑如下：

图 5 结构拓扑图

而对于精密空调而言，这种供电方式还是一种比较有创新的一种形式，短时间内整个供应链还不够完整，故而还需要一些时间给到各级的供应商进行开发整合，对整个精密空调的核心部件，变频压缩机而言，本身原有的变频器就是交流电经过整流变为直流，然后通过功率模块控制变频压缩机，故而目前的变频压缩机就可以兼容这种DC供电的方式。但是对于变频器而言，可以进行降成本的设计，前端的交流转直流的部分完全可以省略，只是需要做好电源冲击就好，从整体上结果更简单，成本更低，体积更小。

作者：谷轮变频市场开发高级经理 赵贤强

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