大型直流整流器、不间断电源系统和发电机组等发电设备的出现，也使得为满足当前需求而设计的设备种类大大增加。.
与此同时，企业对这些电子设备的依赖程度日益加深，这些设备也变得越来越复杂，有时更容易受到电力质量差的影响，而电力质量差主要是由配电网络中的谐波引起的，这些谐波主要产生于我们自身的设施内。
然而，所有这些上述负载在数据中心中都特别集中和放大，数据中心根据其规模有不同的名称。
拥有 1 到 5 个机架的设施被称为技术机房或数据机房；小型数据中心拥有 5 到 20 个机架；中型数据中心拥有 20 到 100 个机架；大型数据中心则拥有超过 100 个机架。
为了更好地了解数据中心可能发生的情况，我们应该分析图 1 所示的数据中心单线图。
我们可以看到，产生电流谐波的电子负载通常位于装置的下游；在线路末端，这些谐波总是流向产生供电电压的电源。
这些电流谐波会导致电压源受到污染，污染从最近的电源开始，通常是UPS；上游是中压/低压(MV/LV)变压器和应急发电机。当这些设备运行时，它们也会受到影响，因为它们为一般非关键负载、UPS系统、照明、制冷负载以及建筑物的其他服务（例如电梯、门禁系统、安防系统、监控系统等）供电。
这些谐波发生设备的一个基本特性是会降低电力网络中循环的电压质量。电压质量越差，污染就越严重，从而导致总电流畸变率(THDI)增加。
这些负载会显著改变中/低压变电站产生的电压，其畸变程度可能达到某些设备或电源无法接受的阈值。IEEE 519-1992 标准规定，总电压畸变率必须低于 5%，最高幅值的单个谐波畸变率必须低于 3%。
由于电子设备对电源波形畸变非常敏感，因此该标准专门针对电子设备。过度的畸变会导致不规则故障、过早失效和加速老化，从而对设备制造商预估的产品平均寿命产生负面影响。制造商的预估通常基于高质量的电源供应。
通常情况下，设备的设计目标是在变电站正常运行。然而，有时发电机组的正确选型并未得到充分考虑，或者设备自身的发展演变可能导致其超出数据中心任何扩建或改造的可接受参数范围。为了
更好地理解安装应急发电机组所需的超额选型，我们来看一下表 I。该表显示了根据整流器类型（例如 PFC 整流器、电子谐波校正 (THM) 整流器、经典谐波滤波器 (FAH) 整流器或标准整流器）所需的发电机功率。
使用标准晶闸管整流器的 UPS 需要功率为其额定功率两倍的发电机。如果采用谐波滤波 (FAH)，则发电机的功率必须比额定功率高出 160%。如果整流器采用有源谐波补偿 (THM) 或使用带功率因数校正 (PFC) 的 IGBT 晶体管整流器，则最小的失真可实现 118% 的足够超配。
显而易见，一旦谐波得到控制，就可以使用更小的发电机，从而节省初始购置成本、维护成本和运行过程中的燃料消耗。
什么是谐波？
引言：
在设计一个电力系统时，如果已知其将为充满非线性或畸变负载的环境供电，且单相负载占比很高，就会产生诸多问题，因此设计起来颇具挑战性。
线性负载是指其电流波形与供电电压波形呈正弦波的负载；而非线性或畸变负载是指其电流波形与供电电压波形无关的负载。
图 2 所示的波形图展示了典型的单相开关电源（例如 PC 电源）的波形。该波形可以分解为基波和构成它的其他谐波电流，所有这些谐波电流均为正弦波。
通过这种分解，我们可以确定每个谐波的范围和幅度，从而利用这些信息找到最合适的解决方案。虽然
存在各种电气技术解决方案，但它们既不能解决装置中谐波的存在，也不能解决谐波造成的真正问题：电压质量。
如果装置允许，可以使用专门设计的电隔离变压器将三次谐波和九次谐波限制在特定区域内。这样可以防止谐波向上游传播，从而减轻中性线的负载，并将这些谐波控制在限定区域内。
另一种方法是使用调谐到所需频率的滤波器。这需要进行必要的测量，并设计一个适合消除特定谐波的滤波器。这类滤波器被称为无源滤波器。在额定功率下，无源滤波器能够发挥最佳效果；低于额定功率时，其效果会显著降低。
可以使用串联电感器，其目的并非消除谐波，而是衰减谐波，从而将总电流畸变率降低约 50%。这种应用主要用于整流器和变频器。与之前的情况一样，其效果会随着负载的增加而降低。
为了有效且彻底地解决谐波问题，有源谐波补偿器已在市场上销售五年多了。
如何缓解电路拥塞：主动谐波补偿。
主动谐波补偿器持续分析每一相，并考虑负载电流 (Ich) 的波形。通过分析，提取谐波频谱，该频谱由基波电流和各次谐波电流之和构成。
补偿器生成一个电流信号，其大小等于负载电流与基波电流之差。该差值（即各次谐波电流之和相移 180°）被注入负载，使产生的正弦电流等于电源的基波电流。
补偿器并联连接在电源和负载之间，其容量设计必须仅考虑谐波电流，而非总电流。
为确保高可靠性和最佳系统性能，功率级采用IGBT晶体管。
有源谐波补偿器持续分析每一相，考虑负载电流波形（I<sub>load</sub>），提取谐波频谱，并生成一个与负载电流波形相对应的信号（I<sub>harmonics</sub>），该信号不考虑基波分量，仅关注装置中存在的谐波。
它还有助于降低上游THDU电压畸变，从而产生正弦波形，为敏感电子设备提供高质量、无畸变的供电电压。
谐波畸变校正可将装置的视在功率降低高达30%，需要校正的谐波畸变率越大，有源谐波补偿器的校正效果就越好。
此外，未用于降低谐波的剩余功率可用于改善cos j，从而降低装置的无功功率消耗。
结论：
在数据中心等设施中，我们不能坐等问题出现，而必须防患于未然。
首先，我们需要对设施进行评估，并开展全面的电气审计，从单线图入手，确定污染最严重的负载的安装方式、具体类型、功能、各点的电流畸变以及电压畸变，从而评估电能质量。
这些分析应每年重复进行，以便分析设施的运行趋势，并确定何时需要进行变更、改进或采取措施来减轻影响。
审计不仅能帮助我们解决谐波问题，还能让我们改进设施的许多关键方面。
作者：Ángel Pérez，施耐德电气旗下APC技术总监
