功率因数是衡量供配电系统电能利用程度及用电设备使用状况的一个重要参数,随着负荷和电源电压的变动而变动。根据2008年8月1日发布的《国务院关于进一步加强节油节电工作的通知》(国发〔2008〕23号)相关规定“变压器总容量在100千伏安以上的高电压等级用电企业的功率因数要达到0.95以上”的要求,数据中心供配电系统的功率因数原则上应不低于0.95。
如果用户侧供配电系统功率因数过低,将对供配电系统产生下列影响:
1)设备及供电线路的有功功率损耗增大。
2)系统中的电压损失增大。
3)系统中电气元件容量增大。
4)同时也使发电厂设备输出能力降低。
所以,对于供配电系统功率因数低于供电部门要求的10kV、20kV、35kV用户,应优先采取措施提高功率因数以满足供电部门要求,即提高用电设备的输入功率因数,当采用提高用电设备的输入功率因数措施后仍达不到要求时,应进行无功功率补偿。
数据中心的用电设备的功率因数相对于其他民用建筑用电设备的功率因数要高,其中用电占比最高的是电子信息设备用电和空调设备用电,另外最大用电占比电子信息设备一般由UPS系统供电,而UPS系统的输入功率因数接近于1,可达0.99以上;第二大用电占比的是空调设备,一般功率因数为0.85。对于市电直接为电子信息设备供电回路的功率因数需要根据电子信息设备电源输入功率因数的大小来决定是否需要进行无功功率补偿。
若数据中心有10kV高压用电设备,则这个数据中心供配电系统需要设置高压无功功率补偿设备。数据中心的无功功率补偿装置均采用分母线段集中补偿方式,高压系统的无功功率按系统集中补偿,低压系统的无功功率按变压器集中补偿。
根据无功功率补偿容量计算公式:
设定(tan ϕ 1 -tan ϕ 2 )为无功补偿率 q c (kvar/kW),不同的补偿前功率因数和不同的补偿后功率因数对应着相应的 q c ,即
无功补偿率 q c 值见表4-6。
表4-6 无功补偿率 q c 值
如果数据中心的某一台变压器所接的都是功率因数不低于0.95的UPS系统,则这台变压器的低压母线段可不设置无功功率电容补偿装置,除非数据中心所在地区供电部门有特殊要求。
电容器补偿就是高压用电设备或变压器无功功率补偿或者功率因数补偿。数据中心高低压供电系统的用电设备在使用时会产生无功功率。若负载为感性负载时,通过在高压配电系统和低压配电系统中适当配置电容器的方式进行无功功率(功率因数)补偿,从而改善系统的功率因数。
在数据中心设计中,应根据无功功率补偿容量公式来计算高压用电设备和每一台变压器低压系统的补偿容量来配置高压和低压电容器容量。
SVG又称为静止型动态无功补偿装置,它采用并联方式向380V低压电网注入补偿无功电流,以抵消负荷所产生无功电流的主动型无功补偿装置,可补偿双向无功电流,但SVG不具备补偿谐波的能力。SVG可以电源模块形式配置,可对高压或低压母线进行无功补偿,补偿后的功率因数可达0.98以上。SVG补偿是目前较为先进的无功功率电力补偿技术,可替代电容补偿器。
SVG容量计算与电容器容量计算相同。
当某台变压器的低压配电系统母线段上含有一定的谐波含量时,且谐波含量超过GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》中相关规定的谐波电流允许值,在无法降低用电设备的输入谐波指标的前提下,可根据系统中的谐波量,在低压供配电系统中配置静止型动态无功补偿装置(SVG)和有源滤波装置(APF),SVG和APF的容量应满足低压母线段的无功补偿和谐波消除要求。
APF容量计算按下式计算:
式中 I a ——有源滤波器容量(谐波电流)(A);
K ——负载率(%);
S ——设备容量(kV·A(交流)或kW(直流));
T d ——设备或系统电流谐波分量(谐波畸变率)(%);
U ——系统标称电压,取380V。
【例】某数据中心有1台输入额定电压为380V的400kV·A UPS,其输入电流谐波分量为12%,计算这台UPS输入侧谐波电流(负载率取100%)。
解:根据式(4-33)
公式里的 一般接近于1,有源滤波装置的容量计算也可采用式(4-34)简单计算。
数据中心负载中重要的谐波源有变频装置、节能灯等,除了上述负载外,换流设备也是一个重要的谐波源,它包括整流设备和UPS设备。
在数据中心实际设计中,设备或系统的谐波分量只有在ICT设备实际运行时才能获得实际数据。在项目设计阶段,若计算有源滤波装置的配置容量,可根据实际采购的设备参数进行低压线路的谐波分量的估算,有源滤波装置应采用模块化配置。当ICT设备实际运行时,再根据低压线路的谐波分量实际值对有源滤波装置容量进行校验,对容量不满足要求的有源滤波装置进行扩容。