Sóng hài trong trung tâm dữ liệu hiện đại

Ngày nay, các nhà quản lý TTDL hiện đại luôn tìm cách nâng cao hiệu suất hệ thống bằng cách sử dụng những thiết bị tiết kiệm năng lượng và đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí đầu tư cho doanh nghiệp. Tuy nhiên,trong nhiều trường hợp, sóng hài có thểtrở thành “con sâu làm rầu nồi canh”gây hao phí điện năng hoặc gián đoạnhoạt động của thiết bị trong TTDL, giảmkhả năng ứng dụng các giải pháp tiếtkiệm năng lượng vào hệ thống.

Các công nghệ tiên tiến như nguồn điện ứng dụng PFC (kỹ thuật điều chỉnh hệ số công suất – Power Factor Correction) và các thiết bị chuyển mạch nhanh hơn ra đời đang được nhiều nhà khai thác TTDL kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề về sóng hài trong các TTDL.Tuy nhiên trên thực tế, tải phi tuyến
 và các thiết bị CNTT dù được áp dụng những công nghệ tiên tiến nhất vẫn không loại bỏ được sóng hài, ảnh hưởng đến hệ số công suất và cân bằng tải.

Sóng hài có thể khiến nhiệt độ hệ thống tăng quá mức, giảm hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của thiết bị. Do đó,cần xem xét kỹ những tác động của sóng hài khi cần nâng cấp hoặc thay thế hệ thống, phân tích các nguy cơ tiềm tàng và lựa chọn những công nghệ phù hợp với TTDL.

Nguyên nhân tạo sóng hài

Nguồn điện thường được cung cấp dưới dạng sóng sin tuần hoàn. Tuy nhiên,ảnh hưởng từ các tải phi tuyến như máychủ, bộ biến tần, hệ thống lưu điện, đèn huỳnh quang và các thiết bị điện tử khác có thể gây biến dạng, làm méo sóng điện áp và dòng điện. Những biến dạng sóng này được gọi là sóng hài, có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản (đa số các nước có tần số cơ bản là 50 Hz, riêng một vài quốc gia như Mỹ, Nhật… sử dụng tần số 60 Hz). Trong đó, hài bội 3 (vớitần số 150 Hz) là sóng hài có hại nhất đốivới hệ thống điện TTDL, nó chạy trêntrung tính hệ thống điện, gây tổn hao,quá nhiệt và mất cân bằng ba pha.

Có hai loại sóng hài là sóng hài điệnáp và sóng hài dòng điện. Sóng hàidòng điện sinh ra khi các tải phi tuyếnhoạt động, ví dụ như: PC, thiết bị IT, camera… Trong khi đó, sóng hài điện ápxuất hiện ở những khu vực có công suấtlớn và thay đổi liên tục hoặc ở đầu ra cácbộ nguồn kém chất lượng. Sóng hài bậcthấp tại một vị trí trong TTDL cũng gâyra “ô nhiễm sóng hài”, ảnh hưởng đếnhệ thống điện của cả TTDL cũng như cáchạ tầng xung quanh và ngược lại.

Giải pháp bù và giảm khử sóng hài

Có hàng loạt giải pháp giúp giảm sónghài với độ phức tạp và chi phí khác nhaumà nhà điều hành TTDL có thể lựa chọnđể sử dụng riêng lẻ hoặc phối hợp cácphương pháp. Để chọn được một chiếnlược quản lý sóng hài hiệu quả nhất,doanh nghiệp nên cân nhắc dựa trênngân sách, đặc điểm tải và những vấn đềcụ thể do sóng hài gây ra trong hệ thốngcủa mình. Các tiêu chí bao gồm: độ nhỏgọn và không gian lắp đặt giải pháp, độđơn giản trong vận hành, hiệu quả giảmsóng hài, hiệu quả năng lượng và hiệuquả đầu tư so với chi phí bỏ ra. Sau đâylà một số phương pháp để giảm sóng hàihiệu quả như:

• Bộ lọc tích cựcBộ lọc tích cực là giải pháp khử sóng hàituyệt vời nhưng cũng đắt tiền nhất trongcác phương pháp. Bộ lọc tích cực sẽ cảmnhận sóng hài dòng điện và cấp vào mộtsóng hài tương ứng có chiều ngược lại.Hoạt động theo nguyên lý tương tự cáchmà tai nghe khử nhiễu âm thanh và lọctiếng ồn, bộ lọc tích cực giúp khử toànbộ phổ của sóng hài, giảm thiểu độ méosóng xuống dưới 5 % và điều chỉnh hệsố công suất phù hợp nhờ khả năng cânchỉnh pha dòng điện.

Giảm sóng hài sử dụng UPSGiải pháp UPS khử méo sóng hài hoạtđộng tương tự như giải pháp sử dụng bộlọc tích cực. Ngoài ra, UPS còn bù côngsuất phản kháng cho các tải phi tuyến vàcân bằng tải 3 pha để tránh nguy cơ quátải, đồng thời vẫn cung cấp năng lượngsạch và liên tục trong thời gian cúp điệnhoặc có sự cố điện xảy ra.

Nhằm tăng hiệu suất hệ thống, cácnhà khai thác TTDL ngày càng triểnkhai nhiều UPS có chế độ tiết kiệm nănglượng hơn. Những sản phẩm này giúp tiết kiệm chi phí vận hành, tăng tính bềnvững khi giảm lãng phí năng lượng lênđến 10 % trong TTDL ở điều kiện hoạtđộng bình thường.

Giải pháp UPS giảm sóng hài mớinhất hiện nay cho phép kiểm soát vàđiều chỉnh được độ méo sóng hài tronggiới hạn xác định, đồng thời đảm bảohệ số công suất và cân bằng tải khi vậnhành ở chế độ tiết kiệm năng lượng.

• Giảm sóng hài sử dụng máy biến áp

Máy biến áp K-rated là một giải pháphiệu quả để giảm thiểu tác hại của sónghài và được sử dụng rộng rãi trongcác hệ thống điện ngày nay. Máy biếnáp K-rated tương tự như máy biến ápthông thường, thực hiện chuyển đổi cáctín hiệu sóng hài thành nhiệt năng, nhờđó ngăn chặn chúng tiếp tục xuất hiệnở những vị trí khác trên hệ thống. Tuynhiên, máy biến áp K-rated được thiếtkế theo từng chuẩn riêng, phù hợp vớicác loại thiết bị và công suất khác nhau(ví dụ: K4 phù hợp với các UPS có bộlọc nguồn vào, còn K13 phù hợp với cácUPS không có bộ lọc nguồn vào…), nhờđó tránh được tình trạng quá nhiệt trêncuộn dây, tăng tuổi thọ và độ tin cậycủa máy phát.

Dù vẫn được sử dụng rộng rãi hiệnnay, máy biến áp K-rated đang ngàycàng trở nên lỗi thời, kém hiệu quả sovới các thiết kế máy biến áp tiên tiếngần đây – máy biến áp khử hài (HMT)là một ví dụ. Được thiết kế để hỗ trợcác tải phi tuyến trong cơ sở hạ tầngđiện, HMT sử dụng nguyên lý giảmđiện từ trường để lọc sóng hài bội 3,đồng thời kết hợp sử dụng các cuộndây thứ cấp để loại bỏ dòng điện trungtính và dòng tuần hoàn trong cuộn dâysơ cấp.

Ứng dụng công nghệ trên, HMTđảm bảo vận hành tải theo đúng chứcnăng được sản xuất, đồng thời hạn chếtác động của sóng hài gây thất thoát vàméo dạng điện. Hầu hết HMT hiện nayđều vượt hiệu suất NEMA TP-1, ngaycả khi thử nghiệm với hệ thống 100 %tải phi tuyến. HMT có thể được lắp đặtthay cho máy biến áp K-rated ở bất cứvị trí nào trong hệ thống.

• Máy phát điện công suất lớnKhông giống như máy biến áp, máyphát điện cùng công suất có trở khánglớn hơn từ hai đến ba lần và vì vậy đặcbiệt nhạy cảm với sóng hài. Để hoạtđộng hiệu quả và ổn định cho các TTDL,nhà quản lý TTDL nên sử dụng máyphát điện được thiết kế với công suấtlớn hơn tải hoạt động cùng chức năngổn định điện áp đầu ra. Nhờ đó, khicúp điện xảy ra, méo dạng điện áp đượcgiảm đáng kể, đồng thời, tăng tuổi thọcho máy phát điện và các thiết bị kháctrong hệ thống. Tuy giải pháp này có chiphí đầu tư cao, nó vẫn là một phương ánhiệu quả để kết hợp với UPS nhằm cungcấp nguồn điện “sạch” cho hệ thống,giảm tác hại của sóng hài trong TTDL.

• Chấn lưu điện tửTương tự HMT, chấn lưu điện tử(electronic ballast) sử dụng công nghệlọc thụ động để hạn chế sóng hài dòngđiện, giảm đáng kể méo dạng nguồnđiện ở những TTDL có hệ thống chiếusáng quy mô lớn. Nhược điểm của giảipháp này là giá thành cao hơn so với cácbộ chấn lưu từ (magnetic ballast) thôngthường khác.

Kết luận

Dù thiết bị ngày nay đã được ápdụng các công nghệ tiên tiến hơn,song sóng hài vẫn tiếp tục là tác nhângây tốn kém cho doanh nghiệp, làmgiảm hiệu suất và độ tin cậy choTTDL. May thay, có khá nhiều giảipháp hiệu quả để hỗ trợ việc giảmthiểu và thậm chí loại bỏ các sóng hàitrong TTDL. Để chọn được giải phápphù hợp, các nhà quản lý TTDL nêncân nhắc khả năng kết hợp giải phápvới cơ sở hạ tầng hiện có, cân nhắcchi phí đầu tư với lợi ích đem lại vàđánh giá chính xác những nguy cơtiềm tàng mà sóng hài có thể gây hạicho hệ thống. Việc giảm sóng hài hiệuquả sẽ giúp doanh nghiệp đạt hiệusuất hoạt động cao nhất, kéo dài tuổithọ cũng như tiết kiệm chi phí đángkể so với trước khi áp dụng.

Dịch bởi Bùi Tiến Lợi-Tầm Nhìn Mạng

Nguồn: Mission Critical Magazine