數(shù)據(jù)機(jī)房諧波治理方案研究

廖淅塤 / 莊志鴻 / 柯唯翔 / 丁則升 (諾企電容器(上海)有限公司， 上海 200000)

1 引言

隨著數(shù)字時(shí)代的進(jìn)步，數(shù)字化信息已與人類之生活密不可分。數(shù)字信息成長速度、儲存數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)需求大幅提高，置放IT設(shè)備機(jī)房需求量亦大幅提高。由于IT設(shè)備對于用電可靠行要求相當(dāng)高，因而數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)IT設(shè)備均以UPS供電，以防電力中斷。

一般使用的UPS設(shè)備多為6級脈波整流[1]，但由于UPS屬于非線性負(fù)載，若數(shù)據(jù)機(jī)房大量采用UPS將會直接影響系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量。此外，IT設(shè)備會隨著快速成長的數(shù)字信息而增加，這就意味著數(shù)據(jù)機(jī)房所需的補(bǔ)償量將會隨著時(shí)間而有顯著的改變。

2 諧波概論

2.1 諧波對設(shè)備的影響

數(shù)據(jù)機(jī)房除了采用大量UPS作為IT設(shè)備的電源，以提高供電可靠性之外，機(jī)房內(nèi)還包含空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備及整流設(shè)備等。此類電力電子設(shè)備均屬于非線性負(fù)載，而此類負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的諧波會直接注入系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)上諧波污染越來越嚴(yán)重時(shí)，對設(shè)備的影響亦越明顯，如變壓器、電力電纜、電動機(jī)、電子儀器及保護(hù)設(shè)備等。

(1) 變壓器：對變壓器而言，諧波電流可導(dǎo)致銅損和雜散損增加，諧波電壓則會增加鐵損。諧波對變壓器的整體影響為溫升問題。

(2) 電力電纜：由諧波所產(chǎn)生的額外損耗及溫升，其為集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起。

(3) 電動機(jī)：對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)備，諧波會引起噪聲、機(jī)械振蕩等問題。而機(jī)械振蕩易導(dǎo)致機(jī)械損壞。

(4) 電子儀器：對于數(shù)字電子設(shè)備，如可編過程控制器(PLC)或微控制器(MCU)，可能導(dǎo)致電壓零點(diǎn)偵測失誤、通訊干擾以及控制訊號失靈等問題。

(5) 保護(hù)設(shè)備：保護(hù)設(shè)備方面，諧波可能導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備誤動作。

2.2 諧波諧振

傳統(tǒng)線性負(fù)載常直接以電容器作為無效功率補(bǔ)償，由于線性負(fù)載無諧波污染、無諧波諧振問題存在。而數(shù)據(jù)機(jī)房常使用的整流設(shè)備、UPS設(shè)備、照明設(shè)備等皆為非線性負(fù)載，此類設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生諧波污染并直接注入系統(tǒng)。若數(shù)據(jù)機(jī)房直接以電容器作無功補(bǔ)償，可能會發(fā)生諧波諧振問題。由非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流，對于電力系統(tǒng)不一定會立即產(chǎn)生影響。但若注入供電系統(tǒng)的諧波因諧波諧振而放大諧波時(shí)，即可能造成配電系統(tǒng)上設(shè)備過壓或影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。例如系統(tǒng)電壓上升、波形嚴(yán)重畸變、電容器過流或變壓器過載等。典型數(shù)據(jù)機(jī)房采用電容器補(bǔ)償?shù)呐潆娤到y(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

非線性負(fù)載看入系統(tǒng)的等效電路如圖2所示,圖中電流源Ih(n)為

非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流；Xc(n)即為無功改善電容器回路的阻抗；Xs(n)即為變壓器及系統(tǒng)回路的等效阻抗。其中，n為諧波階次，即諧波頻率除以基頻。

圖2 由負(fù)載看系統(tǒng)的等效電路圖

而Xs(n)與Xc(n)的阻抗頻率響應(yīng)，如圖3所示。Xc(n)于基波頻率時(shí)阻抗較大，但隨頻率的增加，其阻抗將變小；由于Xs(n)為電感性，其等效阻抗則是隨頻率的增加而變大的。

由負(fù)載看入系統(tǒng)的驅(qū)動點(diǎn)阻

圖3 的阻抗頻率響應(yīng)

抗，可表示為 ：

由非線性負(fù)載端看入系統(tǒng)的驅(qū)動點(diǎn)阻抗ZIN(n)與頻率的響應(yīng)，如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)阻抗值Xs(n)與容抗值Xc

(n)相等，即Xs(n)＋Xc

(n)= 0時(shí)，，此時(shí)即為系統(tǒng)的并聯(lián)諧振點(diǎn)，此時(shí)的頻率即為其諧振頻率。若將此頻率除以基波的頻率，即為其并聯(lián)諧振點(diǎn)。

圖4 驅(qū)動點(diǎn)阻抗ZIN(n)的阻抗頻率響應(yīng)圖

若某次諧波電流頻率剛好落于此并聯(lián)諧振點(diǎn)，則該次諧波流所產(chǎn)生的諧波電壓可表示為：

3 數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)載

典型數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)載包含整流設(shè)備、UPS設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備與電動機(jī)等負(fù)載，其中以UPS為主要負(fù)載。而UPS設(shè)備主要供給IT設(shè)備用電，以防電源中斷。在數(shù)據(jù)機(jī)房的負(fù)載電能中，IT設(shè)備約占85%，如圖5所示。除了IT負(fù)載、照明設(shè)備及電動機(jī)設(shè)備之外，其余部份皆為電力損耗，約占8%。電動機(jī)設(shè)備系指電梯、空調(diào)設(shè)備的壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

圖5 數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)載電能分布圖

由于照明設(shè)備及電動機(jī)負(fù)載在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的諧波量很小，且此類負(fù)載所占的容量亦較小，故其諧波對于系統(tǒng)的影響亦不明顯。

在數(shù)據(jù)機(jī)房所有設(shè)備中，主要以UPS為主要諧波產(chǎn)生源，再加上安裝的IT設(shè)備容量大，故UPS設(shè)備容量需求亦相當(dāng)大，其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的諧波產(chǎn)生量亦提高。而目前常使用6級脈沖之UPS設(shè)備，其所產(chǎn)生的諧波電流，如圖6所示。其中，主要以第5次與第7次諧波含量最高，而本文將以此諧波產(chǎn)生量作為分析的對象。

圖6 UPS設(shè)備的諧波電流產(chǎn)生量

4 諧波治理方案

典型數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)載，一般皆為非線性負(fù)載，如UPS、交換式電源設(shè)備等。數(shù)據(jù)機(jī)房大量采用此類設(shè)備，所產(chǎn)生的諧波若不經(jīng)由改善補(bǔ)償，直接注入電力系統(tǒng)會導(dǎo)致諧波含量超出諧波管制標(biāo)準(zhǔn)，而影響公用電網(wǎng)上其他用戶的用電質(zhì)量。因此，為了不使上述情形發(fā)生，須針對非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行改善。目前常見的改善方式為采用無源濾波器，即在可補(bǔ)償無效功率的同時(shí)，亦可吸收系統(tǒng)上的諧波電流。但采用無源濾波器并入系統(tǒng)后，濾波器會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振點(diǎn)。此外，有源濾波器亦是常見的補(bǔ)償設(shè)備，除了可濾除諧波，亦可補(bǔ)償無效功率與不平衡。而且有源濾波器并入系統(tǒng)后并不會影響系統(tǒng)既有的諧振點(diǎn)，亦不會產(chǎn)生新的諧振點(diǎn)，但其成本相對比無源濾波器高。

4.1 無功補(bǔ)償電容器

采用無功補(bǔ)償電容器主要為補(bǔ)償系統(tǒng)上的無效功率，并非以濾除諧波為目的。直接使用電容器作為無功補(bǔ)償會與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)共振問題，故通常會使用調(diào)諧電抗電容器以避開諧振點(diǎn)。

(1) 電容器：一般為了補(bǔ)償系統(tǒng)上的無效功率，會直接采用電容器進(jìn)行補(bǔ)償。但采用電容器并接于系統(tǒng)后，會與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)上的諧波含量相當(dāng)少時(shí)，即使存在并聯(lián)諧振點(diǎn)，亦不會有明顯并聯(lián)諧振現(xiàn)象。因此，直接采用電容器作為系統(tǒng)補(bǔ)償之方案，較適于無諧波污染系統(tǒng)。

(2) 調(diào)諧電抗電容器：為了避開此諧振點(diǎn)，串聯(lián)一組電感器，而形成一組調(diào)諧電抗電容器(blocking filter)，其目的主要為補(bǔ)償無效功率并非濾除諧波。故調(diào)諧電抗電容器適用于諧波污染較小的場合。此外，由于其主要目的并非濾除諧波電流，故其串聯(lián)電抗器的容量與體積皆比單調(diào)諧濾波器小。

4.2 諧波濾波器

(1) 無源濾波器

無源諧波濾波器(passive harmonic filter)由多組單調(diào)諧濾波器(single-tuned filter)所組成，其等效架構(gòu)如圖7所示。每一組濾波器是由補(bǔ)償電容器串聯(lián)一個(gè)電感器而形成的，并藉由串聯(lián)電感值大小的不同，設(shè)定該組濾波器的調(diào)諧點(diǎn)。

圖7 無源濾波器與系統(tǒng)連接單線圖

當(dāng)濾波器產(chǎn)生串聯(lián)共振時(shí)，將提供諧波電流一低阻抗路徑。即當(dāng)電容器阻抗等于電感器阻抗時(shí)，可表示為：

L：電感值(mH)，C：電容值(μF)。n：諧振點(diǎn)，ω：角頻率(rad)，而諧振點(diǎn)可由上式推得：

若已知電容器大小與調(diào)諧點(diǎn)，則電感器大小可由 (5)式計(jì)算出。

如圖5所示，其分別可濾5次與7次諧波，而此兩個(gè)回路濾波器的補(bǔ)償電容器總和即為總虛功率補(bǔ)償量。一般而言，濾波器的調(diào)諧點(diǎn)并不會直接將調(diào)諧點(diǎn)設(shè)置于5或7，由于當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，可能會有電容器組老化或部份組件故障后使有效電容值降低，則可能導(dǎo)致濾波器調(diào)諧點(diǎn)往后產(chǎn)生偏移，即調(diào)諧點(diǎn)變大。當(dāng)調(diào)諧點(diǎn)偏移后大于某階次諧波，有放大諧波之慮，則此濾波器不但沒有將該次諧波濾除，還會將該次諧波電流放大。

(2) 有源濾波器

由于采用無源濾波器常會有諧波諧振問題，為了避免諧波放大問題，諧波改善可考慮采用有源濾波器。由于電力電子技術(shù)進(jìn)步快速及制造成本降低，其應(yīng)用越來越多，而有源濾波器即是將電力電子應(yīng)用于諧波改善的設(shè)備。有源濾波器的改善原理是藉由偵測設(shè)備取得負(fù)載電流的諧波含量大小及相位，再由內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)大小相同但相位相反的諧波電流，以抵消諧波電流。由于采用有源濾波器，只要其輸出容量可滿足欲補(bǔ)償?shù)闹C波電流皆可達(dá)到改善效果。一旦諧波電流超出有源濾波器可補(bǔ)償?shù)娜萘?，只須要再增加設(shè)備或提升有源濾波器的容量即可，不必像無源濾波器那樣須再經(jīng)過計(jì)算或重新調(diào)整所有濾波器。此外，由于無源濾波器長時(shí)使用后，可能導(dǎo)致調(diào)諧點(diǎn)偏移、組件劣化或系統(tǒng)參數(shù)改變而導(dǎo)致濾波效果明顯下降，但若采用有源濾波器無此問題。

有源濾波器除了諧波改善、無效功率補(bǔ)償、電壓波動與電壓閃爍改善之外，對于負(fù)序電流的濾除與三相不平衡亦有改善效果。而有源濾波器目前的應(yīng)用可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型與混合型，本文是采用并聯(lián)型有源濾波器(shunt active filter)作為后續(xù)諧波補(bǔ)償方案。并聯(lián)型有源濾波器與系統(tǒng)連接架構(gòu)，如圖8所示。

圖8 有源濾波器與系統(tǒng)連接單線圖

并聯(lián)型有源濾波器為目前常見的類型，其補(bǔ)償原理是擷取負(fù)載電流的訊號，接著傅利葉轉(zhuǎn)換計(jì)算出基頻電流大小與相位，接著將基頻電流與負(fù)載電流相減即可獲得補(bǔ)電流訊號。由于所須的訊號處理較少，故其計(jì)算的延遲時(shí)間較短。本文有源濾波器的控制架構(gòu)如圖9所示。

圖9 有源濾波器控制模型

本文采用四種補(bǔ)償方案，補(bǔ)償方案1至方案4分別為電容器、調(diào)諧電抗電容器、無源濾波器及有源濾波器。此四種補(bǔ)償方案的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 各項(xiàng)補(bǔ)償方案的參數(shù)設(shè)定

5 仿真分析

本文將建立一典型數(shù)據(jù)機(jī)房范例系統(tǒng)，其負(fù)載含有UPS、整流設(shè)備、空調(diào)設(shè)備與照明設(shè)備等。將利用此范例系統(tǒng)進(jìn)行諧波分析，探討10kV側(cè)的諧波含量。最后通過各項(xiàng)補(bǔ)償方案分析其補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，并各別探討各補(bǔ)償方案的補(bǔ)償特性與補(bǔ)償效益。

5.1 范例系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

如圖10所示為典型數(shù)據(jù)機(jī)房系統(tǒng)單線圖。此范例系統(tǒng)10kV側(cè)的短路容量為100MVA，變壓器容量為2MVA，百分阻抗為6.39%，采用△-Y結(jié)線。

圖10 數(shù)據(jù)機(jī)房范例系統(tǒng)架構(gòu)單線圖

本文所設(shè)定的負(fù)載相關(guān)詳細(xì)參數(shù)設(shè)定，如表2所示。使用6級脈沖的UPS，其單臺額定容量為800kVA，需量因子為0.5。機(jī)房負(fù)載的整流設(shè)備功率因數(shù)為0.8，負(fù)載運(yùn)行率為0.5。其余機(jī)房負(fù)載包含空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備與電梯等，本文假設(shè)運(yùn)行功率因數(shù)皆為0.8。

表2 數(shù)據(jù)機(jī)房范例系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

5.2 分析結(jié)果

數(shù)據(jù)機(jī)房范例系統(tǒng)架構(gòu)諧波改善分析，補(bǔ)償方案分別為電容器、調(diào)諧電抗電容器、無源濾波器、有源濾波器。Bus1的分析結(jié)果，如圖11與表3所示。其中，VFund及IFund分別為基頻電壓與基頻電流之有效值，并以中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993所制訂的暫行標(biāo)準(zhǔn)作為參考，如表4所示。本文中以諧波下降率作為諧波改善效益的評估，諧波下降率的定義如式(6)所示。

諧波下降率（%）＝

THD改善前：改善前的總諧波電壓(電流)畸變率，THD改善后：改善后的總諧波電壓(電流)畸變率。

Bus1各階次諧波電壓/電流含有率分析結(jié)果如表5所示。使用電容器作為無功補(bǔ)償,會因?yàn)椴⒙?lián)共振問題而造成第5次與第7次諧波放大現(xiàn)象。雖然可改善功率因數(shù)，但諧波含量反而增加，總諧波電壓/電流畸變率變大。而發(fā)生共聯(lián)共振會造成系統(tǒng)的電壓上升，可能導(dǎo)致設(shè)備過壓而燒毀。

采用調(diào)諧電抗電容器作為補(bǔ)償方案，可補(bǔ)償系統(tǒng)的無效功率。由于串聯(lián)6%之電抗器，其并聯(lián)諧振點(diǎn)落于第3階次，而系統(tǒng)上最低次諧波為第5階次，因而避開發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象。此外，采用調(diào)諧電抗電容器主要目的并非濾除諧波電流，由仿真結(jié)果可知系統(tǒng)上的第5次諧波含量僅略變小，對于諧波改善的效益并不高。

采用諧波濾波器作為補(bǔ)償方案可明顯改善第5次與第7次諧波含量，且同時(shí)可提供無效功率補(bǔ)償，其諧波濾除效果相當(dāng)明顯。與有源濾波器比較，無源濾波器的諧波濾除效果僅略小于有源濾波器。由分析結(jié)果可知，無源濾波器與有源濾波器的諧波下降率分別為61%及66%(THDV)。但采用有源濾波器的成本比無源濾波器高，且設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)維修成本亦較高。

數(shù)據(jù)機(jī)房采用無源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1) 濾波效果佳，由分析結(jié)果可知其濾波效果與有源濾波器差異不大，其濾波效益不遜于有源濾波器。

(2) 設(shè)備成本及日后維修成本相較于有源濾波器，無源濾波器低于有源濾波器。

(3) 由于有源濾波器采用數(shù)字電子電路組件，相較于無源濾波器為采用電抗與電容的被動組件，無源濾波器的穩(wěn)定性高于有源濾波器。

(4) 相較于有源濾波器，若采用相等的濾波器容量，無源濾波器所需的裝設(shè)空間較大。

數(shù)據(jù)機(jī)房采用有源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1) 使用有源濾波器的濾波效果佳，且同時(shí)具有補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)序電源以及三相電壓不平衡等功能。

(2) 數(shù)據(jù)機(jī)房裝設(shè)濾波器的空間有限，采用有源濾波器所需的裝設(shè)空間較小。

(3) 由于有源濾波器是使用數(shù)字電子作為濾波器之控制電路，易受到工作環(huán)境的噪聲、溫度等因素干擾，其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較差。

(4) 采用有源濾波器所需的設(shè)備成本以及維修成本較高。

6 結(jié)論

典型數(shù)據(jù)機(jī)房負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，最大諧波電流為第5階次，其次為第7階次。采用無源濾波器與有源濾波器皆可有效濾除諧波電流，系統(tǒng)上的總諧波電流含量可明顯獲得改善。采用無源濾波器的濾除效果與有源濾波器差異不大、且皆能滿足諧波管制值，但有源濾波器的設(shè)備成本及維修成本皆高于無源濾波器。無源濾波器由電感器與電容器所組成，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性方面高于有源濾波器。但采用無源濾波器所須的裝設(shè)空間較大，數(shù)據(jù)機(jī)房的濾波器裝設(shè)空間須納入設(shè)計(jì)考慮。有源濾波器除了可濾除諧波電流之外，尚有負(fù)序電流及電壓不平衡之綜合補(bǔ)償。機(jī)房的諧波治理方案中，采用無源濾波器及有源濾波器各有其優(yōu)勢，但各亦有須取舍之處，故于數(shù)據(jù)機(jī)房諧波的治理方案可依環(huán)境需求采用無源濾波器或有源濾波器。

表3 Bus1仿真分析結(jié)果

表4 GB/T 14549-1993 10kV總線各階次諧波電流允許值[2]

表5 Bus1各階次諧波電壓/電流含有率

圖11 Bus1仿真結(jié)果比較圖

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[3]Jing Yong,Liang Chen, Shuangyan Chen. Modeling of Home Appliances for Power Distribution System Harmonic Analysis[M].IEEE Trans. Power

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