數據機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

隨著數字時代的進步，數字化信息已與人類之生活密不可分。數字信息成長速度、儲存數字數據需求大幅提高，置放IT設備機房需求量亦大幅提高。由于IT設備對于用電可靠行要求相當高，因而數據機房內IT設備均以UPS供電，以防電力中斷。

一般使用的UPS設備多為6級脈波整流[1]，但由于UPS屬于非線性負載，若數據機房大量采用UPS將會直接影響系統供電的電能質量。此外，IT設備會隨著快速成長的數字信息而增加，這就意味著數據機房所需的補償量將會隨著時間而有顯著的改變。

2 諧波概論

2.1 諧波對設備的影響

數據機房除了采用大量UPS作為IT設備的電源，以提高供電可靠性之外，機房內還包含空調設備、照明設備及整流設備等。此類電力電子設備均屬于非線性負載，而此類負載運轉時產生的諧波會直接注入系統。當系統上諧波污染越來越嚴重時，對設備的影響亦越明顯，如變壓器、電力電纜、電動機、電子儀器及保護設備等。

(1) 變壓器：對變壓器而言，諧波電流可導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：由諧波所產生的額外損耗及溫升，其為集膚效應和鄰近效應所引起。

(3) 電動機：對于旋轉電機設備，諧波會引起噪聲、機械振蕩等問題。而機械振蕩易導致機械損壞。

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

(5) 保護設備：保護設備方面，諧波可能導致保護設備誤動作。

2.2 諧波諧振

傳統線性負載常直接以電容器作為無效功率補償，由于線性負載無諧波污染、無諧波諧振問題存在。而數據機房常使用的整流設備、UPS設備、照明設備等皆為非線性負載，此類設備運轉時會產生諧波污染并直接注入系統。若數據機房直接以電容器作無功補償，可能會發生諧波諧振問題。由非線性負載所產生的諧波電流，對于電力系統不一定會立即產生影響。但若注入供電系統的諧波因諧波諧振而放大諧波時，即可能造成配電系統上設備過壓或影響設備正常運轉。例如系統電壓上升、波形嚴重畸變、電容器過流或變壓器過載等。典型數據機房采用電容器補償的配電系統架構如圖1所示。

圖1 典型數據機房配電系統架構圖

非線性負載看入系統的等效電路如圖2所示,圖中電流源Ih(n)為

非線性負載所產生的諧波電流；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 由負載看系統的等效電路圖

而Xs(n)與Xc(n)的阻抗頻率響應，如圖3所示。Xc(n)于基波頻率時阻抗較大，但隨頻率的增加，其阻抗將變??；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。

由負載看入系統的驅動點阻

圖3 的阻抗頻率響應

抗，可表示為 ：

由非線性負載端看入系統的驅動點阻抗ZIN(n)與頻率的響應，如圖4所示。當系統阻抗值Xs(n)與容抗值Xc

(n)相等，即Xs(n)＋Xc

(n)= 0時，，此時即為系統的并聯諧振點，此時的頻率即為其諧振頻率。若將此頻率除以基波的頻率，即為其并聯諧振點。

圖4 驅動點阻抗ZIN(n)的阻抗頻率響應圖

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

3 數據機房負載

典型數據機房負載包含整流設備、UPS設備、空調設備、照明設備與電動機等負載，其中以UPS為主要負載。而UPS設備主要供給IT設備用電，以防電源中斷。在數據機房的負載電能中，IT設備約占85%，如圖5所示。除了IT負載、照明設備及電動機設備之外，其余部份皆為電力損耗，約占8%。電動機設備系指電梯、空調設備的壓縮機等旋轉電機。

圖5 數據機房負載電能分布圖

由于照明設備及電動機負載在運行時所產生的諧波量很小，且此類負載所占的容量亦較小，故其諧波對于系統的影響亦不明顯。

在數據機房所有設備中，主要以UPS為主要諧波產生源，再加上安裝的IT設備容量大，故UPS設備容量需求亦相當大，其運轉時的諧波產生量亦提高。而目前常使用6級脈沖之UPS設備，其所產生的諧波電流，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生量作為分析的對象。

圖6 UPS設備的諧波電流產生量

4 諧波治理方案

典型數據機房負載，一般皆為非線性負載，如UPS、交換式電源設備等。數據機房大量采用此類設備，所產生的諧波若不經由改善補償，直接注入電力系統會導致諧波含量超出諧波管制標準，而影響公用電網上其他用戶的用電質量。因此，為了不使上述情形發生，須針對非線性負載所產生的諧波進行改善。目前常見的改善方式為采用無源濾波器，即在可補償無效功率的同時，亦可吸收系統上的諧波電流。但采用無源濾波器并入系統后，濾波器會與系統產生諧振點。此外，有源濾波器亦是常見的補償設備，除了可濾除諧波，亦可補償無效功率與不平衡。而且有源濾波器并入系統后并不會影響系統既有的諧振點，亦不會產生新的諧振點，但其成本相對比無源濾波器高。

4.1 無功補償電容器

采用無功補償電容器主要為補償系統上的無效功率，并非以濾除諧波為目的。直接使用電容器作為無功補償會與系統產生并聯共振問題，故通常會使用調諧電抗電容器以避開諧振點。

(1) 電容器：一般為了補償系統上的無效功率，會直接采用電容器進行補償。但采用電容器并接于系統后，會與系統產生并聯諧振點。當系統上的諧波含量相當少時，即使存在并聯諧振點，亦不會有明顯并聯諧振現象。因此，直接采用電容器作為系統補償之方案，較適于無諧波污染系統。

(2) 調諧電抗電容器：為了避開此諧振點，串聯一組電感器，而形成一組調諧電抗電容器(blocking filter)，其目的主要為補償無效功率并非濾除諧波。故調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，故其串聯電抗器的容量與體積皆比單調諧濾波器小。

4.2 諧波濾波器

(1) 無源濾波器

無源諧波濾波器(passive harmonic filter)由多組單調諧濾波器(single-tuned filter)所組成，其等效架構如圖7所示。每一組濾波器是由補償電容器串聯一個電感器而形成的，并藉由串聯電感值大小的不同，設定該組濾波器的調諧點。

圖7 無源濾波器與系統連接單線圖

當濾波器產生串聯共振時，將提供諧波電流一低阻抗路徑。即當電容器阻抗等于電感器阻抗時，可表示為：

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

若已知電容器大小與調諧點，則電感器大小可由 (5)式計算出。

如圖5所示，其分別可濾5次與7次諧波，而此兩個回路濾波器的補償電容器總和即為總虛功率補償量。一般而言，濾波器的調諧點并不會直接將調諧點設置于5或7，由于當設備運轉一段時間后，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，則可能導致濾波器調諧點往后產生偏移，即調諧點變大。當調諧點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。由于電力電子技術進步快速及制造成本降低，其應用越來越多，而有源濾波器即是將電力電子應用于諧波改善的設備。有源濾波器的改善原理是藉由偵測設備取得負載電流的諧波含量大小及相位，再由內部產生一個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償的諧波電流皆可達到改善效果。一旦諧波電流超出有源濾波器可補償的容量，只須要再增加設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過計算或重新調整所有濾波器。此外，由于無源濾波器長時使用后，可能導致調諧點偏移、組件劣化或系統參數改變而導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、無效功率補償、電壓波動與電壓閃爍改善之外，對于負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用可分為并聯型、串聯型與混合型，本文是采用并聯型有源濾波器(shunt active filter)作為后續諧波補償方案。并聯型有源濾波器與系統連接架構，如圖8所示。

圖8 有源濾波器與系統連接單線圖

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

圖9 有源濾波器控制模型

本文采用四種補償方案，補償方案1至方案4分別為電容器、調諧電抗電容器、無源濾波器及有源濾波器。此四種補償方案的參數設定如表1所示。

表1 各項補償方案的參數設定

5 仿真分析

本文將建立一典型數據機房范例系統，其負載含有UPS、整流設備、空調設備與照明設備等。將利用此范例系統進行諧波分析，探討10kV側的諧波含量。最后通過各項補償方案分析其補償的結果，并各別探討各補償方案的補償特性與補償效益。

5.1 范例系統參數設定

如圖10所示為典型數據機房系統單線圖。此范例系統10kV側的短路容量為100MVA，變壓器容量為2MVA，百分阻抗為6.39%，采用△-Y結線。

圖10 數據機房范例系統架構單線圖

本文所設定的負載相關詳細參數設定，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。機房負載的整流設備功率因數為0.8，負載運行率為0.5。其余機房負載包含空調設備、照明設備與電梯等，本文假設運行功率因數皆為0.8。

表2 數據機房范例系統參數設定

5.2 分析結果

數據機房范例系統架構諧波改善分析，補償方案分別為電容器、調諧電抗電容器、無源濾波器、有源濾波器。Bus1的分析結果，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，并以中國國家標準GB/T 14549-1993所制訂的暫行標準作為參考，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/電流含有率分析結果如表5所示。使用電容器作為無功補償,會因為并聯共振問題而造成第5次與第7次諧波放大現象。雖然可改善功率因數，但諧波含量反而增加，總諧波電壓/電流畸變率變大。而發生共聯共振會造成系統的電壓上升，可能導致設備過壓而燒毀。

采用調諧電抗電容器作為補償方案，可補償系統的無效功率。由于串聯6%之電抗器，其并聯諧振點落于第3階次，而系統上最低次諧波為第5階次，因而避開發生并聯諧振現象。此外，采用調諧電抗電容器主要目的并非濾除諧波電流，由仿真結果可知系統上的第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償方案可明顯改善第5次與第7次諧波含量，且同時可提供無效功率補償，其諧波濾除效果相當明顯。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，且設備運轉維修成本亦較高。

數據機房采用無源濾波器的優缺點：

(1) 濾波效果佳，由分析結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空間較大。

數據機房采用有源濾波器的優缺點：

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

(2) 數據機房裝設濾波器的空間有限，采用有源濾波器所需的裝設空間較小。

(3) 由于有源濾波器是使用數字電子作為濾波器之控制電路，易受到工作環境的噪聲、溫度等因素干擾，其運轉穩定性較差。

(4) 采用有源濾波器所需的設備成本以及維修成本較高。

6 結論

典型數據機房負載產生的諧波電流，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，在設備運轉的穩定性方面高于有源濾波器。但采用無源濾波器所須的裝設空間較大，數據機房的濾波器裝設空間須納入設計考慮。有源濾波器除了可濾除諧波電流之外，尚有負序電流及電壓不平衡之綜合補償。機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勢，但各亦有須取舍之處，故于數據機房諧波的治理方案可依環境需求采用無源濾波器或有源濾波器。

表3 Bus1仿真分析結果

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仿真結果比較圖

[1] Ba 口 jan, L.,“Total current harmonic distortion analyses of industrial UPS's with SCR input converter working in redundant mode,” Electrical Machines (ICEM)[R].XIX International Conference, pp. 1-4, 2010.

[2] 國家技術監督局.GB/T 14549-1993電能質量-公用電網諧波[S]. 北京: 中國標準出版社,1993.

[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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